CN101234401B

CN101234401B - 一种镁合金汽车车轮挤压成形方法及模具

Info

Publication number: CN101234401B
Application number: CN2008100546000A
Authority: CN
Inventors: 张治民; 王强; 张星; 张宝红; 于建民
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: CN101234401A

Abstract

本发明涉及一种镁合金汽车车轮挤压成形方法及模具，挤压成形方法其工序包括：下料—镦粗—反挤压—机加—正挤压—扩口—热处理—最终机加—表面处理；挤压成形模具包括：反挤压模具、正挤压模具和扩口模具；它可直接成形出各种形状的镁、铝合金车轮，解决了轮缘难以成形等问题，同时降低了成形力；尤其对具有密排六方晶格的塑性较低的镁合金，通过正挤压获得的三向压应力状态有利于提高材料塑性；成形的车轮尺寸精度和表面精度高，综合力学性能好，提高了产品质量，简化了工艺过程，模具结构简单，减少了模具工装和设备，降低了生产成本。

Description

一种镁合金汽车车轮挤压成形方法及模具

一、技术领域

本发明一种汽车镁合金车轮挤压成形方法及模具，为镁合金挤压成形技术，属金属材料先进制造技术范畴。主要用于汽车车轮的成形，同时可应用于铝合金汽车车轮及其它车辆车轮的成形，也可广泛应用于各种铝、镁合金圆环或盘形零件的成形制造。

二、背景技术

随着全球汽车工业突飞猛进的发展，汽车轻量化已经提上日程。轻质结构材料(如铝、镁合金)在汽车上显示出巨大的优越性，尤其镁合金，不仅质量轻，比强度高，而且阻尼性能好，是用于制造车轮的良好减振材料。对于铝、镁合金车轮，目前国内外主要有铸造式和锻造式两种。

铸造式车轮主要采用低压铸造、重力铸造、挤压铸造等方法制造，使用的材料主要为铝合金，国内外学者也已开始了铸造镁合金车轮的研究，但实际工程化应用还少见报导。如《铸造技术》杂志2001年5月刊登的“镁合金汽车轮毂铸造研究”一文；而《铸造》杂志2005年9月刊登的“镁合金轮毂的一种新型挤压铸造方法”一文，是针对摩托车车轮试制生产的。最为关键的是铸造镁合金车轮，由于强韧性难以满足使用要求，一定程度上限制了其推广应用。

虽然车轮的锻造法普遍存在生产工序多、生产效率较低、成本高等问题，但由于其较高的性价比，市场份额逐年增大，获得越来越广泛的应用。尤其对镁合金车轮，锻造成为促进其推广应用的有效途径。

美国专利US005902424A公开了一种镁合金成型的加工方法(METHOD OFMAKING AN ARTICLE OF MANUFCTURE MADE OF MAGNESIUM ALLOY)，这是一种采用连铸镁合金棒料为锻坯，采用铸造坯料-锻造-T6处理-旋锻-轧制等工艺，经模锻成形后，由旋锻、轧制工艺完成车轮的制造。显然，这种方法制成的镁合金车轮具有良好组织和机械性能，但其工艺复杂，所需的设备种类多，投资大，生产成本高。而且对具有密排六方晶格塑性较低的镁合金，增加了旋锻、轧制工艺的难度。

中国专利ZL 03100893.3公开了镁合金汽车轮毂铸-挤复合成形方法，采用铸造工艺制成所需的坯料，通过临界控制变形细化了晶粒组织，提高了镁合金车轮的机械性能和表面质量，减少了设备；但该工艺仍比较复杂，成形力大，所需设备压力较大。

中国专利200610012829.9公开了一种汽车轮毂省力成形方法及装置，提出了铸造坯料-均匀化处理-预成形制坯-挤压-镦挤前轮缘-扩口翻边后轮缘工艺，采用空心坯料挤压显著降低了成形力，但制坯工序复杂，前轮缘成形困难，轮辐部位需要精整形完成。

三、发明内容

本发明的目的是综合以上所述现有技术存在的不足，对现有技术做进一步的改进，提出一种降低车轮成形力，简化工序，降低生产成本，提高产品质量的汽车车轮挤压成形方法及模具。

实现本发明的技术方案是：

一种镁合金汽车车轮挤压成形方法，其特征是：其工序包括：下料——镦粗——反挤压——机加——正挤压——扩口——热处理——最终机加——表面处理；所述的镦粗是将铸造态棒料在自由状态下变形制备挤压坯料，细化晶粒，提高成形性；所述的反挤压工序，分体凸模内装有芯轴以成形出车轮轮毂，反挤压时金属向轮毂与筒壁两个方向同时流动，减小金属流动阻力，使挤压成形力降低；保证轮毂部位首先完全充满，多余的金属可流向筒壁部；同时由凹模顶块成形出轮辐，而通过更换凸模芯轴、凹模顶块，可以获得各种形状的轮毂、轮辐；所述的正挤压工序，采用整体式凸模轴向加载于筒壁上，使厚壁筒变薄形成轮辋，同时厚壁筒上、下口部不变薄直接形成车轮前、后轮缘，两体式凹模使挤压件顺利脱模；所述的扩口工序，采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口成形，采用分体式凹模，使挤压件顺利脱模；其所述的工序中：

A、镦粗工序是根据坯料的原始状态确定，若选用铸造态棒料，则有镦粗工序；若选用挤压棒料，则无镦粗工序，下料后直接进行反挤压；

B、正挤压的次数是根据轮辐的位置确定，如果轮辐距轮缘的最小距离H1＜40mm，则采用一次正挤压，反之采用两次正挤压来完成；

C、扩口工序是根据轮辋的形状尺寸确定，确定是否需扩口工序及扩口凸模形状尺寸；若轮辋为直壁或斜度较小，则可不进行扩口工序。

所述的下料工序，若选择铸造态的棒料时，则按照棒料直径d1＜0.7d2选择，以保证镦粗压缩时50％以上的相对压下量；镦粗后坯料，即控制反挤压的坯料外径d2＝D_凹1-(8～10)mm的范围；若选择挤压态棒料时，则根据棒料直径d1＝d2确定，其中：D_凹1表示反挤压模具的凹内径。。

一种镁合金汽车车轮挤压成形模具，包括反挤压模具、正挤压模具，其特征是：所述的反挤压模具包括上模板101、凸模固定板102、凸模103、芯轴104、预应力圈106、凹模107、顶块108、下模板109、顶杆110及紧固螺钉和销钉；凸模置于凸模固定板内通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模带有挤压工作带；芯轴置于凸模内，芯轴带有与轮毂相应的盲孔；凹模置于预应力圈内通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，设置0.5°的拔模斜度；顶块置于凹模内在下模板的上面，顶块上端面带有与轮辐相应的凸台；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。

所述的正挤压模具包括上模板201、垫板202、凸模203、分体凹模205、支撑圈206、凹模套207、顶块208、下模板209、顶杆210及紧固螺钉和销钉；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，支撑圈装在凹模套内下模板的上面，凹模装于凹模套内置于支撑圈上面，凹模设置有挤压工作带，顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶块下面。

所述的镁合金汽车车轮挤压成形模具还包括扩口模具；所述的扩口模具包括上模板401、垫板402、凸模403、凹模套405、分体凹模406、顶块407、下模板408、顶杆409及紧固螺钉和销钉等；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，其外形尺寸由轮辋内形尺寸确定；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模装于凹模套内置于顶块上面，其内形尺寸由轮辋外形尺寸确定；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面。

本发明镁合金汽车车轮挤压成形方法及模具与现有技术比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

(1)简化了工序和工艺过程，减少了模具工装和设备，降低了生产成本；

(2)直接成形出车轮的前、后轮缘，且轮缘处圆角小，解决轮缘难以成形等问题，同时降低了成形力；

(3)尤其对具有密排六方晶格的塑性较低的镁合金，通过挤压获得的三向压应力状态有利于提高材料塑性；

(4)提高了挤压成形产品质量，综合力学性能好，见表1；尺寸精度和表面精度高，材料利用率高；

表1AZ80车轮力学性能

状态	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％
				T5	320～330	205～215	7～10

(5)模具工装结构简单，通过更换反挤压模具顶块、凸模芯轴，可实现各种形状的轮毂、轮幅的成形。

四、附图说明

图1是镁合金汽车车轮挤压成形方法的工艺流程图；

图2是反挤压模具结构示意图；

图3是一次正挤压模具结构示意图；

图4是二次正挤压模具结构示意图；

图5是扩口模具结构示意图；

图6是汽车A车轮成品结构示意图；

图7是汽车B车轮成品结构示意图；

图8是汽车C车轮成品结构示意图。

其中：车轮两轮缘的内距离H，轮辐距轮缘的最小距离H1，棒料直径d1，反挤压的坯料外径d2，反挤压模具的凹内径D_凹1，正挤压凹模工作带内径D_凹2，轮辋部位最小直径D1，轮辋直径D2，轮缘直径D3。

五、具体实施方式

以下结合附图就具体实施方式进行详细说明(本实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明作出的任何限定)。

图1所示，本发明镁合金汽车车轮挤压成形方法的工艺流程图。一种镁合金汽车车轮成形方法包括下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——(二次正挤压)——(扩口)——热处理——最终机加——表面处理。其中：括号内的工序为选择工序。

所述的镦粗是将铸造态棒料在自由状态下变形制备挤压坯料，细化晶粒，提高成形性；反挤压工序采用组合式凸模，将镦粗制备的坯料挤压成厚壁筒形零件，同时通过凸模芯轴成形出轮毂、凹模顶块成形出轮辐，且可通过改变凹模顶块、凸模芯轴获得不同形状的轮毂、轮辐；正挤压在分体凹模中使厚壁筒变薄，直接成形出前、后轮缘；扩口工艺采用整体凸模与分体凹模进行扩口成形具有不同形状的轮辋。其中镦粗工序根据坯料的原始状态、扩口工序根据轮辋的形状尺寸确定是否采用，正挤压次数则根据轮辐的位置确定。

所述的下料工序，对于铸造态的棒料，棒料直径按照d1＜0.7d2选择，以保证镦粗压缩时50％以上的相对压下量；而对于挤压态棒料，棒料直径根据d1＝d2确定。

所述的镦粗工序，铸造态的棒料在自由状态下镦粗变形，制备所需的挤压坯料，同时通过镦粗变形细化晶粒，提高成形性，降低下道工序成形力；镦粗后坯料，既反挤压的坯料外径控制在d2＝D_凹1-(8～10)mm的范围；若选择挤压态棒料时，则棒料直径根据d1＝d2确定。而对于挤压态棒料，可不采用镦粗制坯，下料后直接进行反挤压。即为：

下料——反挤压——机加——一次正挤压——(二次正挤压)——(扩口)——热处理——最终机加——表面处理。其中：括号内的工序为可选择工序。

所述的反挤压工序，分体凸模内装有芯轴以成形出车轮轮毂，反挤压时金属向轮毂与筒壁两个方向同时流动，减小金属流动阻力，使挤压成形力降低；保证轮毂部位首先完全充满，多余的金属流向筒壁部。同时由凹模顶块成形出轮辐，而通过更换凹模顶块、凸模芯轴，可获得各种形状的轮毂、轮辐。

所述的正挤压工序，采用整体式凸模轴向加载于筒壁上，使厚壁筒变薄形成轮辋，同时厚壁筒上、下口部不变薄直接形成车轮前、后轮缘，两体式凹模使挤压件顺利脱模。正挤压次数根据轮辐的位置确定，如果H1＜40mm，则采用一次正挤压，反之采用两次正挤压来完成。

H1＜40mm时，成形工艺为：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——(扩口)——热处理——最终机加——表面处理。其中：括号内的工序为可选择工序。

H1＞40mm时，成形工艺为：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——二次正挤压——(扩口)——热处理——最终机加——表面处理。其中：括号内的工序为可选择工序。

所述的扩口工序，采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口成形，分体式凹模使挤压件顺利脱模。根据轮辋形状尺寸，确定是否需扩口工序及扩口凸模形状尺寸。若轮辋为直壁或斜度较小，则可不进行扩口。即为：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——(二次正挤压)——热处理——最终机加——表面处理。其中：括号内的工序为可选择工序。

本发明镁合金汽车车轮挤压成形模具，有四套模具，包括反挤压模具、一次正挤压模具、二次正挤压和扩口模具。如图2～图5所示。

图2所示，反挤压模具包括上模板101、凸模固定板102、凸模103、芯轴104、预应力圈106、凹模107、顶块(08、下模板109、顶杆110及紧固螺钉和销钉；凸模置于凸模固定板内通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模带有挤压工作带；芯轴置于凸模内，芯轴带有与轮毂相应的盲孔；凹模置于预应力圈内通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模内径D_凹1根据其计算方法确定，设置0.5°的拔模斜度；顶块置于凹模内在下模板的上面，顶块上端面带有与轮辐相应的凸台；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。反挤压凹模内径D_凹1计算方法：

(1)H1＜40mm，或无扩口工序时，D_凹1＝D3；

(2)H1＞40mm，且有扩口工序时，D_凹1＝D1+(D3-D2)。

图3所示，一次正挤压模具包括上模板201、垫板202、凸模203、分体凹模205、支撑圈206、凹模套207、顶块208、下模板209、顶杆210及紧固螺钉和销钉；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，支撑圈装在凹模套内下模板的上面，凹模装于凹模套内置于支撑圈上面，凹模设置有挤压工作带，工作带内径D_凹2根据其计算方法确定；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶块下面。正挤压凹模工作带内径D_凹2计算方法：

(1)有扩口工序时，D_凹2＝D1；

(2)无扩口工序时，D_凹2＝D2。

图4所示，二次正挤压模具包括上模板301、垫板302、凸模303、分体凹模305、支撑圈306、凹模套307、顶块308、下模板309、顶杆310及紧固螺钉和销钉；各零件连接及装配关系同一次正挤压模具。

图5所示，扩口模具包括上模板401、垫板402、凸模403、凹模套405、分体凹模406、顶块407、下模板408、顶杆409及紧固螺钉和销钉等；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，其外形尺寸由轮辋内形尺寸确定；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模装于凹模套内置于顶块上面，其内形尺寸由轮辋外形尺寸确定；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面。

应用示例：

选取如图6、图7和图8所示中的A、B、C型汽车车轮，其主要尺寸如表2所示；

表2车轮主要尺寸

类型	规格	偏距	螺栓孔	中心孔	D1	D2	D3	H1
									A	13×8J	17	8-95	57	298	330	365	20
B	13×10J	32	8-95	57	298	330	365	52
									C	14×6J	45	4-45	67	320	355	390	0

根据上述发明，A、B、C型车轮的成形工艺如下：

A车轮成形工艺：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——热处理——最终机加——表面处理。

B车轮成形工艺：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——二次正挤压——热处理——最终机加——表面处理。

C车轮成形工艺：

下料——(镦粗)——反挤压——机加——一次正挤压——扩口——热处理——最终机加——表面处理。

选择Mg-Al-Zn系合金AZ80(Mg-8.9Al-0.53Zn)作为车轮材料，成形全部在6300KN液压机进行。

1、下料及镦粗

选择采用半连续铸造(或电磁铸造)成型的AZ80镁合金铸锭，车削外皮后，带锯床下料锯切成所需的棒料。经均匀化处理(385±5℃，12h)后，直接镦粗压缩制成所需的反挤压坯料。

A车轮：Φ250mm铸锭车削加工至Φ240mm，锯切Φ240×115mm的棒料镦粗至外径Φ355mm左右。

B车轮：Φ250mm铸锭车削加工至Φ240mm，锯切Φ240×115mm的棒料镦粗至外径Φ355mm左右。

C车轮：Φ270mm铸锭车削加工至Φ260mm，锯切Φ260×105mm的棒料镦粗至外径Φ380mm左右。

2、反挤压

模具结构如图2所示，A、B、C车轮成形的凹模内径D_凹1分别为365mm、365mm、390mm，更换相应的芯轴和顶块；采用镦粗制成的坯料，置于反挤压凹模中进行挤压；模具与坯料加热到380±10℃，坯料在热循环加热炉中加热保温2h，模具在电炉中加热到指定的温度并保温，同时挤压过程中使用带有热电偶测控温的加热保温装置进行补热；成形过程中使用了油剂石墨润滑剂。

3、机加

对反挤压件进行机械加工，一方面车削平整上、下口部，同时加工出正挤压用凹槽，以便于进行正挤压。

4、一次正挤压

一次正挤压模具如图3所示，其分体凹模带有挤压工作带，A、B、C车轮成形的凹模工作带内径D_凹2分别为330mm、330mm、320mm，正挤压使机加后的筒形件筒壁部变薄，完成轮辋和前、后轮缘的成形。模具与坯料加热到350±10℃，其余成形条件同反挤压。挤压结束后，顶出分体凹模取出工件。

5、二次正挤压

二次正挤压模具如图4所示，其分体凹模带有挤压工作带，B车轮成形的凹模工作带内径D_凹2为330mm，正挤压使筒壁部变薄，完成轮辋和后轮缘的成形。模具与坯料加热到350±10℃，其余成形条件同一次正挤压。挤压结束后，顶出分体凹模取出工件。

6、扩口

扩口模具如图5所示，经一次正挤压的C车轮坯料置于扩口模具中，模具与坯料加热到300±10℃，其余成形条件同一次正挤压。挤压结束后，顶出分体凹模取出工件。

7、后续热处理及机加

对Mg-Al-Zn系合金AZ80采用单一人工时效处理，即可获得较高的综合机械性能。AZ80时效处理规范：177±5℃保温16小时，成形车轮的性能见附表1，可满足汽车车轮静力强度。热处理后进行机械加工，机加工艺为：粗车——数控车——数控铣——几何尺寸检测，使用的设备均为普通数控车床、数控加工中心等。

8、表面处理

表面处理采用先化学镀或微弧氧化，后静电喷涂的方法进行。

Claims

1.一种镁合金汽车车轮挤压成形方法，其特征是：其工序包括：下料——镦粗——反挤压——机加——正挤压——扩口——热处理——最终机加——表面处理；所述的镦粗是将铸造态棒料在自由状态下变形制备挤压坯料，细化晶粒，提高成形性；所述的反挤压工序，分体凸模内装有芯轴以成形出车轮轮毂，反挤压时金属向轮毂与筒壁两个方向同时流动，减小金属流动阻力，使挤压成形力降低；保证轮毂部位首先完全充满，多余的金属流向筒壁部；同时由凹模顶块成形出轮辐，而通过更换凸模芯轴、凹模顶块，可获得各种形状的轮毂、轮辐；所述的正挤压工序，采用整体式凸模轴向加载于筒壁上，使厚壁筒变薄形成轮辋，同时厚壁筒上、下口部不变薄直接形成车轮前、后轮缘，两体式凹模使挤压件顺利脱模；所述的扩口工序，采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口成形，采用分体式凹模，使挤压件顺利脱模；其所述的工序中：

A、镦粗工序是根据坯料的原始状态确定，若选用铸造态棒料，则有镦粗工序；若选用挤压态棒料，则无镦粗工序，下料后直接进行反挤压；

C、扩口工序是根据轮辋的形状尺寸确定，确定是否需扩口工序及扩口凸模形状尺寸；若轮辋为直壁或斜度较小，则不进行扩口工序。

2.根据权利要求1所述的镁合金汽车车轮挤压成形方法，其特征是：所述的下料工序，若选择铸造态的棒料时，则按照棒料直径d1＜0.7d2选择，以保证镦粗压缩时50％以上的相对压下量；镦粗后坯料，即控制反挤压的坯料外径d2＝D_凹1-(8～10)mm的范围；若选择挤压态棒料时，则根据棒料直径d1＝d2确定，其中：D_凹1表示反挤压模具的凹内径。

3.一种镁合金汽车车轮挤压成形模具，包括反挤压模具、正挤压模具，其特征是：所述的反挤压模具包括上模板(101)、凸模固定板(102)、凸模(103)、芯轴(104)、预应力圈(106)、凹模(107)、顶块(108)、下模板(109)、顶杆(110)及紧固螺钉和销钉；凸模置于凸模固定板内通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模带有挤压工作带；芯轴置于凸模内，芯轴带有与轮毂相应的盲孔；凹模置于预应力圈内通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，设置0.5°的拔模斜度；顶块置于凹模内在下模板的上面，顶块上端面带有与轮辐相应的凸台；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。

4.根据权利要求3所述的镁合金汽车车轮挤压成形模具，其特征是：所述反挤压模具的凹模内径D_凹1，其凹模内径D_凹1的确定方法为：

(1)轮辐距轮缘的最小距离H1＜40mm，或无扩口工序时，D_凹1＝D3；

(2)轮辐距轮缘的最小距离H1＞40mm，且有扩口工序时，D_凹1＝D1+(D3-D2)；

其中：D1表示轮辋部位最小直径，D2表示轮辋直径，D3表示轮缘直径。

5.根据权利要求3所述的镁合金汽车车轮挤压成形模具，其特征是：所述的正挤压模具包括上模板(201)、垫板(202)、凸模(203)、分体凹模(205)、支撑圈(206)、凹模套(207)、顶块(208)、下模板(209)、顶杆(210)及紧固螺钉和销钉；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，支撑圈装在凹模套内下模板的上面，凹模装于凹模套内置于支撑圈上面，凹模设置有挤压工作带，顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶块下面。

6.根据权利要求5所述的镁合金汽车车轮挤压成形模具，其特征是：所述的正挤压凹模挤压工作带内径D_凹2，其挤压工作带内径D_凹2的确定方法为：

(1)有扩口工序时，D_凹2＝D1；

(2)无扩口工序时，D_凹2＝D2；

其中：D1表示轮辋部位最小直径，D2表示轮辋直径。

7.根据权利要求3所述的镁合金汽车车轮挤压成形模具，其特征是：还包括扩口模具，所述的扩口模具包括上模板(401)、垫板(402)、凸模(403)、凹模套(405)、分体凹模(406)、顶块(407)、下模板(408)、顶杆(409)及紧固螺钉和销钉等；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，其外形尺寸由轮辋内形尺寸确定；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模装于凹模套内置于顶块上面，其内形尺寸由轮辋外形尺寸确定；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面。