CN101491873B - 一种汽车轮毂的两步塑性成形方法及其配套成形模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车轮毂的两步塑性成形方法，该方法是将坯料在等温条件下采用两套模具分两步挤压成形，第一步，将坯料放入挤压成型模具中采用挤压方式先成形出轮辐部分并同时预成形出轮辋的前、后轮缘部分；第二步，将预成形件放入扩口模具中将轮辋前、后轮缘部分一次扩口成形。本发明与现有技术比较，具有成形力低、设备投入少、生产成本低和成形质量高等特点。同时，本发明还公开了与上述方法配套的挤压成型模具和扩口模具。
Description
技术领域
本发明属于铝、镁合金塑性成形技术，特别涉及一种镁合金汽车轮毂或类似盘形零件的挤压成形方法及与之相配套的成形模具。
背景技术
汽车工业作为国民经济的支柱产业，发展极其迅速。如何限制能源用量，提高能源利用率，减少废气排放量，对保护生态环境和人们的生活环境尤为重要。节省油耗的一个最有效途是减轻汽车自重，汽车轮毂作为车辆运行的基本承载部件，其性能好坏将直接影响车辆的行驶安全、能耗及外观质量。
铝合金车轮轮毂具有质轻、防腐、导热性好可降低轮胎使用过程中的温度、提高其寿命等优点，成形工艺性也比较好，在现代汽车制造中正取代传统的钢制轮毂而被广泛地推广应用。
镁合金材料的密度低(相对密度为1.7～1.8)、比强度与比刚度都比较高，采用镁合金作轮毂对车辆的轻量化、提高燃油效率和减少CO2的排放量都具有重要意义；镁合金具有较高的减震性和抗冲击性，非常适合车轮的使用条件。因此，以镁合金轮毂代替铝合金轮毂是小轿车的发展趋势。
汽车轮毂的成形主要分为铸造成形和塑性成形两种。铝合金轮毂的铸造工艺已比较成熟，而镁合金轮毂铸造方法，由于强度性能等难以满足使用要求，还存在一定的局限性，其实际应用还少见报导。由于轮毂的塑性成形方法普遍存在生产工序多、生产效率较低、设备吨位大，模具尺寸大，成本远高于铸造法，一直仅限于特殊用途轮毂的小批量生产，如在赛车和高档轿车上应用，其制造成本普通轿车还难以承受。
近年来，镁合金轮毂的塑性成形技术已有很大发展，1999年5月11日公开的专利号为：US005902424A的美国发明专利说明书公开了一种镁合金成形的加工方法，该方法采用铸造坯料-锻造-T6处理-旋锻-轧制等工艺制造汽轮毂，制品具有良好组织和机械性能，但其工艺极其复杂，所需的设备较多，投资大，生产成本很高。
2003年7月16日公开的专利号为：ZL031008933的中国发明专利说明书公开了一种镁合金汽车轮毂铸挤成形方法，其主要工艺过程包括：铸造制坯-预成形-镦挤成形-等温挤压-精整形。制品晶粒细化，组织致密，机械性能和表面质量较高，但其工艺还是比较复杂，成形力大、轮缘成形困难、难以脱模，所需设备压力较大。
2006年1月11日公开的专利号：ZL200510010214.8的中国发明专利说明书公开了一种固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法，其采用固态热挤压方法一次成形镁合金轮毂，工序最少，但变形程度大和摩擦力大导致单位挤压力大，当轮毂尺寸较大时，模具尺寸就非常大，需要设备吨位也很大，致使成本提高。
2006年11月22日公开的专利号为200610012829.9的中国发明专利说明书公开了一种汽车轮毂省力成形方法及装置，其工艺过程为铸造坯料-均匀化处理-预成形制坯-反挤压-镦挤前轮缘-扩口后轮缘-精整工序，采用多道工序的目的是减小成形力，但其工序过于复杂，使生产成本提高，不利于推广发展。
发明内容
本发明的任务是：提供一种汽车轮毂的两步塑性成形方法，该方法针对现有技术存在的不足，对其进一步改进，使其具有成形力小、设备投入少、生产成本低和成形质量高等特点；同时，本发明还提供一种与上述方法配套的成形模具。
本发明的技术方案是：一种汽车轮毂的两步塑性成形方法，该方法是将坯料在等温条件下采用两套模具分两步挤压成形，第一步，将坯料放入挤压成型模具中先成形出轮辐部分并同时预成形出轮辋的前、后轮缘部分；第二步，将第一步中的预成形件放入扩口模具中将轮辋前、后轮缘部分扩口成形。
所述第一步中的坯料的成形温度为300-420℃，所述挤压成型模具的温度与坯料成形温度一致。
所述第二步中的预成形件的成形温度为250-400℃，所述扩口模具的温度与预成形件的成形温度一致。
所述扩口模具为双凸模结构，采用整体式凸模轴向加载方式一次向外胀形实现预成形件的扩口成形。
一种汽车轮毂的挤压成型模具，所述模具包括上凸模101、下凸模105、凹模104、顶出器106、顶杆107和下模板108，其中，上凸模101与下凸模105之间组成的模腔形状与所要成形的轮辐结构吻合，上凸模101和下凸模105分别与凹模104之间形成预成形轮辋前、后轮缘的半封闭轮缘槽，凹模105与下模板108之间由螺钉连接固定，下凸模105通过凹模104固定在下模板108上，顶出器106穿装在下凸模105中并通过顶杆107与压力机顶出装置连接。
在所述后轮缘的半封闭轮缘槽的下部还设置有余料容料腔。
在所述上凸模101与凹模104中分别设置有电加热棒装置并采用热电偶测控温度；在所述凹模104、下凸模105与下模板108之间以及上凸模101分别设置有保温棉隔热层。
一种汽车轮毂的扩口模具，所述模具主要包括上凸模201、下凸模205、凹模镶块206、凹模导板204、弯销机构207、顶杆208和下模座209，所述凹模导板204上水平设置有导滑槽，各凹模镶块206分别通过导滑槽滑动装配在凹模导板204上并组合成分体式凹模；所述凹模导板204通过螺钉固定在下模座209上；下凸模205安装在下模座209上并在受到外力作用下时可以上下移动；上凸模201与分体式凹模的上部配合形成的模腔与轮辋的后轮缘部分吻合，所述下凸模205与分体式凹模的下部配合形成的模腔与轮辋的前轮缘部分吻合；顶杆208穿过下模座209与弯销机构207连接；弯销机构207通过斜面销孔带动凹模镶块206沿导滑槽滑动实现分体式凹模的分合动作并通过顶杆208与压力机传动连接。
所述分体式凹至少3个凹模镶块206组合构成，各凹模镶块206上分别开设有斜面销孔，所述弯销机构207包括底座，底座上垂直设置有分别与各斜面销孔滑动配合的弯销部，该弯销部靠近其末端处设置有与斜面销孔角度相同的倾斜段，在凹模导板204上设置有在合模时用于锁紧弯销机构207的卡槽。
所述顶杆208为双头螺纹顶杆，该顶杆208的一端旋装在弯销机构207上，另一端旋装在压力机上。
本发明与现有技术比较，具有以下实质性技术特点和显著技术效果是：
1)汽车轮毂的塑性成形只需两道工序，可明显减少设备和模具投入。
2)优化了成形工艺，简化了工序，每一工序的变形程度都很小，在挤压工序中，其最大变形程度约为84％，单位变形抗力小于140MPa；在扩口工序中其压制力不足2吨，校正力不足20吨，其成形力较现有技术降低很多。
3)成形压力的减小，使模具尺寸减小，设备吨位显著降低，生产成本下降。
4)制件各部分变形程度均匀，金属组织晶粒均匀细化，提高了制件的力学性能。
5)模具工装结构简单，自动化程度高，脱模方便。
6)采用等温挤压，产品尺寸精度和表面精度高，易于成形，材料利用率高；
7)本发明提出的汽车轮毂成形方法及装置，主要用于镁合金汽车轮毂成形，也可用于铝合金汽车轮毂及类似的铝、镁合金零件的成形。
附图说明
图1是本发明中汽车轮毂的工艺流程图；
图2是本发明中挤压成型模具的结构示意图；
图3是本发明中扩口模具的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1中图a)为制坯工序，图b)为挤压工序，图c)为扩口工序。图中，按其使用时的观看位置，将轮辐上面的轮缘部分称为前轮缘，将轮辐下面的轮缘部分称为后轮缘。汽车轮毂成形方法的工艺流程为：制坯——挤压成形轮辐部分并预成形轮辋的前、后轮缘——将预成形件扩口成形轮辋的前、后轮缘。其主要步骤如下：
1、轮毂材料选用时效形铸造或轧制的镁合金棒材，形号如AZ31B、AZ61、AZ91D、AZ80A等，按要求尺寸采用锯床下料制成坯料。
2、按工艺要求对各模具进行加热，为实现等温挤压成形，挤压成型模具的加热温度和坯料的成形温度一致为300-420℃，轮辋扩口模具温度约为250～400℃。
3、将坯料预热到120～180℃，在其外表面涂润滑剂后加热到300～420℃并保温。
5、将加热好的坯料放入如图2所示的挤压成型模具中，压力机工作，上凸模101下行，采用正挤压方式，使坯料产生塑性流动充满模腔，成形出轮辐部分并预成形轮辋的前后轮缘部分，上凸模101回程，顶出机构上行，通过顶出器106将预成形件103顶出脱模。
6、将预成形件加热到250～400℃并保温。
7、将加热好的预成形件放入如图3所示的扩口模具中，顶杆208上行，推动弯销机构206使凹模镶块沿滑槽向内运动实现合模；顶杆208继续上行，并由弯销机构206带动下凸模205上行，实现前轮缘的扩口；上凸模201下行，实现预成形件后轮缘的扩口；上凸模201回程；顶杆208回程，带动弯销机构206及凸模205下行，弯销机构206带动凹模镶块206向外运动分模，脱出轮毂成形件。
8、将成形件进行时效处理、少量后续切削加工和表面处理即得镁合金汽车轮毂。
本发明的工艺流程是根据汽车轮毂的结构特点制定的分步成形工艺方案，便于金属的流动成形，没有轮缘处难以充满的困难，每一工序的变形抗力都最小，从而可以有效减小模具尺寸和设备吨位。
本发明中与上述方法配套的模具只用二套模具，其为挤压成形模具和轮辋扩口模具。
如图2所示，本发明的挤压成形模具主要包括上凸模101、下凸模105、凹模104、顶出器106、顶杆107和下模板108，其中，上凸模101、下凸模105的形状与所要成形的轮辐结构吻合，下凸模105与凹模104之间形成预成形轮辋前、后轮缘的半封闭轮缘槽，在后轮缘轮缘槽下方还设置有余料容料腔；凹模105与下模板108之间由螺钉连接固定，下凸模105通过凹模104固定在下模板108上，顶出器106与顶杆107共同组成顶出机构。
在上凸模101和凹模104中钻孔后插入电加热棒进行加热，分别用热电偶测控温度；为了减少热量损失，凹模104、下凸模105与下模板108之间以及上凸模101分别设置有保温棉隔热层。
根据工艺要求和坯料的形状特点，本工序主要目的是成形出轮毂的轮辐部分，并预成形轮辋的前、后轮缘部分。上述的挤压成型模具在成形时，上凸模101下行，与下凸模105配合，使轮辐逐步成形，并使金属不断向由凸 凹模组成的半封闭轮缘槽中流动，预成形出轮辋的前、后轮缘。本工序采用挤压成形，为了使金属充满模腔并能够容纳一定的多余金属，不使最终成形力太高，根据成形时金属流动充模顺序，将后轮缘模腔适当加长形成余料容料腔，使金属充满模腔后，多余金属流入余料容料腔中；同时在下凸模105的外圆周面作出工作带，以减小摩擦力。该步工序的坯料变形程度约为84％，单位变形抗力小于140MPa，其挤压成形力很低。
如图3所示，本发明的轮毂扩口模具主要包括上凸模201、下凸模205、凹模镶块206、凹模导板204、弯销机构207、顶杆208和下模座209，在本实施例中凹模镶块206的数量为4个，4个凹模镶块206共同组成分体式凹模，在凹模导板204上水平设置有导滑槽，各凹模镶块206通过该导滑槽滑动装配在凹模导板204与下模座209之间；在各凹模镶块206上分别开设有斜面销孔，弯销机构207的底座上垂设有与该斜面销孔滑动配合的弯销部，该弯销部靠近其末端处设置有与斜面销孔角度相同的倾斜段，在凹模导板204上还设置有可以锁紧弯销机构207上弯销部末端的卡槽；弯销机构207的上下移动通过弯销部与斜面销孔的滑动将弯销机构207的垂直动作传递给凹模镶块206变为水平移动，以带动各凹模镶块206沿导滑槽滑动实现分体式凹模的分合动作，并通过顶杆208与压力机传动连接；凹模导板204通过螺钉固定在下模座209上；下凸模205安装在下模座209上，并在受到外力作用下时可以上下移动；上凸模201与分体式凹模的上部配合成形轮辋的后轮缘，下凸模205与下凸模205及分体式凹模的下部配合成形轮辋的前轮缘；顶杆208穿过下模座209，并与弯销机构207传动连接。
该轮毂的扩口模具主要完成轮辋的最后扩口成形。其采用整体式凸模轴向加载，一次完成轮辋前后轮缘部位向外胀形实现扩口成形。将挤压工序制成的预成形件放入后，顶杆208带动弯销机构207上行，通过弯销机构207使凹模镶块206合模并由凹模导板204将弯销机构207锁紧；顶杆208继续 上行，顶杆208与弯销机构207在上行接近上死点时，带动下凸模205上行实现轮辋前轮缘部分的扩口成形；然后上凸模201下行，实现轮辋后轮缘部分的扩口成形；在扩口成形后，继续加压一会，以对轮毂进行矫形。矫形完成后，上凸模201回程，顶杆208回程通过弯销机构207使凹模镶块206分形，并使下凸模205下行回程，最后取出轮毂成形件。
分体式凹模的作用只是防止轮辋扩口时的失稳，受力很小，弯销机构207在锁紧后对凹模镶块进行约束，其刚度较大；4分体的分体式凹模横向开模行程短，所以凹模尺寸可以较小，在具体应用时，分体式凹模的各凹模镶块也可以使用液压机构来控制其开合动作。
以上各模具图中，上凸模和下模座与压力机间的连接装置以及模具的加热装置均未画出。
本发明不仅用于镁合金汽车轮毂的成形，如果改变温度条件和热处理方式也可以用于铝合金汽车轮毂的成形或者类似的铝、镁合金零件的成形。
Claims (7)
1.一种汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，该方法是将坯料在等温条件下采用两套模具分两步挤压成形，第一步，将坯料放入挤压成型模具中先成形出轮辐部分并同时预成形出轮辋的前、后轮缘部分；第二步，将第一步的预成形件放入扩口模具中将轮辋的前、后轮缘部分扩口成形；其中，挤压成型模具包括上凸模(101)、下凸模(105)、凹模(104)、顶出器(106)、顶杆(107)和下模板(108)，上凸模(101)与下凸模(105)之间组成的模腔形状与所要成形的轮辐结构吻合，上凸模(101)和下凸模(105)分别与凹模(104)之间形成预成形轮辋前、后轮缘的半封闭轮缘槽，凹模(104)与下模板(108)之间由螺钉连接固定，下凸模(105)通过凹模(104)固定在下模板(108)上，顶出器(106)穿装在下凸模(105)中并通过顶杆(107)与压力机顶出装置连接；扩口模具主要包括上凸模(201)、下凸模(205)、凹模镶块(206)、凹模导板(204)、弯销机构(207)、顶杆(208)和下模座(209)，所述凹模导板(204)上水平设置有导滑槽，各凹模镶块(206)分别通过导滑槽滑动装配在凹模导板(204)上并组合成分体式凹模，所述凹模导板(204)通过螺钉固定在下模座(209)上，下凸模(205)安装在下模座(209)上并在受到外力作用时可以上下移动，所述上凸模(201)与分体式凹模的上部配合形成的模腔与轮辋的后轮缘部分吻合，所述下凸模(205)与分体式凹模的下部配合形成的模腔与轮辋的前轮缘部分吻合，顶杆(208)穿过下模座(209)与弯销机构(207)连接，弯销机构(207)通过斜面销孔带动凹模镶块(206)沿导滑槽滑动实现分体式凹模的分合动作并通过顶杆(208)与压力机传动连接。
2.根据权利要求1所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，所述第一步中的坯料的成形温度为300-420℃，所述挤压成型模具的温度与坯料成形温度一致。
3.根据权利要求1所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于， 所述第二步中的预成形件的成形温度为250-400℃，所述扩口模具的温度与成形温度一致。
4.根据权利要求1所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，在所述挤压成型模具的半封闭轮缘槽的下部还设置有余料容料腔。
5.根据权利要求1或3所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，所述扩口模具为双凸模结构，采用整体式凸模轴向加载方式一次向外胀形实现预成形件的扩口成形。
6.根据权利要求1所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，所述扩口模具的分体式凹模由至少3个凹模镶块(206)组合构成，各凹模镶块(206)上分别开设有斜面销孔，所述弯销机构(207)包括底座，底座上垂直设置有分别与各斜面销孔滑动配合的弯销部，该弯销部靠近其末端处设置有与斜面销孔角度相同的倾斜段，在凹模导板(204)上设置有在合模时用于锁紧弯销机构(207)的卡槽。
7.根据权利要求1所述的汽车轮毂的两步塑性成形方法，其特征在于，所述扩口模具的顶杆(208)为双头螺纹顶杆，该顶杆(208)的一端旋装在弯销机构(207)上，另一端旋装在压力机上。
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