CN111745121B - 一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置，属于镁合金制造技术领域。该镁合金轮毂的高成形性锻造方法为：将镁合金坯料进行均匀化处理，然后将坯料和模具在300～400℃，保温4～8h，以1～5mm/s进行缩径挤压，挤压比为1.0～1.2，再以0.1～11mm/s进行轮毂锻压得到镁合金轮毂。该锻造装置通过内模和压模的平模配合，在内模里侧形成挤压缩径空间，内模外侧结构、轮毂压模底侧结构和外模内侧结构相配合，形成轮毂成形空腔。该装置结构简单，易于工业化，可实现一套模具进行坯料的预变形和轮毂的一次锻压成形，并且该方法预变性和锻压工艺连续成形，能够充分消除铸坯边部柱状晶，提高轮毂锻造的成形性和成品率。

Description

一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置

技术领域

本发明属于镁合金制造技术领域，具体涉及一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置。

背景技术

随着世界各国对节能减排的日益重视，汽车轻量化正在逐渐成为一种必然趋势。统计表明，汽车重量每降低100kg，每百公里油耗可减少0.7L；汽车自重每降低10％，燃油效率可以提高6～10％；新能源电动车减重100kg，整车续航里程可提升10～15km。要实现整车的减重，就要从零部件的减重入手。镁合金具有密度小、比强度高、减震性好等一些优良的特点，将镁合金用于汽车轮毂材料可以使汽车充分减重，从而达到轻量化和节能减排的效果。目前镁合金轮毂制备方法主要分为两大类，一是液态镁合金成形，二是固态镁合金成形。液态镁合金成形以铸造的方式进行加工制造，存在铸造工艺复杂、产品晶粒粗大、组织致密性差以及力学性能差等问题。固态镁合金成形的方式主要是挤、锻、旋三种单独或者相配合的方式。固态镁合金成形的方法具有产品质量好、效率高及力学性能优异等优点。因此，挤锻成形目前逐渐成为国内镁合金轮毂的主要成形方式。现有镁合金轮毂轮辐的形状很容易实现挤锻成形，但是主要的成形难点在于较长的薄壁轮辋成形。首先，轮辋壁较薄，变形程度较大；另外，轮辋曲面形状复杂，截面变化过大，金属流动困难，容易卡死，造成模具破裂。除此之外，有一个因素很容易被从业者忽略，即铸坯边部柱状晶的影响。镁合金铸坯在横截面不同部位温度梯度和冷却速率差别大而导致横截面上内外晶粒尺寸的巨大差别，因为散热单一取向而导致出现柱状晶区。这种情况将对铸造坯料的后续变形产生诸如变形不均匀、裂纹、以及组织与性能不均等严重不良影响与结果。因此，如何在保证生产效率的前提下进一步的提高轮毂挤锻成形的成形性与成品率，是镁合金轮毂行业的持续努力的目标。

要实现以上目标，在技术手段上通过调整轮毂成形的装置与成形方法以及成形工艺是重要途径。如中国专利200610012829.9公开了一种汽车轮毂省力成形方法及装置，采用预成形制坯、挤压、镦挤前轮缘、扩口翻边后轮缘的多步成形工艺，铸造坯料自由状态下镦粗预变形空心坯料，使挤压成形力降低；挤压时，芯轴直径要小于空心坯料的直径，减小了芯轴与空心坯料接触面积，减小接触面的平均应力，使挤压成形力降低；这种采用多步成形的方式可以大大降低挤压轮毂的成形力，从而提高轮毂的成品率。中国专利201610054754.4公开了一种复合挤压镁合金轮毂的方法，同样也是采用的多步复合挤压的方法，正挤压成预制桶形状、复合挤压成形以及最后的胀形，这种方法和专利200610012829.9公开的方法较为相似，都是采用多步成形的方法，降低挤压力，产品质量好，成品率高。以上技术往往需要多个模具或者多个锻压机同时进行，这样生产成本高、生产效率也会受到影响。中国专利200510010214.8公开了固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法，采用了一次反挤压成形的方式。尽管这种方法可以解决现有镁合金轮毂生产制造工序复杂、力学性能不高等问题，但是这种一次成形的方法需要更大的挤压力，并且铸锭边部的柱状晶区的将会直接影响轮辋成形，由于轮辋壁薄且形状复杂，变形也比轮辐部分大的多，因此铸锭边部的柱状晶影响将会在轮辋成形的过程中被放大，造成轮毂产生裂纹，从而降低了成品率。

发明内容

为解决现有的这些技术问题，本发明提供了一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置，该方法一次成形且能够充分提高轮毂的成形性。而实现该方法的装置不仅结构简单、制备方法也简单、易于工业化应用，同时，该装置可以实现同一套模具既可以进行坯料的预变形，也可以实现轮毂的一次锻压成形，并且可以实现这两种工艺连续成形，又可以充分消除铸坯边部柱状晶的不良影响，提高轮毂锻造的成形性，从而提高轮毂制品的成品率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明的一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法，包括以下步骤：

步骤1：选用轮毂材料

将镁合金坯料作为轮毂材料进行下料；

步骤2：均匀化处理

将镁合金坯料进行均匀化处理，得到均匀化处理后的坯料；其中，均匀化处理的温度为400～420℃，时间为20～26h；

步骤3：保温

将压模、内模、外模和均匀化处理后的坯料在300～400℃，保温4～8h；

步骤4：

保温完成后，将内模、外模接触坯料处涂上润滑油，并将保温后的坯料置于内模中，并将内模和外模再次紧密配合，保压；

步骤5：预挤压缩径

采用挤压速度为1mm/s～5mm/s，采用平模将保温后的坯料进行挤压缩径后，得到缩径后的初坯料；其中，对原始直径为150mm～800mm的保温后的坯料，挤压缩径的挤压比与保温后的坯料直径满足以下关系式：

γ＝1.06+0.14/(1+10^(319.98-λ))，其中γ为坯料直径，单位为mm，λ为挤压比；

再设置挤压速度为0.1mm/s～11mm/s，采用轮毂压模将缩径后的初坯料进行轮毂锻压，得到成形后的轮毂。

所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法中，将成形后的轮毂取出，在进行去除连皮后，进行后续精加工，得到镁合金轮毂。

所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法中，缩径后的初坯料直接进行轮毂锻压。

所述的步骤1中，镁合金坯料选用镁合金圆坯料。

所述的步骤3中，具体的保温可以为：将平模、轮毂压模和均匀化处理后的坯料，在300～400℃下保温4～8h，并将内模和外模紧密配合保压，对内模和外模加热至300～400℃并保温4～8h；

所述的步骤5中，挤压缩径的挤压比为1.0～1.2。

为了实现上述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，本发明还提供了一种镁合金轮毂的高成形性锻造装置，包括上模板、下模板、移动板、导向柱、内模、外模、压模、模具套筒、压杆和顶杆；

上模板和下模板平行设置，上模板配有导向柱导向；压杆固定板固装在上模板下端，压杆固定板中心垂直设置有压杆，在压杆下部设置有压模装卸处，压模装卸处和压模连接，所述的压模为平模或轮毂压模；在上模板和下模板之间设置有移动板，移动板配有导向柱导向；模具套筒固装在移动板中心，模具套筒用于固定内模和外模，内模位于外模内侧，内模和平模配合，在内模里侧形成挤压缩径空间，内模外侧结构、轮毂压模底侧结构和外模内侧结构相配合，形成轮毂成形空腔，顶杆贯穿设置在下模板中心，在移动板上还设置有加热元件。

进一步地，所述的压杆固定板和上模板通过螺栓连接。

进一步地，所述的压模通过固定销固定在压杆上，更进一步地，所述的压模分为平模和轮毂压模，平模和轮毂压模上均设置有对应的固定杆；在压杆的压模装卸处中心设置有内孔，将对应的压模的固定杆插入压杆内孔中，在经过固定销固定在压杆上。

进一步地，在上模板设置连接有上模板液压传动装置，上模板液压传动装置用于为上模板沿导向杆导向上下移动提供动力；

在移动板设置连接有移动板液压传动装置，移动板液压传动装置用于为移动板沿导向杆导向上下移动提供动力；

所述移动板液压传动装置与上模板液压传动装置，两者单独传动，两者单独运动。

进一步地，所述的模具套筒通过拧紧螺丝固装在移动模上。

进一步地，所述的外模为多瓣组合模，更优选为四瓣组合模，每瓣组合模均连接设置有水平方向上传动的外模液压传动装置，其外模通过外模液压传动装置实现张开和闭合，目的是为了方便成形后的轮毂脱模。

进一步地，内模和外模的固定，可以选用以下方式中的一种进行压装：

第一种：将模具套筒和移动板固连，并且内模通过模具套筒压装在外模上，具体为：模具套筒设置有压装水平段，压装水平段下表面和内模水平段上端面紧密配合，模具套筒垂直段内侧面与外模外侧面紧密配合；

第二种：将模具套筒和移动板固连，并在压杆外侧设置有蝶簧装置，模具套筒和碟簧装置配合固定模具，具体固定方式为：碟簧装置通过碟簧固定套设置在压杆对应内模的上方；并配有碟簧导向杆导向，当碟簧装置压装在内模上端，模具套筒则和外模外侧紧密配合。

进一步地，所述的碟簧装置设置有数个碟簧，碟簧的结构为：其中5°≤α≤12°，D＝60mm，20mm≤d≤25mm，4mm≤S≤9mm，5mm≤H≤13mm；

其中，α为自由角，D为弹簧外径，d为弹簧内径，S为支承面宽度，H为弹簧的自由高度。

所述的镁合金轮毂的高成形性锻造装置，还包括配合设置有第一机械手和第二机械手，第一机械手用于插拔固定销；

第二机械手用于将坯料放入和取出模具、拆装压模和拆装内模。

进一步地，内模外侧、轮毂压模下底面以及外模内侧结构即为轮毂成形的整体轮毂模具结构：该轮毂模具结构优选为3°≤θ≤5°，11mm≤R≤15mm，44mm≤h≤48mm，3mm≤r≤6mm，其中，θ为轮辐上底面斜度，R为轮辐与轮辋交接处圆角半径，h为轮辐上底面的倾斜平均高度，r为轮缘圆角半径。由于轮毂轮辐底部中心部位容易出现金属紊流现象，导致该区域局部温度过高，对力学性能产生不利的影响，因此在模具结构设计上，为了保证该区域金属的顺畅流动，将轮辐上底面斜度θ，轮辐与轮辋交接处圆角半径R以及轮辐上底面的倾斜平均高度h进行限定；同时，上轮缘处容易出现应力集中，金属充型困难等问题，会直接导致该区域出现撕裂现象，对上述四个参数的限定可以有效解决该问题。

本发明一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法与装置，与现有技术比较，具有实质性技术特点和显著技术效果是：

(1)本发明提出了利用同一套模具，既可以实现坯料的预变形，也可以实现轮毂的一次锻压成形，并且可以实现这两种工艺连续进行。因此本发明的这种模具装置与成形方法大大简化了工序与工艺步骤，减少了模具设备，降低了生产成本，提高了生产效率；

(2)现有的挤压技术针对坯料直径的改变，主要有扩展挤压和缩径挤压，而本发明对坯料首先通过内模里侧的缩径结构进行小挤压比的预挤压，并且其对挤压参数的限定，即不同直径坯料的挤压比的改变，能够消除坯料边部柱状晶，从而提高轮毂产品质量。

本发明第一次提出以这样的方式可以消除边部柱状晶，避免后续轮毂变形受柱状晶的影响而产生缺陷，而且由于不同规格的坯料其边部柱状晶的规格也不一样，为了实现柱状晶区域晶粒的等轴化与均匀化，所选取的挤压比也不一样。同时，对挤压比的限定也有一定的原则，挤压比过大会增加预挤压时的挤压力，会导致模具寿命降低，也会增加挤压成本，挤压比过小则无法对柱状晶区域有效地消除，本发明针对原始直径在150mm～800mm的坯料，对挤压比进行了精确化的限定，如图17所示，挤压比与坯料直径满足一定的关系式：γ＝1.06+0.14/(1+10^(319.98-λ))，其中γ为坯料直径，λ为挤压比，挤压比为1.0～1.2；同时预挤压也可以起到细化晶粒的作用，更有利于后续轮毂成形，这样既提高了轮毂的成品率也提高了轮毂锻压的成形性；

(3)产品质量与性能好，晶粒细小，尺寸精度与表面精度高，材料利用率高。

(4)本发明的装置不仅结构简单、制备方法也简单、特别易于工业化应用，同时能够配合机械手进行操作，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种镁合金轮毂的高成形性锻造前缩径过程示意图。

图2是本发明实施例1的一种镁合金轮毂的高成形性锻造过程的示意图。

图3是本发明实施例2的一种镁合金轮毂的高成形性锻造前缩径过程示意图。

图4是本发明实施例2的一种镁合金轮毂的高成形性锻造过程的示意图。

图5是本发明实施例2的中碟簧装置中采用的碟簧结构示意图。

图6是用于轮毂成形的平模结构示意图，其中(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图7是用于轮毂成形的轮毂压模结构示意图，其中(a)为侧视图，(b)为俯视图。

图8是第一机械手的结构示意图。

图9是第二机械手的结构示意图。

图10是轮毂模具结构调整参数示意图。

图11是轮毂成形过程取点示意图。

图12实施例1中不同位置温度和应力随变形时间的变化结果；其中，(a)为不同位置应力随变形时间的云图，(b)为不同位置应力随变形时间的对应曲线，(c)为不同位置温度随变形时间的云图，(d)为不同位置温度随变形时间的对应曲线。

图13实施例2中不同位置温度和应力随变形时间的变化结果；其中，(a)为不同位置应力随变形时间的云图，(b)为不同位置应力随变形时间的对应曲线，(c)为不同位置温度随变形时间的云图，(d)为不同位置温度随变形时间的对应曲线。

图14实施例3中不同位置温度和应力随变形时间的变化结果；其中，(a)为不同位置应力随变形时间的云图，(b)为不同位置应力随变形时间的对应曲线，(c)为不同位置温度随变形时间的云图，(d)为不同位置温度随变形时间的对应曲线。

图15是缩径前铸坯边部的金相组织。

图16是经过挤压缩径后坯料边部的的金相组织。

图17为坯料直径与挤压比之间的关系曲线图。

以上图中：1—导向柱；2—上模板；3—压杆固定板；4—螺栓；5—压杆；6—固定销；7—平模；8—移动板；9—外模；10—拧紧螺丝；11—内模；12—初始坯料；13—模具套筒；14—加热元件；15—轮毂成形空腔；16—外模液压传动装置；17—下模板；18—顶杆；19—轮毂压模；20—缩径后坯料；21—碟簧导向杆；22—碟簧固定套；23—碟簧装置；24—第一机械手；25—第二机械手；

241—第一机械手大臂，242—插销，243—第一机械手夹爪，244—第一机械手夹爪固定板，245—第一机械手夹爪控制装置；251—第二机械手大臂，252—第二机械手夹爪固定板，253—第二机械手夹爪，254—第二机械手夹爪控制装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行说明。

具体实施例1：

以一种镁合金的高成形性锻造前缩径挤压和轮毂锻造成形过程为例，采用图1中的所示的镁合金轮毂的高成形性锻造装置，其包括导向柱1，上模板2，压杆固定板3，螺栓4，压杆5，固定销6，平模7，移动板8，外模9，拧紧螺丝10，内模11，初始坯料12，模具套筒13，加热元件14，轮毂成形空腔15；外模液压传动装置16，下模板17，顶杆18，轮毂压模19，缩径后坯料20。

所述的一种镁合金轮毂的高成形性锻造装置，其压杆5与上模板2之间通过压杆固定板3用螺栓4连接，通过上模板液压传动装置控制上模板2沿着导向杆上下移动，从而带动压杆5上下移动，移动板8的上下运动通过移动板液压传动装置控制16，移动板8通过导向柱1导向，其传动控制为单独传动，与压杆5的传动控制无关联。

所述移动板8中心开有圆孔，在中心处通过拧紧螺丝10固定模具套筒13，在移动板8内同时装有加热元件14，用于为内模和外模模具加热。

所述模具有三种：压模、外模、内模。其中压模根据其作用分为两种，一种为平模7，其结构示意图见图6，平模7用于铸坯预挤压缩径；另一种为轮毂压模19，其结构示意图见图7，轮毂压模19用于缩径后轮毂成形。这两种压模通过固定杆和压杆连接，具体的为：在压杆下部设置有压杆内孔，压模的固定杆插入压杆内孔后，再插入固定销固定。外模为四瓣组合模，每瓣模都连有控制瓣模水平移动的外模液压传动装置16，外模通过外模液压传动装置可张开与闭合，目的是为了方便成形后的轮毂脱模；内模为整体模，其里侧结构设计是为了坯料小比例挤压缩径，其外侧结构结合轮毂压模的下底面与外模内侧结构形成轮毂成形空腔15，坯料缩径完成后可连续进行轮毂成形，其外沿搭在外模上，外沿侧面设有台阶，为了方便机械手抱紧脱模，具体结构见图2。

内模和外模模具固定方式为通过图1中移动板8上的模具套筒13固定，模具套筒13水平段下表面与内模11水平面上端面紧密配合，模具套筒13垂直段内侧面与外模9外侧面紧密配合。

内模外侧、压模底面、外模内侧形成的轮毂模具结构示意图，如图10所示，其中θ＝3°，R＝12mm，h＝46mm，r＝5mm。

如图8所示，第一机械手24包括：第一机械手大臂241，插销242，第一机械手夹爪243，第一机械手夹爪固定板244和第一机械手夹爪控制装置；其中，第一机械手大臂241和第一机械手夹爪固定板244连接，用于控制夹爪移动，第一机械手夹爪固定板244和第一机械手夹爪243连接，第一机械手夹爪243用于夹持压杆，为插拔固定销定位，第一机械手夹爪243中间位置设置有插销242，插销244能够开合，用于夹持固定销6，第一机械手夹爪控制装置245和第一机械手夹爪243和插销244连接，用于控制二者的开闭、固定。

如图9所示，第二机械手25包括：第二机械手大臂251，第二机械手夹爪固定板252，第二机械手夹爪253，第二机械手夹爪控制装置254，第二机械手大臂251通过第二机械手夹爪固定板252和第二机械手夹爪253连接，第二机械手夹爪控制装置254和第二机械手夹爪253电连接，用于控制第二机械手夹爪的开闭。

所述第一机械手的功能是插拔固定销；所述第二机械手的功能有三个：将坯料从加热炉中放入模具中、拆装压模、拆装内模。所述平模为坯料缩径时使用，轮毂压模为轮毂成形时使用。

一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法，采用上述装置，包括以下步骤：

步骤1、镁合金坯料为Mg-10.7Al-0.5Zn-0.2Mn-1.0La-0.5Ce镁合金；

步骤2、对镁合金坯料置于马弗炉中进行均匀化处理，温度为420℃，时间为20h；

步骤3、均匀化处理完成后，将均匀化处理后的坯料、平模7和轮毂压模19在400℃下保温6h；同时，通过移动板液压传动装置带动移动板8将模具套筒13下降，与内模和外模紧密配合后保压。接着开启移动板8的加热元件14，温度设置为400℃，给内模和外模模具加热。

步骤4、加热完成后，将模具套筒13升起，并设置好机械手工作程序后，第二机械手25将初始坯料12从炉中抱住放入内模11中，接着将模具套筒13降至与内模11和外模9模具紧密配合后保压，接着第二机械手25将平模7从炉中抱住并插入压杆5中，同时第一机械手24将固定销6插入。此时轮毂成形前的准备工作完成。

步骤5、预挤压缩径时，压杆5挤压速度设置为3mm/s，坯料缩径完成后，初始坯料12成形为缩径后坯料20，将压杆5升起，第二机械手25将平模7抱住，同时第一机械手24将固定销6拔出，接着第二机械手25将平模7从压杆中拔出放入加热炉中。然后用步骤4中同样的方法将轮毂压模19装配到压杆5上，设置轮毂锻压时，压杆5的挤压速度为5mm/s，接着进行轮毂成形过程。

步骤6、轮毂成形完成后，将压杆5升起，模具套筒13升起，接着第二机械手25将内模11抱住拿出，通过外模液压传动装置将外模9打开，顶杆18往上，将成形后的轮毂顶出，接着第二机械手25将轮毂取出，此时轮毂为半成品。

步骤7、用简易的热切边模或铣床去掉成形后轮毂的连皮，再进行精加工，得到镁合金轮毂。

根据本实施例所述的模具结构以及工艺条件，对轮毂成形过程进行有限元模拟，如图11所示，分别选取轮辐、轮辋以及轮缘处6个点，对这6个点处轮毂成形整体过程中的应力和温度变化规律进行研究。结果如图12所示。可以看出，在此模具结构与变形工艺下，除了上轮缘处部分区域应力值略大，其他区域在整个轮毂成形的过程中应力值相差不大见图12(a)和图12(b)。从图12(c)和图12(d)可以看出，整个轮毂成形过程中整体温度都很均匀。因此，在本实施例所述的模具结构和轮毂成形工艺下，轮毂成形过程中应力和温度分布较为均匀，局部区域易高温区在成形过程中温度有所下降，且流动性也更加良好，有利于提高轮毂的成形性和轮毂质量的提高。

此外，图15为原始铸坯边部组织图，可以看处很明显的柱状晶区域，这种组织对后续变形是极为不利的。经过本实施例方法与装置对原始坯料进行缩径预挤压后，如图16所示，发现边部柱状晶完全消失，晶粒细化很明显，并且成等轴化均匀分布。同时，从图16中也可以看出，经过缩径预挤压后的坯料，其最边部的晶粒要略小于原柱状晶区域的晶粒。这是由于原始铸坯最边部为细晶区，在经过缩径挤压后其晶粒大小要略小于原柱状晶区域的晶粒。这种差别对后续轮毂成形不会造成不利影响。

具体实施例2：本实施例的镁合金轮毂的高成形性锻造装置与实施例1相同，不同点是：模具固定的方式不一样。本实施例中，采用的镁合金轮毂的高成形性锻造装置见图3和图4，本实施例的外模和内模的固定通过碟簧装置23与移动板8上的模具套筒13配合固定，具体为：模具套筒13垂直段内侧面与外模9外侧面紧密配合，当压模将内模11中心定径带中的坯料压到刚接触到外模底面时，碟簧装置中的碟簧也压到内模的水平段上表面，压杆5往下运动，碟簧对模具压力越大，直到轮毂成形完毕。

本实施例的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，和实施例1相同，不同点在于：变形工艺中：坯料的合金成分为Mg-8.0Al-0.5Zn-0.2Mn-0.5La-0.3Ce，均匀化制度为410℃×22h，预挤压缩径时，压杆5的挤压速度为1mm/s，轮毂锻压时，压杆5的挤压速度为3mm/s。

轮毂模具结构的不同点是：θ＝4°，R＝13mm，h＝45mm，r＝4mm。

根据本实施例所述的模具结构以及工艺条件，对轮毂成形过程进行有限元模拟，结果如图13所示。同样也是可以看出，在本实施例所述的模具结构和轮毂成形工艺下，轮毂成形过程中应力和温度分布都较为均匀，有利于提高轮毂的成形性和轮毂质量的提高。

具体实施例3：一种镁合金轮毂的高成形性锻造装置，同实施例1。

一种一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法，同实施例1，不同之处在于：坯料的合金成分为Mg-2Zn-0.4Mn-0.6La-0.3Ce，变形工艺为：均匀化制度为400℃×18h，模具加热温度为350℃，坯料加热温度为350℃，预挤压缩径时，压杆5的挤压速度为5mm/s，轮毂锻压时，压杆5的挤压速度为6mm/s。

轮毂结构的不同点是：θ＝3°，R＝15mm，h＝48mm，r＝6mm。

根据本实施例所述的模具结构以及工艺条件，对轮毂成形过程进行有限元模拟，结果如图14所示。同样也是可以看出，在本实施例所述的模具结构和轮毂成形工艺下，轮毂成形过程中应力和温度分布都较为均匀，有利于提高轮毂的成形性和轮毂质量的提高。

具体实施例4：一种镁合金轮毂的高成形性锻造装置，包括上模板2，导向柱1，螺栓4，压杆固定板3，压杆5，平模7，轮毂压模19，固定销6，移动板8，模具套筒13，碟簧装置23，碟簧导向杆21，碟簧固定套22，加热元件14，拧紧螺丝10，外模9，内模11，外模液压传动装置16，顶杆18，下模板17，第一机械手24，第二机械手25。

一种镁合金轮毂的高成形性锻造装置中，上模板2和下模板17平行设置，上模板2配有导向柱1导向；压杆固定板3和压杆5配合连接，压杆固定板3和压杆5形成“T字”形，压杆固定板3通过螺栓4固装在上模板2下端，从而实现上模板2和压杆5直接的传动连接；上模板2设置有上模板液压传动装置，上模板液压传动装置控制上模板2沿着导向杆1上下运动，从而带动压杆5上下运动；

在压杆5下部设置有压模装卸处，压模装卸处和压模连接，所述的压模为平模7或轮毂压模19；在上模板2和下模板17之间设置有移动板8，移动板8设置连接有移动板液压传动装置，移动板液压传动装置控制移动板8沿着导向柱1导向，上下移动；模具套筒13通过拧紧螺丝10固装在移动板8中心，在压杆上固装有碟簧装置23，碟簧装置23为多个碟簧组成的装置，碟簧装置23通过碟簧固定套22设置在压杆5对应内模11的上方；并配有碟簧导向杆21导向，当碟簧装置23压装在内模11上端，模具套筒13则和外模9外侧紧密配合，当压模将内模11中心定径带中的坯料压到刚接触到外模9底面时，碟簧装置23也压到内模11的水平段上表面，压杆5往下运动，碟簧装置23对模具压力越大，此时，模具套筒13内侧面形状为楔形，与同为楔形外侧面的外模9紧密配配合，起到固定模具的作用。

内模11位于外模9内侧，内模11和压模配合，在内模11里侧形成挤压缩径空间，内模11外侧结构、轮毂压模19的下底面和外模9内侧结构相配合，形成轮毂成形空腔15，外模9外侧为楔形，顶杆18贯穿设置在下模板17中心，在移动板8上还设置有加热元件14，加热元件14用于为模具加热。

所述模具有三种：压模、外模、内模。其中压模根据其作用分为两种，一种为平模7，用于铸坯预挤压缩径；另一种为轮毂压模19，用于缩径后轮毂成形。这两种压模通过固定杆连接，固定杆插入压杆内孔后，再插入固定销固定。外模9为四瓣组合模，每瓣模都连有水平传动的外模液压传动装置16，外模9通过外模液压传动装置16可张开与闭合，目的是为了方便固定外模和成形后的轮毂脱模；内模11为整体模，其里侧结构设计是为了坯料小比例挤压缩径，其外侧结构、轮毂压模19的下底面与外模内侧结构形成轮毂成形空间15，坯料缩径完成后可连续进行轮毂成形，其外沿搭在外模上，外沿侧面设有台阶，为了方便机械手抱紧脱模。

碟簧装置中的碟簧结构如图5所示，其中，本实施例中，α＝12°，D＝60mm，d＝22mm，S＝6mm，H＝8mm。

其中，第一机械手24的功能是插拔固定销；第二机械手25的功能有三个：将坯料从加热炉中放入模具中、拆装压模、拆装内模。所述平模为坯料缩径时使用，轮毂压模为轮毂成形时使用。

根据本发明的模具构型与成形工艺条件，对所述镁合金的成形过程进行有限元数值模拟，旨在研究所述的一种镁合金轮毂的高成形性锻造模具及方法对成形过程中应力场和温度场分布规律，从而对模具结构的优化以及工艺方法的优化提供指导作用。分别选取轮辐、轮辋以及轮缘处6个点，对这6个点处轮毂成形整体过程中的应力和温度变化规律进行研究。

数值模拟结果表明，轮毂模具结构，当α＝4°，R＝15mm，h＝46mm，r＝5mm时，轮毂成形过程的应力场分布更为均匀，局部区域易高温区在成形过程中温度有所下降，且流动性也更加良好。

一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法，同实施例1。

Claims (10)

1.一种镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选用轮毂材料

将镁合金坯料作为轮毂材料进行下料；

步骤2：均匀化处理

将镁合金坯料进行均匀化处理，得到均匀化处理后的坯料；其中，均匀化处理的温度为400~420℃，时间为20~26h；

步骤3：保温

将压模、内模、外模和均匀化处理后的坯料在300~400℃，保温4~8h；所述的压模分为平模和轮毂压模；

步骤4：

保温完成后，将内模、外模接触坯料处涂上润滑油，并将保温后的坯料置于内模中，并将内模和外模紧密配合，保压；

步骤5：预挤压缩径

采用挤压速度为1mm/s~5mm/s，采用平模将保温后的坯料进行挤压缩径后，得到缩径后的初坯料；其中，对原始直径为150mm~800mm的保温后的坯料，挤压缩径的挤压比与保温后的坯料直径满足以下关系式：

γ=1.06+0.14/(1+10^(319.98-λ))，其中γ为挤压比，λ为坯料直径，单位为mm；

再设置挤压速度为0.1mm/s~11mm/s，采用轮毂压模将缩径后的初坯料进行轮毂锻压，得到成形后的轮毂。

2.根据权利要求1所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法中，将成形后的轮毂取出，在进行去除连皮后，进行后续精加工，得到镁合金轮毂。

3.根据权利要求1所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，所述的步骤3中，具体的保温为：将平模、轮毂压模和均匀化处理后的坯料，在300~400℃下保温4~8h，并将内模和外模紧密配合保压，对内模和外模加热至300~400℃并保温4~8h。

4.根据权利要求1所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，所述的步骤5中，挤压缩径的挤压比为1.0~1.2。

5.根据权利要求1所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，镁合金轮毂的高成形性锻造方法采用如下镁合金轮毂的高成形性锻造装置，该镁合金轮毂的高成形性锻造装置包括上模板、下模板、移动板、导向柱、内模、外模、压模、模具套筒、压杆和顶杆；

上模板和下模板平行设置，上模板配有导向柱导向；压杆固定板固装在上模板下端，压杆固定板中心垂直设置有压杆，在压杆下部设置有压模装卸处，压模装卸处和压模连接，所述的压模为平模或轮毂压模；在上模板和下模板之间设置有移动板，移动板配有导向柱导向；模具套筒固装在移动板中心，模具套筒用于固定内模和外模，内模位于外模内侧，内模和压模配合，在内模里侧形成挤压缩径空间，内模外侧结构、轮毂压模底侧结构和外模内侧结构相配合，形成轮毂成形空腔，顶杆贯穿设置在下模板中心，在移动板上还设置有加热元件。

6.根据权利要求5所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，平模设置有平模固定杆，轮毂压模上设置有轮毂压模固定杆；在压杆的压模装卸处中心设置有内孔，将对应的压模的固定杆插入压杆内孔中，再经过固定销固定在压杆上。

7.根据权利要求5所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，在上模板设置连接有上模板液压传动装置，上模板液压传动装置用于为上模板沿导向柱导向上下移动提供动力；

在移动板设置连接有移动板液压传动装置，移动板液压传动装置用于为移动板沿导向柱导向上下移动提供动力；

所述的外模为多瓣组合模，每瓣组合模均连接设置有水平方向上传动的外模液压传动装置，外模液压传动装置用于实现外模中的组合模张开和闭合。

8.根据权利要求5所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，内模和外模的固定，选用以下方式中的一种进行压装：

第一种：将模具套筒和移动板固连，并且内模通过模具套筒压装在外模上，具体为：模具套筒设置有压装水平段，压装水平段下表面和内模水平段上端面紧密配合，模具套筒垂直段内侧面与外模外侧面紧密配合；

第二种：将模具套筒和移动板固连，并在压杆外侧设置有蝶簧装置，模具套筒和碟簧装置配合固定模具，具体固定方式为：碟簧装置通过碟簧固定套设置在压杆对应内模的上方；并配有碟簧导向柱导向，当碟簧装置压装在内模上端，模具套筒则和外模外侧紧密配合。

9.根据权利要求8所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，所述的碟簧装置设置有数个碟簧，碟簧的结构为：其中5°≤α≤12°，D=60mm，20mm≤d≤25mm，4mm≤S≤9mm，5mm≤H≤13mm；

其中，α为自由角，D为弹簧外径，d为弹簧内径，S为支承面宽度，H为弹簧的自由高度。

10.根据权利要求8所述的镁合金轮毂的高成形性锻造方法，其特征在于，内模外侧、轮毂压模下底面以及外模内侧结构，即为轮毂成形的整体轮毂模具结构：该轮毂模具结构为3°≤θ≤5°，11mm≤R≤15mm，44mm≤h≤48mm，3mm≤r≤6mm，其中，θ为轮辐上底面斜度，R为轮辐与轮辋交接处圆角半径，h为轮辐上底面的倾斜平均高度，r为轮缘圆角半径。

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