CN111992985B - 一种超高强度载重车轮生产方法及由该方法生产的车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高强度载重车轮生产方法，包括以下三个步骤：步骤一、轮辋的制造；步骤二、轮辐的制造；步骤三、轮辋和轮辐的合成；所述步骤三包括以下步骤：(1)压配点焊；(2)合成焊接；(3)振动时效；(4)谐波检查；(5)打印标识。本方法采用抗拉伸强度为590‑780MPa的钢材制备车轮，通过采用振动时效消除残余应力，可将残余应力下降60％左右，车轮弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命均可达到100万次以上。可实现车轮材料强度更高、厚度更薄的车轮的生产，比同等强度等级车轮轻33.7％，满足整车轻量化及用户节能环保的需求。振动时效可实行在线生产，并与现有的自动生产线相匹配，提高了生产效率。振动时效工序具有能耗消耗小、时间短、成本低、工艺过程简单等特点。

Description

一种超高强度载重车轮生产方法及由该方法生产的车轮
技术领域
本发明涉及一种车轮生产方法及由该方法生产的车轮，尤其涉及一种超高强度载重车轮的生产方法及由该方法生产的车轮。
背景技术
随着汽车工业的发展，对汽车节能、减排、环保的要求越来越高，汽车轻量化是汽车发展的必然趋势。实验表明车身重量降低10％，油耗就降低约6％-8％，排放量下降4％。车轮是汽车的重要承载件，工作中高速旋转，其轻量化节能效果是其它零部件的1.5倍左右。而使用高强度钢以减小车轮轮辋和轮辐厚度是实施车轮轻量化的有效途径之一。
目前，国内外载重车轮使用的钢材抗拉伸强度强度主要在490MPa及以下。原因在于目前还没有成熟的车轮生产方法可以适用于更高强度的钢材。车轮的生产工艺较为复杂，生产过程中涉及到滚压、焊接等工艺，当钢材抗拉伸强度超过590MPa，在成型过程中残留应力较大，使得车轮疲劳寿命达不到相关标准的要求，在应力较为集中的槽底、槽顶和焊缝处易出现裂缝。按现有技术将抗拉伸强度为650MPa的钢材加工成车轮并进行了检测，槽底和槽顶圆弧处平均残余拉应力高达325MPa，合成焊缝处平均拉应力高达221MPa。疲劳测试结果表明80％的样件达不到100万次的疲劳要求。
高强钢材制备成车轮的关键工艺之一为消除车轮的残余应力。消除残余应力的常用方法有热时效及振动时效工艺。由于热时效需要配备热处理设备，生产效率较低，使该工艺不能适应车轮自动化的生产方式。传统振动时效一般采用离线式的处理工艺，需要在每个车轮的各个应力集中点多次安装激振器和测振器进行振动时效处理，操作时间长，劳动强度大，功效低，也不能适应车轮自动化的生产方式，因此专门为车轮生成所设计的振动时效工艺尚属空白，还未被车轮生产厂家所采用。
普通车轮常用材料的抗拉伸强度等级为490MPa及以下，通过优化成型工艺就可以消除大部分残留应力，无需去除残留应力就可以达到使用要求，也无法为高强度车轮去除残留应力提供技术启示。因此，开发一种高效、能适应车轮自动化生产方式的去除残留应力的方法就成为高强度车轮生产需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的至少一种技术问题，提供了一种590MPa～780MPa强度级别车轮的生产方法，可解决现有技术存在的生产效率低，且不能适应车轮自动化生产方式的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种超高强度载重车轮生产方法包括以下三个步骤：
步骤一、轮辋的制造；
步骤二、轮辐的制造；
步骤三、轮辋和轮辐的合成；
所述步骤三包括以下步骤：
(1)压配点焊；(2)合成焊接；(3)振动时效去应力；(4)谐波检查；(5)打印标识。
所述超高强度载重车轮采用型号为590CL、650CL、DP690或DP780钢材中的一种制备。
进一步，振动时效工序采用在线生产。
进一步，所述振动时效去采用的设备为频谱谐波振动时效仪。
进一步，所述振动时效去应力的方法包括以下步骤：
(1)将相同材料和工艺生产的一批车轮放在振动平台，分别用夹具固定在振动平台上；
(2)通过频谱谐波振动时效仪对车轮进行频谱分析，获得车轮的共振频率及多维振型，并确定振动时效的5个最佳振动频率、振动加速度值工艺参数；
(3)按照步骤(2)的振动时效工艺参数对车轮进行振动时效处理。
进一步，所述振动时效去应力工序的工艺参数为:由频谱谐波振动时效仪优选5个谐振频率峰进行时效处理，振动频率在100Hz～200Hz，每个频率振动6min～8min，振动时效过程中振动加速度值为20m/s2～40m/s2。
进一步，步骤一、轮辋的制造过程的工序为：
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再沿轧制方向剪成产品长度尺寸，宽度方向剪成产品宽度尺寸；产品长度和宽度尺寸根据产品的截型进行计算得出；
(b)对剪切的长条料进行卷圆，即卷成圆筒形，再对两端头进行压平，使压平的平直段在120mm～150mm,压平后两端头上下和前后错边不超过2mm；
(c)再采用脉冲闪光对焊进行焊接，参数为：预热距离2～5mm，闪光距离4mm～6mm，顶锻距离5mm～7mm，带电顶锻时间0.1s～0.5s，预热电流430A～450A，顶锻压力5MPa～8MPa；
(d)对对焊后圆筒两端头进行扩口；
(e)再进行三次滚型，成型为产品最终截型尺寸；
(f)最后精扩处理，获得成品轮辋；精扩时保证10mm～20mm扩张量，以保证扩张后胎圈座尺寸及端面和跳动量；
(g)冲气门孔。
步骤二、轮辐的制造过程的工序为：
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再冲成圆饼料，圆饼料尺寸通过轮辐截型尺寸计算；
(b)再对圆饼料进行旋压成型，其截型为产品截型；
(c)对成型后的轮辐毛坯进行冲中心孔、螺栓孔和散热孔，再对散热孔进行压倒角，提高散热孔处疲劳寿命，对螺栓孔进行扩孔，扩成产品尺寸，保证螺栓孔位置度符合产品装配要求；
(d)对中心孔、外圆及轮辐高度进行车削，达到产品图纸尺寸要求。
步骤三、轮辋和轮辐的合成工序为：
(a)对轮辐、轮辋进行清洗烘干，保证合成焊缝处干净，无脏物、油迹水迹等；再进行压配，使合成后深度满足产品要求，将压配合格的零件进行点焊固定，防止磕碰后深度变动；
(b)再进行合成焊接，合成焊采用埋弧焊，参数为：焊接电流：焊接电流540A-570A，焊接电压34V-38V，干伸长15mm-20mm，焊接速度80秒/转-90秒/转；
(c)对合成焊接后的车轮进行振动时效去应力处理，来消除成型应力和焊接应力；
(d)再进行谐波检查，检查车轮端面和径向跳动量、合成深度等尺寸；
(e)在合成后轮辐部位进行标识打印。
本发明的另一个目的是提供一种用上述方法生产的超高强度载重车轮，其抗拉强度满足590MPa～780MPa情况下，弯曲疲劳寿命达到100万次以上，径向疲劳寿命达到100万次以上。
本发明取得的有益效果：
通过本方法生产的超高强度载重车车轮的残余应力下降了60％左右，可显著消除残余应力，车轮弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命均可达到100万次以上。与现有技术相比，可实现车轮材料强度更高、厚度更薄的车轮的生产，比同等强度等级车轮轻33.7％，满足整车轻量化及用户节能环保的需求。
振动时效可实行在线生产，并与现有的自动生产线相匹配，提高了生产效率。
振动时效工序具有能耗消耗小、时间短、成本低、工艺过程简单等特点。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明振动时效设备的主视图；
图3为本发明振动时效设备的俯视图。
附图标记：
1弹性支撑垫，2振动平台，3振动器，4传感器，5卡盘，6车轮，7控制系统。
具体实施方式
本发明中用于生产超高强度载重车轮的原料可选自590CL、650CL、DP690或DP780几种型号的钢材中的一种。
本发明提供了一种超高强度载重车轮生产方法，包括以下三个步骤：
步骤一、轮辋的制造；
步骤二、轮辐的制造；
步骤三、轮辋和轮辐的合成；
所述步骤三包括以下步骤：
(1)压配点焊；(2)合成焊接；(3)振动时效去应力；(4)谐波检查；(5)打印标识。
超高强度载重车轮加工方法的工艺流程见图1。为了配合本发明的振动时效工艺，已对各步骤工艺进行了反复优化，尽量消除车轮的残留应力。优化后的生产过程如下：
步骤一、轮辋的制造过程
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再沿轧制方向剪成产品长度尺寸，宽度方向剪成产品宽度尺寸；产品长度和宽度尺寸根据产品的截型进行计算得出；
(b)对剪切的长条料进行卷圆，即卷成圆筒形，再对两端头进行压平，使压平的平直段在120～150mm,压平后两端头上下和前后错边不超过2mm；
(c)再采用脉冲闪光对焊进行焊接，参数为：预热距离2～5mm、闪光距离4～6mm、顶锻距离5～7mm、带电顶锻时间0.1～0.5s、预热电流430～450A、顶锻压力5～8MPa；
(d)对对焊后圆筒两端头进行扩口，扩口尺寸在
Figure BDA0002590770170000061
(一般为轮辋处最大尺寸)左右；
(e)再进行三次滚型，成型为产品最终截型尺寸；
(f)最后精扩处理，获得成品轮辋；精扩时保证10～20mm扩张量，以保证扩张后胎圈座尺寸及端面和跳动量；
(g)冲气门孔。
步骤二、轮辐的制造过程
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再冲成圆饼料，圆饼料尺寸通过轮辐截型尺寸计算；
(b)对圆饼料进行旋压成型，其截型为产品截型；
(c)对成型后的轮辐毛坯进行冲中心孔、螺栓孔和散热孔，再对散热孔进行压倒角，提高散热孔处疲劳寿命，对螺栓孔进行扩孔，扩成产品尺寸，保证螺栓孔位置度符合产品装配要求；
(d)对中心孔、外圆及轮辐高度进行车削，达到产品图纸尺寸要求。
步骤三、轮辋和轮辐的合成
(a)对轮辐、轮辋进行清洗烘干，保证合成焊缝处干净，无脏物、油迹水迹等；再进行压配，使合成后深度满足产品要求，将压配合格的零件进行点焊固定，防止磕碰后深度变动；
(b)再进行合成焊接，合成焊采用埋弧焊，参数为：焊接电流：焊接电流540-570A，焊接电压34-38V，干伸长15-20mm，焊接速度80-90秒/转；
(c)对合成焊接后的车轮进行振动时效去应力处理，来消除成型应力和焊接应力；
(d)再进行谐波检查，检查车轮端面和径向跳动量、合成深度等尺寸；
(e)在合成后轮辐部位进行标识打印。
本发明中的振动时效去应力工序可采用离线生产，优选采用连线生产。将合成焊接后的车轮通过辊道将车轮送入频谱谐波振动时效仪的振动台进行振动时效去应力。振动时效工序可与通用的车轮自动生成线相匹配。
振动时效去应力操作步骤为：
(1)将相同材料和工艺生产的一批车轮放在振动平台，分别用夹具固定在振动平台上；
(2)通过频谱谐波振动时效仪对车轮进行频谱分析，获得车轮的共振频率及多维振型，并确定振动时效的5个最佳振动频率、振动加速度值工艺参数；
(3)按照步骤(2)的振动时效工艺参数对车轮进行振动时效处理。
对于抗拉伸强度在590MPa～780Mpa的钢材生成的车轮，所述振动时效去应力工序的工艺参数为:由频谱谐波振动时效仪优选5个谐振频率峰进行时效处理，振动频率在100Hz～200Hz，每个频率振动6min～8min，振动时效过程中振动加速度值为20m/s2～40m/s2。
频谱谐波振动时效仪采用市售设备，实施例中采用的是山东华云机电科技有限公司厂家生产的HK2010频谱谐波振动时效仪，频谱谐波振动时效仪的结构如图2和图3所示。在振动平台2下方设置有两块弹性支持垫片1，在振动平台2上安装有振动器3，通过卡盘5将待处理车轮6固定在振动平台2上，由频谱谐波振动时效仪对待处理车轮进行频率分析后，自动优化出振动时效工艺，并用该工艺对车轮进行振动时效处理。
对于相同材料和工艺生产的同一批次的车轮，只需随机选取其中一个车轮来确定振动时效工艺，就可将该工艺应用到这一批次的车轮。将车轮平放在振动平台上对车轮整体进行振动时效处理，就可以一次性消除车轮上多个应力集中点的残余应力，每批车轮只需要30min～40min就可以完成振动时效，处理效率高。还可以将振动时效工序和车轮其它工序对接，与自动化生产线匹配性高。
实施例1
用590CL钢按图1工序生产出一批车轮，通过频谱分析技术，获得车轮无数个共振频率及多维振型，以频谱谐波模式自动制定最佳振动工艺组合，优化工艺方案，优选不同振型5个谐振频率峰进行时效处理。具体工艺参数见表1。
实施例2
用650CL钢按图1工序生产出一批车轮，通过频谱分析技术，获得工件无数个共振频率及多维振型，以频谱谐波模式自动制定最佳振动工艺组合，优化工艺方案，优选不同振型5个谐振频率峰进行时效处理。具体工艺参数见表1。
实施例3
用DP690钢按图1工序生产出一批车轮，通过频谱分析技术，获得工件无数个共振频率及多维振型，以频谱谐波模式自动制定最佳振动工艺组合，优化工艺方案，优选不同振型5个谐振频率峰进行时效处理。具体工艺参数见表1。
实施例4
用DP780钢按图1工序生产出一批车轮，通过频谱分析技术，获得工件无数个共振频率及多维振型，以频谱谐波模式自动制定最佳振动工艺组合，优化工艺方案，优选不同振型5个谐振频率峰进行时效处理。具体工艺参数见表1。
对比例1
对比例1中车轮的材料和振动时效工序之前的工艺工程均与实施例4相同，但车轮的时效处理采用专利201811529313.0的热时效方法去除车轮残余应力。具体步骤为：将车轮于无氧步进式加热炉900℃加热；保温20分钟；将车轮送至270℃盐浴淬火机上方，车轮装夹到位使得待淬火车轮距淬火液面20mm，辐底向下，水平放置，等待车轮轮辋的轮缘在空气中温度降至783℃，同时开启淬火盐液泵，使液面上升，上升速度30mm/s，车轮完全没入淬火盐，至液面下100mm处，装夹装置带动车轮绕其中心轴线旋转，旋转速度为10r/min，淬火时间2min；将淬火后车轮迅速转移至高温盐浴炉410℃盐浴回火处理，加热保温30分钟后，空冷至90℃，热水清洗。
表1振动时效工艺参数
Figure BDA0002590770170000091
Figure BDA0002590770170000101
实验例1
采用盲孔法对车轮时效前后应力集中点的残留应力进行检测，检测结果见表2。
表2时效前后残留应力检测数据
测量位置 时效前(MPa) 时效后(MPa) 残留应力消除率
实施例1 焊缝 +165 +62 62.42％
轮辋槽顶 +283 +79 72.10％
轮辋槽底 +226 +67 70.35％
实施例2 焊缝 +221 +75 66.06％
轮辋槽顶 +325 +115 64.62％
轮辋槽底 +285 +93 67.37％
实施例3 焊缝 +243 +83 65.84％
轮辋槽顶 +355 +120 66.20％
轮辋槽底 +305 +97 68.20％
实施例4 焊缝 +278 +122 56.12％
轮辋槽顶 +386 +162 58.03％
轮辋槽底 +342 +137 59.94％
对比例1 焊缝 +278 +135 51.44％
轮辋槽顶 +386 +184 52.33％
轮辋槽底 +342 +152 55.56％
表中残余应力数据中的“+”表示的是残留拉应力。残留应力消除率为时效处理过程消除的应力与时效处理前的残留应力的比值，这个值越大，说明时效过程消除残留应力的效果越好。
实验例2
按GB/T 5909-2009商用车辆车轮性能要求和试验方法，弯曲疲劳试验强化系数1.63，径向疲劳试验强化系数2.0进行试验。
各实施例和对比例制造的车轮检测结果见表3。
表3各车轮的检测结果
Figure BDA0002590770170000121
同规格普通轮胎的重量为46kg。
从表2和表3可以看出：采用高强度钢材制备的车轮的重量明显降低，最高可降低33.7％。4个实施例的振动时效时长最长只需要40分钟，生成的车轮经时效处理后，弯曲疲劳寿命均超过100万次，径向疲劳寿命超过100万次。对比例1由热时效处理的车轮虽然其弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命也能达到100万次的要求，但是需要将车轮加热到900℃，能耗较大；热时效过程需要无氧步进式加热炉、盐浴淬火机、高温盐浴炉等多种设备；热时效需要准确控制上升速度，旋转速度，工艺过程难于控制，也不能和车轮的自动化生产方式相适应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超高强度载重车轮生产方法，其特征在于，所述超高强度载重车轮加工方法包括以下三个步骤：
步骤一、轮辋的制造；
步骤二、轮辐的制造；
步骤三、轮辋和轮辐的合成；
所述步骤三包括以下步骤：
(1)压配点焊；(2)合成焊接；(3)振动时效；(4)谐波检查；(5)打印标识；
其中，所述步骤三、轮辋和轮辐的合成包括以下工序：
(a)对轮辐、轮辋进行清洗烘干，保证合成焊缝处干净，无脏物、油迹水迹；再进行压配，使合成后深度满足产品要求，将压配合格的零件进行点焊固定，防止磕碰后深度变动；
(b)再进行合成焊接，合成焊采用埋弧焊，参数为：焊接电流：焊接电流540A-570A，焊接电压34V-38V，干伸长15mm-20mm，焊接速度80秒/转-90秒/转；
(c)对合成焊接后的车轮进行振动时效去应力处理，来消除成型应力和焊接应力；
(d)再进行谐波检查，检查车轮端面和径向跳动量、合成深度尺寸；
(e)在合成后轮辐部位进行标识打印；
所述超高强度载重车轮采用型号为590CL、650CL、DP690或DP780钢材中的一种制备；
所述振动时效包括以下步骤：
(1)将相同材料和工艺生产的一批车轮用夹具固定在振动平台上；
(2)通过频谱谐波振动时效仪对车轮进行频谱分析，获得车轮的共振频率及多维振型，并确定振动时效的5个最佳振动频率、振动加速度值工艺参数；
(3)按照步骤(2)的振动时效工艺参数对车轮进行振动时效处理；
所述振动时效去应力工序的工艺为:由频谱谐波振动时效仪确定5个谐振频率峰进行时效处理，振动频率在100Hz～200Hz，每个频率振动6min～8min，振动时效过程中振动加速度值为20m/s2～40m/s2。
2.根据权利要求1所述的超高强度载重车轮生产方法，其特征在于，所述振动时效工序采用在线生产方式。
3.根据权利要求1所述的超高强度载重车轮生产方法，其特征在于，所述振动时效采用的设备为频谱谐波振动时效仪。
4.根据权利要求1所述的超高强度载重车轮生产方法，其特征在于，所述步骤一、轮辋的制造包括以下工序：
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再沿轧制方向剪成产品长度尺寸，宽度方向剪成产品宽度尺寸；产品长度和宽度尺寸根据产品的截型进行计算得出；
(b)对剪切的长条料进行卷圆，即卷成圆筒形，再对两端头进行压平，使压平的平直段在120～150mm，压平后两端头上下和前后错边不超过2mm；
(c)采用脉冲闪光对焊进行焊接，参数为：预热距离2mm～5mm，闪光距离4mm～6mm，顶锻距离5mm～7mm，带电顶锻时间0.1s～0.5s，预热电流430A～450A，顶锻压力5MPa～8MPa；
(d)对对焊后圆筒两端头进行扩口；
(e)再进行三次滚型，成型为产品最终截型尺寸；
(f)最后精扩处理，获得成品轮辋；精扩时保证10mm～20mm扩张量，以保证扩张后胎圈座尺寸及端面和跳动量；
(g)冲气门孔。
5.根据权利要求1所述的超高强度载重车轮生产方法，其特征在于，所述步骤二、轮辐的制造包括以下工序：
(a)将热轧钢卷开成平板材料，再冲成圆饼料，圆饼料尺寸通过轮辐截型尺寸计算；
(b)对圆饼料进行旋压成型，其截型为产品截型；
(c)对成型后的轮辐毛坯进行冲中心孔、螺栓孔和散热孔，再对散热孔进行压倒角，提高散热孔处疲劳寿命，对螺栓孔进行扩孔，扩成产品尺寸，保证螺栓孔位置度符合产品装配要求；
(d)对中心孔、外圆及轮辐高度进行车削，达到产品图纸尺寸要求。
6.一种用权利要求1-5任一方法制备的超高强度载重车轮。
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