CN112222343B - 汽车轮毂(hub)及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车轮毂(HUB)及制造方法，为套筒式结构。主体套筒两端部各设置连接法兰，主体套筒筒壁外侧设置环形平台，环形平台上设置数个轴向延伸的连接卡块，连接卡块之间呈环形均布排列。其中，所述至少套筒、连接法兰及环形平台是锻造构造，所述连接卡块可以是锻造后再旋压构造。所述汽车轮毂(HUB)的制造方法，包括锻压、旋压、热处理、切削、精加工、表面处理工序完成。本发明产品虽然宏观结构与现有技术产品的宏观结构相同，但是由于加工制作方法不同，因而产品的微观构造是不同的。使用本发明的方法可以改变产品微观构造，提高产品性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车车轮部件，特别涉及一种汽车轮毂(HUB)，同时还涉及这种汽车轮毂(HUB)的制造方法。
背景技术
汽车轮毂(HUB)是和汽车车轮及轴承组装的重要零部件，装设在车轮与轴承之间，与半轴形成滚动结合的状态，直接起到连接车轮和车身之间的作用，并承载扭矩。
汽车轮毂(HUB)应具备以下条件：一是强度足够；二是重量尽量减轻。目前现有技术中的汽车轮毂(HUB)还都是铸造成型的，国内一般使用球墨铸铁铸造，国外有的使用铸铝铸造，铜、钢等多种材料都可以使用，但是始终没有脱离使用铸造工艺成型的思路。
众所周知，铸造工艺虽然过程简单，铸件结构也可以轻易的实现多种多样，但是铸造由于工艺特点本身的问题，也存在诸多缺陷。如铸件本身含有气孔、砂眼等缺陷，造成产品瑕疵。另外铸件由于未经过轧制形变处理过程，构造松散，金相结构不好，容易撕裂破损，结构不稳定。因此铸造成型的汽车轮毂(HUB)的主要缺陷是因为其工艺特点形成的，而且很难克服。
如图1、图2所示，是目前常用的铸造铝制汽车轮毂(HUB)的外观结构示意图，是一种在商用车上使用的汽车轮毂(HUB)。主体是一种“T”字型套筒结构，其中在主体套筒2的上端设置的是小法兰1，该端设置螺孔用于螺栓连接其它部件，下端是大法兰6，设置螺孔用于螺栓连接其它部件。在大法兰6一端的内侧设置数个连接卡块4，环形排列，该数个连接卡块4是用于与车轮及制动鼓卡合连接的。如图1所示的汽车轮毂（HUB）在该连接卡块4的环形内侧开设了环形凹槽3，如图2所示的连接卡块4直接设置在主体套筒2的外壁环形平台上。相邻两个连接卡块4之间开设缺口5。全部连接卡块4沿圆周方向环形排列。
上述结构的汽车轮毂(HUB)在使用时，连接卡块4的外环表面与汽车车轮及制动鼓卡合连接，因而其强度和刚度指标都非常重要。而在汽车的零部件中，零部件的重量也是一个关键因素，减重始终是汽车行业一个永恒的话题，减重不仅可以减少材料用量，还可以降低运行能源的消耗。因而，在设计和制作汽车零部件时减重和增加强度是需要同时平衡考虑的两个重要因素。在相同材料用量的前提下一般还要考虑部件强度问题。设置的连接卡块4本来可以以一个设置在外壁上的环形平台直接实现，是为了减重才使用卡块形式的。
另外，现有技术中如图2所示的汽车轮毂(HUB)是这样制造的，这种结构的汽车轮毂(HUB)主体都是铸造形成的，是一个整体的铸件。而对于图1中的汽车轮毂(HUB)而言，如果直接铸造成型的这种汽车轮毂(HUB)的连接卡块4的的话，由于其结构过于单薄，强度会很脆弱，极其容易折断损坏，不能满足使用强度。需要将铸件铸造成如图3所示的形状，然后再进行铣槽加工形成环形凹槽3，再接着进行切削加工形成缺口5。以铝制汽车轮毂(HUB)为例，将铝材经过铸造形成如图3所示的铸件半成品，在铸造时可以直接形成的结构为主体套筒2、大小法兰1和6及内孔，另外铸造形成环形平台41。该环形平台41包括了缺口5、凹槽3和连接卡块4的全部结构和材料，此时仍水一个实体，可以直接作为轮毂使用，但是整体重量较大。因而需要把凹槽3铣出来，把缺口5的部分切削掉。这样虽然降低了整体的重量，但是等于把环形平台41中的凹槽3和缺口5处的铝材料完全废掉了。比如，此种加工方法制作的如图1的汽车轮毂(HUB)的成品重量为 13.5千克时，使用的铝材初始重量为 19.3千克，其中的 5.8千克做废铝处理。而且形成的产品的金相结构都是铸造产生的，ɑ-AI呈近球状或花瓣状、平均晶粒直径为965.2μm，机械强度只能达到以下水平：抗拉强度≧202MPa，屈服强度≧85MPa或脆断，延伸率≧4%。鉴于上述原因，本发明人经过试验开发了一种新的方法，制造出的汽车轮毂(HUB)，在相同材料用量时可以提高强度，成本降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车轮毂(HUB)，其可以达到更好的机械性能。
本发明的目的还在于提供一种汽车轮毂(HUB)的制造方法，可以降低材料用量，减少制作成本，提高强度。
本发明的汽车轮毂(HUB)，用于连接半轴、车轮和制动鼓，为套筒式结构，包括主体套筒，所述主体套筒两端部各设置连接法兰，主体套筒筒壁外侧设置环形平台，环形平台设置数个轴向延伸的连接卡块，连接卡块之间呈环形均布排列，所述汽车轮毂(HUB)的构造中，至少主体套筒为锻造构造。
上述所述的汽车轮毂(HUB)中，所述汽车轮毂(HUB)的主体套筒为锻造构造，所述连接卡块为旋压的构造。
上述所述的汽车轮毂(HUB)中，所述汽车轮毂(HUB)为铝材料，所述主体套筒部位符合铝锻造金相特征，金相结构组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径101.3μm；主体套筒部位材料性能符合锻造铝特征，抗拉强度不低于305MPa，屈服强度不低于290MPa，延伸率不低于10%；所述连接卡块部位符合旋压铝金相特征，金相结构组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径为94.2μm；连接卡块部位材料强度符合旋压铝特征，抗拉强度不低于320MPa，屈服强度不低于300MPa，延伸率不低于10%。
本发明上述所述的一种汽车轮毂(HUB)的制造方法，选取铝棒或者铝锭为起始材料，下料锯到初始的尺寸和重量，加温后放入模具内进行锻压，形成具有两端连接法兰、主体套筒、环形平台及连接卡块的锻件；锻压后经常规热处理过程，再进行精加工制得。
上述所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法中，所述锻压分为以下步骤：
初锻：将选取的材料加温，放入初锻锻模，以初锻锻模将加温的初始材料锻压成“T”型圆饼；
预锻：将初锻形成的“T”型圆饼立即放入预锻锻模，于预锻锻模锻压成初具形状的汽车轮毂(HUB)锻件；
精锻：将上述的汽车轮毂(HUB)锻件立即放入精锻锻模，于精锻段模锻压，形成具有环形平台、主体套筒、大小法兰及连接卡块的锻件。
上述所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法中，所述初锻锻压前将材料加温，使用铝材料时加温至420-480摄氏度。
本发明的上述所述的另一种汽车轮毂(HUB)的制造方法，包括以下步骤：
锻压：选取铝棒或者铝锭为起始材料，锯到初始的尺寸和重量，加温后放入锻压模具内进行锻压，形成具有两端连接法兰、主体套筒和环形平台的锻件；
旋压：在旋压机上，对环形平台的一部分进行旋压操作，使之金属产生流动变形，贴靠到主体套筒外侧并轴向延伸，形成连接卡块套筒；
切削：对旋压后的连接卡块套筒表面进行切削，切削掉连接卡块之间的缺口部分的材料；
精加工：对上述步骤形成的工件进行整体精加工，形成连接法兰及螺栓孔。
上述所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法中，所述锻压分为以下步骤：
初锻：将选取的材料加热，放入初锻锻模，于初锻锻模将加热的初始材料锻压成“T”型圆饼；
预锻：将初锻形成的“T”型圆饼立即放入预锻锻模，于预锻锻模锻压成初具形状的轮毂(HUB)锻件；
精锻：将上述的轮毂(HUB)锻件立即放入精锻锻模，于精锻段模锻压，形成具有环形平台、主体套筒、大小法兰的锻件。
上述所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法中，所述初锻锻压前将材料加温，使用铝材料时加温至420-480摄氏度。
上述所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法中，所述锻件结构为“T”字型套筒，主体套筒一端为小法兰端，主体套筒另一端为环形平台，环形平台外端为大法兰端，环形平台内端的台面具有数个环形排列的凹坑
本发明的产品虽然宏观结构与现有技术产品的宏观结构相同，但是由于加工制作方法不同，因而产品的微观构造是不同的。使用本发明的方法不仅可以改变产品微观构造，提高机械性能，而且可以节约材料成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的汽车轮毂(HUB)外观结构示意图；
图2是本发明实施例2的汽车轮毂(HUB)外观结构示意图；
图3是本发明的汽车轮毂(HUB)的一种锻件的外观结构示意图；
图4是本发明的汽车轮毂(HUB)的另一种锻件的外观结构示意图；
图5是本发明的实施例1的汽车轮毂(HUB)旋压变形流动剖面图；
图6至图8是本发明的汽车轮毂(HUB)旋压过程剖面示意图；
图9、图10是本发明方法中初锻前后剖面结构对比示意图；
图11、图12是本发明方法中预锻前后剖面结构对比示意图；
图13、图14是本发明方法中精锻前后剖面结构对比示意图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施例对本发明的汽车轮毂(HUB)及其制造方法进行详细说明，但是实施例仅仅用于对本发明的解释，并不能用于限定本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本发明的汽车轮毂(HUB)的外观结构与现有技术中的汽车轮毂(HUB)的宏观结构完全一样。如图1所示，其主体是一套筒形结构，中央圆孔用于与汽车半轴连接。主体结构为“T”字形状，其中的小端设置螺孔，作为小法兰1，安装时用于与防尘盖螺纹连接。大端设置螺孔，作为大法兰6，安装时用于与车轮、制动毂连接。主体套筒2用于传递扭矩及支撑作用，保持整体结构的稳固。
在主体套筒2的外围，靠近大法兰6的一端内侧，向主体套筒2的同轴方向设置有多数个连接卡块4，该些连接卡块4形成环形排列，并且连接卡块4的外缘面用于与汽车车轮、制动鼓卡合固定连接。该些连接卡块4呈圆环状排列，连接卡块4与主体套筒2的外壁之间形成一环形凹槽3，而每相邻的两个连接卡块4之间设有缺口5。设置环形凹槽3和缺口5的目的是降低整体重量。
本发明的汽车轮毂(HUB)的改进不是在宏观结构上，而是在微观构造和制作工艺上。现有技术中这种结构的汽车轮毂(HUB)都是铸造形成的，是一个整体的铸件，但是铸造工艺很难制造出连接卡块4及环形凹槽3的结构。需要在铸造以后再进行铣槽、切削及精加工。需要先铸造成如图3所示的铸件，然后在环形平台41上铣槽操作，但是在如图3所示的铸件中铣出环形凹槽3的难度是比较大的，因而在加工中会造成成品率降低。而且铸件本身的机械性能不好，造成产品容易损坏，使用寿命短的问题。
为了实现本发明的目的，本实施例产品的制造方法主要是对铝锭或者铝棒锻造后旋压，主要经过如下过程：
第一步：选材，由于本发明的第一道加工工序是模具锻压，因而需要根据产品重量和尺寸选择材料的重量和尺寸，选小了锻压后形不成合格锻件，选大了不仅浪费量大，而且形成锻件也有相当大大难度。需要根据整体成品工件铝材料的重量以及切削加工产生的废料量计算原料下料量，选取合适的铝棒原材料。
如本实施例的铝制汽车轮毂(HUB)，产品最终重量为13.5千克，产品最大直径尺寸和最小直径尺寸为370毫米和136毫米，可以选用铝棒的直径为175-200毫米；长度为330-255毫米；重量为20.5千克。刚好可以放在模具内并锻压出半成品锻件。
第二步：锻压，将上述铝棒放置在模具中，在模具中以350-4000吨的压力进行锻压，锻压成如图4所示的锻件半成品。其锻件半成品结构是这样的，已经具备了主体套筒2和小法兰1及大法兰6，另外在大法兰6的内侧形成了环形平台41，环形平台41的靠近主体套筒2的部位设置多数个凹坑42，该凹坑42呈环形均布排列，但与连接卡块4的位置交错设置，其作用是降低重量，而且可保证在切削时尽量减少废料量。
本实施例中的锻压过程也分三步进行。
锻压第一步是初锻，如图9和图10所示，需要选取铝棒120的重量是20.5千克，直径175毫米，长度320毫米，放入初锻下模140中，以初锻上模110从上侧向下锻压。锻压前铝棒120加热至420-480摄氏度之间，锻压机压力在350吨至400吨之间；初锻时将铝棒120锻压成“T”型圆饼150，轴向尺寸降低，径向尺寸加大，即填满上下模之间的成型空间130。
锻压第二步是预锻，如图11、图12所示，开起初锻模具，取出初锻工件150，趁热放入预锻下模240中，以预锻上模210从上侧向下锻压，锻压机压力掌握在2000吨至2500吨之间。形成预锻锻件250，此时的预锻锻件250填充了下模240和上模210之间的成型空间，已经初步形成了锻件半成品的雏形。
锻压第三步是精锻，如图13、图14所示，开起预锻模具，取出预锻工件250，趁热放入精锻下模340中，以精锻上模310从上侧向下锻压，锻压机压力掌握在3500至4000之间。形成精锻锻件350，此时的精锻锻件350填充了下模340和上模310之间的成型空间，并形成锻件的各个细节结构，形成了如图4所示的锻件半成品，这种结构的锻件半成品适合后续进行旋压操作。
对本实施例的铝进行锻压时，采用H13材料制作锻压模具，也可以选用其他材料的锻压模具，只要满足锻压铝的强度和刚度即可。
如图4所示，对于后续进行旋压的锻件半成品，开起精锻模具后，将锻件半成品取出，此时已经具备了汽车轮毂(HUB)的基本形状，但是还没有形成连接卡块4，因而需要制作出连接卡块4。
本实施例是将上述锻件半成品放在旋压机上进行旋压，图5的剖面图显示了旋压过程中的金属流动方向。这一过程是将环形平台41的上的部分金属经过旋压，挤向已经设置好的筒形模具8的外壁，形成一环形的包含连接卡块4的套筒形结构，在筒形模具8的位置形成环形凹槽3。
具体过程如图6-8所示，旋压前先将一个筒形模具8装设到主体套筒2的外围，并抵紧环形平台41。旋压辊7以一个锐角角度将压辊7的辊面71和72从环形平台41的外圆周开始，将环形平台41铲旋起一部分金属开始旋压。随着工件的旋转逐渐加深，最后将环形平台41的部分金属材料经过旋压形成流动形变，贴靠到筒形模具8的外缘上，在筒形模具8去掉后形成一环形凹槽3与卡连接块套筒，最后再经过切削加工将缺口5处的铝材切掉。主体套筒2的外侧设置筒形模具8，一是可以形成良好的连接卡块4内缘的形状，二是可保证成圆性好。
精加工，上述旋压过程完成后，再拆掉筒形模具8，对连接卡块套进行切削操作，切削掉缺口5的部分后，再对整个工件进行精加工，形成成品。
经过上述方法生产的成品，从根本上克服了铸件汽车轮毂(HUB)的强度问题及加工难度问题。按照《GB/T 3246.1-2012 变形铝及铝合金制品组织检验方法》、《GBT6394-2002金属平均晶粒度测定方法》及《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》检测。铸件汽车轮毂(HUB)金相是 ɑ-AI呈近球状或花瓣状、平均晶粒直径为965.2μm，铸件材料性能仅达到抗拉强度≧202MPa，屈服强度≧85MPa或脆断，延伸率≧4%。而本实施例的锻件汽车轮毂(HUB)主体套筒部位金相组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径为101.3μm，材料性能达到抗拉强度不低于305MPa，屈服强度不低于290MPa，延伸率不低于10%的水平。旋压部分的连接卡块4的金相是组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径为94.2μm，材料性能达到抗拉强度不低于320MPa，屈服强度不低于300MPa，延伸率不低于10%的水平。
整个过程铝材料消耗掉7千克，分别是在切屑、精加工过程中去掉的。
实施例2：如图1所示的结构的轮毂，本实施例的产品与实施例1基本相同，差别是连接卡块4部分不是经过锻造后旋压形成的，是锻造后铣槽、切削、精加工形成的，但连接卡块4具有锻造形成的构造特征。具体制作过程为，经过初锻、预锻和精锻的三次锻压后形成如图3所示的半成品形状。半成品中形成了环形平台41，然后对环形平台41进行铣槽操作，铣槽形成环形凹槽3的结构。再进行切削操作，形成缺口5，进而形成连接卡块4。此种方法和结构的产品虽然不能达到实施例1旋压部分的机械强度，但是也基本满足锻压结构的特征和机械强度，比铸造形成的产品强度要高。
本实施例是以如图3所示的锻件半成品加工成轮毂(HUB)的，需要通过铣槽操作，将环形平台41上的环形凹槽3部位的铝材料铣掉，形成凹槽3，然后在进行切削操作，去掉缺口5部分的铝材料。只不过这种加工方式由于需要铣掉部分铝材料，因而在选材时需要适当增加重量，且浪费的铝材料相对会多一些。本实施的铝制成品需要选铝棒24千克，铝棒选择应为直径175毫米，长度370毫米。铣掉、切削掉材料10.5千克。比实施例1的方法多耗费3.5千克的铝材料。
实施例3：本实施例的锻造汽车轮毂（HUB）的结构如图2所示，与实施例1的结构基本相同，不同之处在于所述的连接卡块4与主体套筒外壁2之间不设环形凹槽3，是一种实体的连接状态，是在锻造过程中一体形成的。这种结构的产品也能够达到锻造产品的机械性能，只不过产品重量略有增加，成品重量是14.5千克。本实施例的产品也是经过选材和三步锻压形成的。
上述本发明以铝制成品进行了说明，但是本领域技术人员皆知，使用其它金属材料也可以制作此类结构的产品，不同点在工艺参数上。但是本发明的主要思路是通过锻造制造汽车轮毂（HUB），使用该思路产生的其它结构和方案，均应在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种汽车轮毂(HUB)，用于连接半轴、车轮及制动鼓，为套筒式结构，包括一主体套筒，所述主体套筒两端部各设置连接法兰，主体套筒筒壁外侧设置卡止装置，其特征在于：所述卡止装置为数个轴向延伸的连接卡块，连接卡块之间呈环形均布排列；所述主体套筒外侧设置环形平台，连接卡块设置在主体套筒的环形平台上；所述汽车轮毂(HUB)的主体套筒为锻造构造，所述连接卡块部分为旋压构造。
2.根据权利要求1所述的汽车轮毂(HUB)，其特征在于：所述连接卡块与主体套筒之间设置一环形凹槽。
3.根据权利要求1或2所述的汽车轮毂(HUB)，其特征在于：所述汽车轮毂(HUB)为铝材料制造，所述主体套筒部位金相结构组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径101.3μm；主体套筒部位材料抗拉强度不低于305MPa，屈服强度不低于290MPa，延伸率不低于10%；所述连接卡块部位的金相结构组织均匀、无针状组织；无缩孔、羽状组织；无夹杂；无粗晶现象、晶粒度小于一级、平均晶粒直径为94.2μm；连接卡块部位材料抗拉强度不低于320MPa，屈服强度不低于300MPa，延伸率不低于10%。
4.一种如权利要求1-3任一项权利要求所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
锻压：选取铝棒或者铝锭为起始材料，锯到初始的尺寸和重量，加温后放入锻压模具内进行锻压，形成具有两端连接法兰、主体套筒和环形平台的锻件；
旋压：在旋压机上，对环形平台的一部分进行旋压操作，使之金属产生流动变形，贴靠到主体套筒外侧并轴向延伸，形成连接卡块套筒；
切削：对旋压后的连接卡块套筒表面进行切削，切削掉连接卡块之间的缺口部分的材料；
精加工：对上述步骤形成的工件进行整体精加工，形成连接法兰及螺栓孔。
5.根据权利要求4所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法，其特征在于：所述锻压分为以下步骤：
初锻：将选取的材料加热，放入初锻锻模，于初锻锻模将加热的初始材料锻压成“T”型圆饼状；
预锻：将初锻形成的“T”型圆饼立即放入预锻锻模，于预锻锻模锻压成初具形状的轮毂(HUB)锻件；
精锻：将上述的轮毂(HUB)锻件立即放入精锻锻模，于精锻锻模锻压，形成具有环形平台、主体套筒、大小法兰的锻件。
6.根据权利要求5所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法，其特征在于：所述初锻锻压前将材料加温，铝材料加温至420-480摄氏度。
7.根据权利要求6所述的汽车轮毂(HUB)的制造方法，其特征在于：所述锻件结构为“T”字型套筒，主体套筒一端为小法兰端，主体套筒另一端为环形平台，环形平台外端为大法兰端，环形平台内端的台面具有数个环形排列的凹坑。
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