CN117600308B - 一种对称式旋压成型设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种对称式旋压成型设备和方法，该设备包括：用于轮辋径向减薄和轴向拉长的外随型辊与内平衡辊：外随型辊具有在轮颈位置劈开和切入加工的第一特征造型圆角、用于毛坯轮辋的挤压减薄并沿轴向拉长毛坯轮辋的第二特征造型圆角，内平衡辊位于轮辋内侧和外随型辊对应的位置并具有贴靠于轮辋内壁的端面；用于精整成型的外精整辊和内顶辊：外精整辊具有在轮颈处辅助劈开和切入加工并辅助减薄和轮辋精整成型的反向钩状圆角，内顶辊位于轮辋内侧和外精整辊对应的位置并具有用于内侧径向支撑的第三特征造型圆角、在轮辋中段和外精整辊配合加工的直线段造型面和用于完成轮辋开口端的内轮缘内侧圆角成型的第四特征造型圆角。由此可提升工艺灵活性，降低成本。

Description

一种对称式旋压成型设备和方法

技术领域

本发明涉及车轮旋压加工技术领域，具体涉及一种新型的对称式旋压成型设备和方法，特别适用于铝合金车轮的旋压。

背景技术

传统的芯模旋压过程中，模具新开、复制、维修、维护、模具管理所产生的费用巨大。特别对于铝车轮旋压来说，工艺技术依赖前序毛坯尺寸一致性，依赖毛坯和芯模的配合造型，定位精度要求较高。因模具定位需求，毛坯车轮窗口、背腔封层设计需宽而厚。为保证贴模质量，减少突然缩径带来的金属反流甚至旋压开裂等问题，轮辋转弯处也需保留较大的加工余量。弓形、反向等异型轮辋更是难点，工艺调整空间小。旋压产生的内应力在热处理后致使唤轴向尺寸变化较大，经旋压强化的金属可能要在后续机加过程中去除，难以确保轮缘部分成形质量；在变更在线产品时，需更相应地更换芯模和相关配件，换型所需的人工和时间成本大，柔性生产能力差。

铝合金车轮为筒形对称件的延伸产品，本发明即是在这样的背景下，提供一种新型的铝车轮无模旋压工艺和设备，在保证产品已有质量的前提下，进一步提升旋压工艺综合水平，实现产业升级。

该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种对称式旋压成型设备和方法。

根据本发明的一方面，提供一种对称式旋压成型设备，包括：用于轮辋径向减薄和轴向拉长的第一辊轮组件和用于精整成型的第二辊轮组件，第一辊轮组件包括外随型辊与内平衡辊，外随型辊具有用于在轮颈位置的劈开和切入加工的第一特征造型圆角、用于毛坯轮辋的挤压减薄并沿轴向拉长毛坯轮辋的第二特征造型圆角，内平衡辊位于轮辋内侧和外随型辊对应的位置并具有贴靠于轮辋内壁的端面，第二辊轮组件包括外精整辊和内顶辊，外精整辊具有用于在轮颈处辅助劈开和切入加工并辅助减薄和轮辋精整成型的反向钩状圆角，内顶辊位于轮辋内侧和外精整辊对应的位置并具有用于内侧径向支撑的第三特征造型圆角、在轮辋中段和外精整辊配合加工的直线段造型面和用于完成轮辋开口端的内轮缘内侧圆角成型的第四特征造型圆角。

根据本发明的另一方面，提供一种对称式旋压成型方法，适用于上述的对称式旋压成型设备，其特征在于，包括以下步骤：准备毛坯轮辋作为待旋压成型的工件；确定工件所对应的轮型；对工件的预定位置进行局部冷却；进行外随型辊、外精整辊、内平衡辊和内顶辊的点定位，其中内平衡辊和内顶辊安装于旋压成型设备的上主轴；：外随型辊进行工件的劈开减薄，平衡辊对应地平衡支撑；用外精整辊进行工件的推料成型，内顶辊对应地在开口端定位扩口。

根据本发明的无模旋压技术和装备研发制造，通过针对铝车轮的无模旋压，能够取消现有加宽加厚的旋压定位封层，改变定位精度及受力方式，从根本上解决铸旋产品轴向尺寸变化大的问题，内外对辊旋压能够进一步缩小轮辋两侧的金属量，充分发挥旋压优势，提升轮辋质量，不仅可以大大提升旋压工艺灵活性，使旋压工艺具备针对不同尺寸和轮辋的造型能力，而且最大限度地降低了模具成本、换模成本、模具维护维修成本；另一方面，无模旋压的引入可以提升铸旋线整体OEE指标，频繁更换工装的时间转化为产线产能的大幅提升，同时使待加工毛坯的零缓存、一键切换轮型、柔性化混料混线加工、智能制造成为可能。

附图说明

图1示出毛坯右侧开口端处的成型加工示意图。

图2示出毛坯左侧开口端处的成型加工示意图。

图3示意性地示出工件与内外辊轮、夹具系统的装配图。

图4 示意性地示出外随型辊的剖视图及其轨迹线。

图5示意性地示出内平衡辊的剖视图及其轨迹线。

图6示意性地示出外精整辊的剖视图及其轨迹线。

图7示意性地示出内顶辊的剖视图及其轨迹线。

图8示意性地示出内侧减薄辊的剖视图及其轨迹线。

图9示意性地示出内光整辊的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。而且，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不一定是按照实际的比例关系绘制的，涉及到方位描述，例如对应主体纵长的纵向，以及上、下、左、右、顶、底等指示的方位或位置关系，皆为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另外具体说明，否则在实施例中阐述的部件和组装步骤的顺序以及数值不限制本发明的范围。而且本文中所陈述的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。本领域技术人员可以理解，本发明中的“第一”、“第二”、“步骤”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。例如某步骤二、三可以对调或并行。

根据本发明的对称式旋压成型设备，包括：用于装备不同造型和用途的内辊（即，后述的内平衡辊2、内顶辊4、内侧减薄辊5、内光整辊6）的上主轴、用于装备预定位夹具系统的下主轴14、内外辊轮系统、对内外辊轮系统的各辊分别设置的独立润滑系统。

<内外辊轮系统>

内外辊轮系统包括：外随型辊1（图4）、内平衡辊2（图5）、外精整辊3（图6）、内顶辊4（图7）、内侧减薄辊5（图8）、内光整辊6（图9）（下文中有时亦简称为“辊轮”）。

如图1-2所示，外随型辊1与内平衡辊2构成用于轮辋径向减薄和轴向拉长的第一辊轮组件，外精整辊3和内顶辊4构成用于精整成型的第二辊轮组件。第一辊轮组件和第二辊轮组件主要用来完成外轮辋成型。第一辊轮组件的外随型辊1与内平衡辊2用于实现加工过程的第一道次（减薄道次），布置于毛坯工件（以下亦简称工件）的一侧内外（图1所示即工件右侧）；第二辊轮组件的外精整辊3和内顶辊4用于实现加工过程的第二道次（精整成型道次），布置于毛坯工件的另外一侧内外（图2所示即工件左侧）,第一辊轮组件和第二辊轮组件这两套组件呈180°水平对置，呈左右侧对称，但不限于此，只要彼此隔开地布置于工件的周向侧即可。

此外，在图3的装配图中，将辊轮都放置在一侧（工件右侧）是为了更立体直观地描绘出旋压过程中内外辊轮的相对位置和配合模式。

如此，通过对外随型辊1、外精整辊3设定不同轨迹路径，与位于工件内侧的内平衡辊2和内顶辊4配合，可以相应地完成工件内外侧的金属成型。

如图4所示，外随型辊1构成为具有用于接触轮辋的尖端，该尖端处形成有：第一特征造型圆角（G-H段），用于在轮颈位置的劈开和切入加工；位于尖端下沿的第二特征造型圆角（H-V段），用于在第一特征造型圆角的劈开加工后完成毛坯轮辋的挤压减薄并沿轴向拉长毛坯轮辋。

内平衡辊2用作外随型辊1的辅助平衡辊，预先定位在内轮辋的轮颈位置（图1中的A-B段所对应的轮辋内侧）并随主轴旋转，等待外随型辊1由外轮辋的轮颈位置（如图1中的A-B段所示）劈开切入，在此过程中内平衡辊2位于工件内侧对应的位置，贴工件内壁随工件旋转，保持工件整体稳定。其中，端面I~J贴于工件内壁，随工件旋转，与外随型辊1内外对应，维持工件稳定。

如此，外随型辊1与内平衡辊2从A点开始加工，至点C结束，完成减薄段AC的减薄，如图1中的外随型辊1尖端处的包络线（对应图4的轨迹线）所示。

当外随型辊1运行到轮辋中下段驼峰位置（图1中所示的驼峰段CD）时，外精整辊3开始独立加工（参见图3中所示的外精整辊3，此处，外随型辊1退出加工），完成外轮辋成型的工作。

如图6所示，外精整辊3构成为鹰嘴式成形辊轮，即，在尖端有类似于鹰嘴的反向钩状圆角（图6中所示的K-L段），用于在轮颈处（图1的A-B段）辅助劈开和切入加工，劈开后由尖端的圆角（图6中K-L段）完成辅助减薄和轮辋精整成型（如图1所示A为起点至轮缘外端结束）。

如图7所示，内顶辊4是一种用于内轮缘成型的造型保持辊，作为具有第三特征造型圆角（M-N段）的辅助平衡辊，辅助外精整辊3加工时，起到内侧径向支撑和维持工件稳定的作用，轮辋中段由外精整辊3和直线段造型面（N-O段）外内配合加工，其下端的第四特征造型圆角的随型造型面（O-P段）是用于完成轮辋开口端（装胎造型），通过外精整辊3的辊轮挤压，金属流向此特征造型面并逐渐填充，最终完成内轮缘内侧圆角成型（图1的E-F段）；

如图8所示，内侧减薄辊5的作用与外随型辊1相近，在对内轮辋金相组织的细化程度有特殊要求时，内侧减薄辊5与外随型辊1可以在轮辋内外两侧同时对毛坯工件进行减薄(对应减薄段：S-R段)和挤压(对应挤压段：R-Q段)。

如图9所示，内光整辊6用作轮辋内侧表面强化辊，其第五特征造型圆角的特征面是尖锐的小圆角（对应第五圆角段：T-U段），可以在成型后的轮辋表面按照预设的轨迹线压缩轮辋表面以提高其硬度，其可单独工作，不需要和其它辊轮配合（轨迹线为完全随轮辋形状）。

上述的外随型辊1与外精整辊3具备一定的安装切入角，可相对于水平轴上顷或下顷地在-15°~15°之间随工艺调整，内平衡辊2、内顶辊4、内侧减薄辊5、内光整辊6相对于水平轴的定位角度在10~45°之间随工艺调整，各自的辊轮（即辊主体）可配备自锁螺母，支持快装快拆。

<预定位夹具系统>

预定位夹具系统包括卡具，例如可通过数控系统中具备主动定位功能的下主轴14定位指令M3SPOS+角度完成主轴定位，在工件加载前可预旋转至指定角度。

如上述，上主轴配备多种不同造型和用途的内辊（内平衡辊2、内顶辊4、内侧减薄辊5、内光整辊6），可在旋压量、旋压区域、工艺需求发生变化时切换模式。

<独立润滑系统>

独立润滑系统例如采用顶针式喷嘴，喷嘴口径0.5mm，喷嘴与压缩空气、润滑液两根管路相连，两根管路安装在混合阀上，数控系统中增加喷涂指令和喷涂时间，喷涂结束后添加送风吹扫时间以防止管路堵塞，此独立润滑系统安装在旋轮室内侧，可在加工工件时，在指定位置喷润指定时间，同时扇形和雾化效果可调。

<工艺流程>

根据本发明的一示例性实施例的对称式旋压成型方法，包括以下步骤S1～S10：

S1：准备车轮毛坯作为待旋压成型的工件；

S2：确定工件所对应的轮型；

例如通过工件造型视觉识别，由视觉识别系统识别出工件所对应的轮型；

例如，通过利用内置高清摄像头的视觉识别装置，在识别时扫描工件正面轮辐造型面特征，扫描后与存储器中储存的轮毂正面3D构型做相似度对比，识别出是哪一款轮型。

S3：旋压成型设备的数控系统自动调用加工程式；

S4：下主轴14（图3）预旋转至指定角度；

S5：工件上料后，卡具由定位块10完成内撑装夹；

例如，在步骤S4、S5中，下主轴14完成前一毛坯工件生产后，预旋转至设定角度，自动化机器人得到上料信号完成取料放料。

卡具在毛坯工件放置于卡具上的同时，由中心扶正装置13利用随型于毛坯工件冒口的凹槽进行找水平，然后定位块10进行径向涨紧，定位块10有随型于毛坯外轮缘内侧轮唇的造型，辅助扶正装置13进行找正和定位，扶正装置13同时还具备类似于芯轴的辅助毛坯工件稳定性的作用，完成毛坯预定位，由定位块10完成工件内定位，扇形夹爪9夹紧。

S6：对卡具装夹位置附近的工艺轮唇周围等预定位置进行局部冷却；

夹紧信号传递至卡具内置水雾冷却装置11，完成预设时间和毛坯特定位置的冷却。冷却完成后内外辊轮系统得到信号，完成旋压起始位初定位，准备生产。

更具体地，车轮毛坯工件在加工前通过水雾冷却装置11完成局部冷却（卡具内置压力传感器和水雾喷嘴，冷却水流量和雾化效果可通过喷嘴孔顶针调节；夹爪9在夹紧工件后，压力传感器给控制喷嘴的混合电磁阀指令，冷却时长可在设备数控系统中设定，根据前期实验数据表明，一般冷却时长控制在6~8S，工件温度明显降低至80℃以下，工件定位处硬度增加，有效提升装夹的稳定性和安全性），冷却后由外随型辊1和内平衡辊2完成径向减薄和轴向拉长，由外精整辊3和内顶辊4完成精整成型。

S7：内外腔辊轮（图3所示的外随型辊1、外精整辊3、内平衡辊2和内顶辊4）点定位；

S8：外辊（外随型辊1）劈开减薄，内辊（内平衡辊2）平衡支撑（直线段阶段）；

S9：外辊（外精整辊3）推料成型，内辊（内顶辊4）定位扩口（开口端）；

本发明内外辊有径向补偿、加工轨迹速度等初始参数，内外辊在完成初始位置切入后，特别是在靠近毛坯工件开口端特征造型面（图2，工件E-F段）时，作为鹰嘴成型辊的外精整辊3与作为内轮缘成型辊的内顶辊4开始独立加工，外精整辊3的鹰嘴面下沿与内顶辊4的直线段造型面配合（图7，N-O段），通过外精整辊3的主动径向位移完成毛坯工件转弯区域的加工，在接近开放端轮缘造型面时，外精整辊3的鹰嘴尖点与内顶辊4的随型造型面（O-P段）配合，完成毛坯工件装胎位置造型面的加工和成型，在此过程中外随型辊1和内平衡辊2辅助完成减薄和随型推料，以上整个过程为一个毛坯工件的精整和成型。

S10：如工件表面需要特殊强化，可在数控程序中设定完成一次加工后，更换内辊为内光整辊6，重复以上生产过程（S7~S9），可分多步进行或多次重复进行。例如，外随型辊1、内平衡辊2和外精整辊3、内顶辊4水平分布在作为毛坯工件的轮子左右两边，水平高度基本是一致的，外随型辊1、内平衡辊2和外精整辊3、内顶辊4的径向加工量不一样，每步骤加工后的毛坯壁厚不同，所以都能加工到。

该设备的上主轴配备至少两个具备多种功能的内辊（辊内平衡辊2、内顶辊4、内侧减薄辊5、内光整辊6），内辊具有可独立编制成形路径和径向位移的功能，工件内侧材料能够得到有效变形，工件质量得到提升。

根据本发明的新型的铝车轮旋压的设备和方法，利用无模旋压加工技术，以类似加工中心刀塔（上主轴由旋轮架、X/Y轴导轨、内旋轮轴内旋轮室、旋轮、伺服电机组成；内旋轮通过涨套安装在内旋轮轴上，内旋轮轴安装在旋轮室中，依靠旋轮室轴承和液压马达自转，依靠伺服电机和数控系统内辊轮程式完成X/Y轴行程，加工工件）加装至少两套内腔辊轮的方式，用伺服系统代替传统液压尾顶（老式液压缸式上尾顶，进回油驱动活塞杆带动尾顶压料和回位），上主轴有随型行走轨迹和径向辅助减薄功能，自工艺上可实现应对各种造型轮辋的技术目标，同时从产业化应用角度出发，可实现柔性生产，提升生产连续性和自动化水平。

利用数控技术，工件的形状、尺寸精度可基于精确的旋压路径得以保证，通过利用柔性更好的筒形件无模旋压，在前期有限元模拟和预设置的旋轮路径轨迹下，可得到较好的半成品质量。

尽管已经参考各种具体实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在所描述的发明构思的精神和范围内做出变形。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是将具有由所附权利要求的语言所定义的全部范围。

Claims (10)

1.一种对称式旋压成型设备，其特征在于，包括：用于轮辋径向减薄和轴向拉长的第一辊轮组件和用于精整成型的第二辊轮组件，第一辊轮组件包括外随型辊（1）与内平衡辊（2），外随型辊（1）具有用于在轮颈位置的劈开和切入加工的第一特征造型圆角、用于毛坯轮辋的挤压减薄并沿轴向拉长毛坯轮辋的第二特征造型圆角，内平衡辊（2）位于轮辋内侧和外随型辊（1）对应的位置并具有贴靠于轮辋内壁的端面，第二辊轮组件包括外精整辊（3）和内顶辊（4），外精整辊（3）具有用于在轮颈处辅助劈开和切入加工并辅助减薄和轮辋精整成型的反向钩状圆角，内顶辊（4）位于轮辋内侧和外精整辊（3）对应的位置并具有用于内侧径向支撑的第三特征造型圆角、在轮辋中段和外精整辊（3）配合加工的直线段造型面和用于完成轮辋开口端的内轮缘内侧圆角成型的第四特征造型圆角。

2.根据权利要求1所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，第一辊轮组件和第二辊轮组件水平地对称布置于轮辋的周向侧。

3.根据权利要求1或2所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，还包括：用于与外随型辊（1）配合对毛坯轮辋进行旋压的内侧减薄辊（5），内侧减薄辊（5）包括用于对毛坯轮辋进行减薄的减薄段和用于对毛坯轮辋进行挤压的挤压段；和/或，用于轮辋内侧表面强化的内光整辊（6），内光整辊（6）包括用于压缩轮辋表面的第五特征造型圆角。

4.根据权利要求3所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，外随型辊（1）与外精整辊（3）相对于水平轴的安装切入角在-15°~15°之间，内平衡辊（2）、内顶辊（4）、内侧减薄辊（5）、内光整辊（6）相对于水平轴的定位角度在10~45°之间。

5.根据权利要求4所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，还包括用于装备内平衡辊（2）、内顶辊（4）、内侧减薄辊（5）、内光整辊（6）的上主轴、用于装备预定位夹具系统的下主轴（14）以及对各辊分别设置的独立润滑系统。

6.根据权利要求5所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，预定位夹具系统包括内置压力传感器和水雾喷嘴的卡具；和/或，独立润滑系统采用顶针式喷嘴，喷嘴与压缩空气、润滑液两根管路相连，两根管路安装在混合阀上。

7.根据权利要求6所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，还包括具有随型于毛坯轮辋冒口的凹槽以进行找水平的扶正装置（13）、具有随型于毛坯外轮缘内侧轮唇的造型用于对毛坯轮辋进行径向涨紧的定位块（10）、对毛坯轮辋进行夹紧的夹爪（9）。

8.一种对称式旋压成型方法，适用于权利要求1至7中任一项所述的对称式旋压成型设备，其特征在于，包括以下步骤：

S1：准备毛坯轮辋作为待旋压成型的工件；

S2：确定工件所对应的轮型；

S6：对工件的预定位置进行局部冷却；

S7：进行外随型辊（1）、外精整辊（3）、内平衡辊（2）和内顶辊（4）的点定位，其中内平衡辊（2）和内顶辊（4）安装于旋压成型设备的上主轴；

S8：外随型辊（1）进行工件的劈开减薄，内平衡辊（2）对应地平衡支撑；

S9：用外精整辊（3）进行工件的推料成型，内顶辊（4）对应地在开口端定位扩口。

9.根据权利要求8所述的对称式旋压成型方法，其特征在于，还包括步骤：S10：在完成一次旋压加工后，更换内顶辊（4）为用于轮辋内侧表面强化的内光整辊（6），重复以上步骤S7~S9；和/或，步骤S2中，由视觉识别系统识别出工件所对应的轮型，其中,内光整辊（6）包括用于压缩轮辋表面的第五特征造型圆角。

10.根据权利要求8所述的对称式旋压成型方法，其特征在于，在靠近毛坯工件开口端特征造型面时，外精整辊（3）与内顶辊（4）开始独立加工，外精整辊（3）与内顶辊（4）的直线段造型面配合，通过外精整辊（3）的主动径向位移完成毛坯工件转弯区域的加工，在接近开放端轮缘造型面时，外精整辊（3）的反向钩状圆角的尖点与内顶辊（4）的随型造型面配合，完成毛坯工件装胎位置造型面的加工和成型，在此过程中外随型辊（1）和内平衡辊（2）辅助完成减薄和随型推料。