专利名称：一种汽车轮毂省力成形方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于铝、镁合金挤压成形技术，特别涉及一种铝、镁合金汽车轮毂及圆环和盘形零件的省力成形方法及装置。
背景技术：
随着全球汽车工业突飞猛进的发展，汽车轻量化已经提上日程。为了减轻汽车自身重量，提高节油效率，降低排气污染，确保汽车安全，使其使用性能更加优良。轻质结构材料(如铝、镁合金等)在汽车上显示出巨大的优越性，尤其镁合金，不仅质量轻，比强度高，而且阻尼性能好，是用于制造如汽车轮毂等的良好减振材料。
作为汽车重要安全部件的轮毂，其冲击性能、弯曲疲劳性能及径向疲劳性能等主要机械性能要求高，对晶粒度、气密性及表面质量有一定要求。国内外汽车轮毂主要分为铸造式和锻造式两种。而由于轮毂的锻造法普遍存在生产工序多、生产效率较低、成本远高于铸造法，一直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难以承受。目前，主要还是采用压铸、重力铸造等方法制造轮毂。使用的材料主要为铝合金，如《铸造技术》杂志2001年5月刊登的“镁合金汽轮毂铸造研究”一文。对于镁合金轮毂的实际应用还少见报导，对于镁合金轮毂采用铸造方法，由于强度性能等难以满足使用要求，还存在一定的局限性。
美国专利US005902424A公开了一种镁合金成型的加工方法，(METHODOF MAKING AN ARTICLE OF MANUFCTURE MADE OF MAGNESIUM ALLOY)这是一种采用连铸镁合金圆棒料为锻坯，采用铸造坯料——锻造——T6处理——旋锻——轧制等工艺，经模锻工艺成型后，由轧制工艺完成制造汽轮毂毂产品。虽然，这种方法使镁合金材料制成的轮毂具有良好组织和机械性能，但其工艺及其复杂，所需的设备较多，投资大，生产成本很高。
中国专利号为ZL031008933公开了镁合金汽轮毂毂铸挤复合成形方法，采用铸造工艺制成所需的坯料，其特点是还有预成形，临界控制变形的镦挤成形与等温挤压，及精整形工序，其中a、精铸坯料及预成形后留有使金属材料得以顺利地充满整个模具型腔的挤压过程中所需分配金属材料体积的预分配量；
b、采用临界控制变形方法控制镁合金材料的变形程度、变形速率及变形温度相关参数，并控制在许用范围内；c、在模具腔内喷涂降低变形抗力和提高模具寿命和产品表面质量的滑剂。
其方法中为防止再加热引起晶粒长大导致机械性能下降，随工艺的增加采用逐渐降低成形温度的方法。它克服了重力铸造方法所产生无法满足轮毂使用要求性能低的缺陷，并可达到模锻轧制方法所生产的产品机械性能要求。为生产高档汽车提供镁合金轮毂的生产方法。采用临界控制变形和润滑剂保证了金属材料填充型腔，细化了晶粒组织，制品的内部组织更加致密，晶粒尺寸更小，提高了镁合金轮毂等产品的机械性能和表面质量，减少了设备，降低了生产成本，但是其工艺还是比较复杂，成形力大、前后轮缘成形困难、难以脱模，所需设备压力较大。这些都是铝、镁合金轮毂挤压成形技术中主要难以解决的问题。
发明内容
本发明的目的是综合以上所述现有技术存在的不足，对现有技术做进一步的改进，提出了一种降低轮毂成形力，同时减少设备投入，降低生产成本，提高挤压成形产品质量的汽车轮毂省力成形方法及装置。
为实现上述目的本发明的技术方案为本发明一种汽车轮毂省力成形方法，包括铸造坯料—均匀化处理—预成形制坯—挤压—镦挤前轮缘—扩口翻边后轮缘工艺，其特点是所述的铸造坯料经预成形制坯工艺成为空心坯料，挤压与镦挤前轮缘工艺中的凸模与凹模为整体模具，凸模内带有芯轴，挤压工艺采用在模具中由芯轴挤压空心坯料，挤压成筒底带孔的圆筒形零件；镦挤前轮缘工艺采用金属分流充填成形；扩口翻边后轮缘工艺采用整体凸模与分体凹模进行扩口翻边及成型后轮缘。
所述的预成形制坯工艺，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。
所述的挤压工艺，芯轴直径小于空心坯料的内径；减小芯轴与空心坯料接触面积，减小接触面上的平均正应力，使挤压成形力降低。
所述的镦挤前轮缘工艺，采用金属分流充填成形，在轴向力作用下镦挤前轮缘，使被挤压件的筒底部分金属向内与向外两个方向同时流动，变封闭式成形为开放式成形，使轮毂和轮缘完全充满，多余的金属可流向筒壁部。
所述的扩口翻边后轮缘工艺，采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口成形，使用分体式凹模在扩口翻边形成后轮缘，分别取出分体式凹模，分体式凹模使挤压件顺利脱模。
本发明一种汽车轮毂省力成形的装置，包括上模板、凸模、垫板、下模板、凹模、顶杆；凸模在垫板下装于上模板的下面，凹模装于下模板的上面，顶杆位于下模板顶杆孔内；其特点是所述的凸模上带有芯轴。
所述的凹模有凹模套与分体凹模，分体凹模装于凹模套内；凹模套固定于下模板上。
本发明一种汽车轮毂省力成形的装置有三套模具，包括反挤压模具、镦挤前轮缘模具和扩口翻边后轮缘模具。
所述的反挤压模具包括上模板、垫板、芯轴、凸模、定位板、销钉和销钉、凹模、下模板、顶杆、顶件块、紧固螺钉和紧固螺钉；凸模在垫板下由定位板通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；凹模通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模内下模板的上面装顶件块，产品被挤压件空心坏料放入凹模内；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。挤压时芯轴插入挤压件的铸造空心坯料的中空内。
所述的镦挤前轮缘模具包括上模板、垫板、内凸板、芯轴、固定板、销钉和销钉、预应力圈、下模板、凹模、顶件杆、顶件杆板、镶块、顶杆、紧固螺钉和紧固螺钉、挤压件、凸模等；凸模在垫板下由固定板通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；预应力圈通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模装于预应力圈内，镶块装在凹模内下模板的上面，凹模上设有至少两个孔，孔内装顶件杆，顶件杆装在顶件杆板上，顶件杆板装于顶杆之上；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件杆板下面。
所述的扩口翻边后轮缘模具包括下模板、挤压件、凹模套、分体凹模、分体凸模、上模板、垫板、凸模、下垫板、销钉、顶杆、芯轴、紧固螺钉和紧固螺钉等；凹模套通过紧固螺钉和销钉装于下模板的上面，凹模套内下模板的上面装下垫板，下垫板之上及凹模套内装分体凹模；下垫板设有容纳芯轴的孔，顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面；凸模在垫板下通过紧固螺钉和销钉装于上模板的下面，凸模下面装有芯轴。
本发明一种汽车轮毂省力成形方法及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)简化了工序和工艺过程，减少了模具工装和设备，降低了生产成本；
(2)铸造坯料预成形空心坯料，自由状态下镦粗预变形铸造坯料，细化组织，提高成形性，降低流变应力，减小挤压充填模具时的变形力，降低了成形力，减少了能耗；(3)模具工装结构简单，直接成形出轮毂中心孔，省去后续冲孔或机加工序。解决镁合金轮毂精密成形时成形力大、脱模困难和轮缘难以充满等问题；(4)产品性能好，尺寸精度和表面精度高，提高了挤压成形产品质量，材料利用率高；(5)通过冲孔、整形工序，可实现各种轮毂不同轮幅截面形状。
本发明提出的汽车轮毂省力成形方法及装置，主要用于铝、镁合金汽轮毂成形，也可广泛应用于各种铝、镁合金圆环或盘形零件的成形制造。
四
图1是一种汽车轮毂省力成形方法的工艺流程图。
图2是反挤压工艺示意图；图3是镦挤前轮缘工艺示意图；图4是扩口翻边后轮缘工艺示意图；图5是反挤压模具结构示意图；图6是镦挤前轮缘模具结构示意图；图7是扩口翻边后轮缘模具结构示意图；图8是汽车轮毂成品结构示意图。
五具体实施例方式
以下结合附图就具体实施方式
进行详细说明(本实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明作出的任何限定)。
图1所示，一种汽车轮毂省力成形方法的工艺流程图。一种汽车轮毂省力成形方法包括铸造坯料—均匀化处理—预成形制坯—挤压—镦挤前轮缘—扩口翻边后轮缘工艺，以及精整工序；其中挤压工艺是采用反挤压工艺。
预成形制坯工艺铸造坯料自由状态下镦粗预成形空心坯料。
图2所示，称之为“空心坯料，芯轴挤压”方法。反挤压工艺使用带有芯轴凸模，为整体模具，反挤压工艺采用在模具中由芯轴挤压空心坯料，芯轴直径小于空心坯料的内径；减小芯轴与空心坯料接触面积，减小接触面上的平均正应力，使被挤压的金属向内与向外两个方向同时流动，使挤压成形力进一步降低。并为下道工艺(镦挤前轮缘)分流充填成形提供可能。同时直接成形出轮毂中心孔，省去后续冲孔或机加工序。从热模拟、平面应变压缩以及挤压试验结果可知，在变形工艺参数合理匹配下，镁合金铸态坯料直接塑性变形是可行的，铸造坯料预成形后能达到细化组织和降低流变应力的目的。
图3所示，利用了“金属分流充填”原理。镦挤前轮缘工艺采用金属分流充填成形，挤压成筒底带孔的圆筒形零件，在扩口翻边后轮缘工序采用整体凸模与分体凹模进行扩口翻边后轮缘。镦挤前轮缘工序采用金属分流充填成形是被挤压件在轴向力作用下镦挤前轮缘，使被挤压件的筒底部分金属向内与向外两个方向同时流动，变封闭式成形为开放式成形，使轮毂和轮缘完全充满，多余的金属可流向筒壁部。并使挤压成形力降低。
图4所示，称之为“整体凸模，分体凹模扩口翻边”方法。扩口翻边后轮缘工艺采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口A成形，使用分体式凹模在扩口翻边形成后轮缘B，分别取出分体式凹模，分体式凹模保证了挤压件的顺利脱模。
一种汽车轮毂省力成形方法，最后是精整工艺通过冲孔、对孔和轮辐整形，可实现各种轮毂不同轮幅截面形状。
另外，模具外使用带有热电偶测控温的加热保温装置进行补热。这样可以大幅度降低挤压件的变形力。
图5、图6和图7所示，一种汽车轮毂省力成形的装置。它有三套模具，包括反挤压模具、镦挤前轮缘模具和扩口翻边后轮缘模具。
图5所示，反挤压模具包括上模板101、垫板103、芯轴104、凸模105、定位板106、销钉107和销钉109、凹模108、下模板110、挤压件111、顶杆112、顶件块113、紧固螺钉102和紧固螺钉114等。凸模在垫板下由定位板通过紧固螺钉102和销钉107装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；凹模通过紧固螺钉114和销钉109装于下模板的上面，凹模内下模板的上面装顶件块，产品被挤压件空心坯料111放入凹模内；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。挤压时芯轴插入挤压件的铸造空心坯料的中空内，本模具完成挤压预变形、挤压工艺，金属分流充填成形，挤压成筒底带孔的圆筒形零件。芯轴直径小于空心坯料的内径，铸造坯料在凹模内自由状态下镦粗预变形，细化组织，提高成形性，降低流变应力，减小挤压充填模具时的变形力。使挤压成形力降低。
图6所示，镦挤前轮缘模具包括上模板201、垫板203、内凸板204、芯轴205、固定板206、销钉207和销钉209、预应力圈208、下模板210、凹模211、顶件杆212、顶件杆板213、镶块214、顶杆216、紧固螺钉202和紧固螺钉215、挤压件217、凸模218等；凸模在垫板下由固定板通过紧固螺钉202和销钉207装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；预应力圈208通过紧固螺钉215和销钉209装于下模板的上面，凹模装于预应力圈内，镶块装在凹模内下模板的上面，凹模上设有至少两个孔，孔内装顶件杆，顶件杆装在顶件杆板上，顶件杆板装于顶杆之上；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件杆板下面。被挤压件17倒装于模具内，在轴向力作用下镦挤前轮缘，使被挤压件的筒底部分金属向内与向外两个方向同时流动，变封闭式成形为开放式成形，使轮毂和轮缘完全充满，多余的金属可流向筒壁部。
图7所示，扩口翻边后轮缘模具包括下模板301、挤压件302、凹模套304、分体凹模305、分体凸模306、上模板308、垫板309、凸模310、下垫板311、销钉312、顶杆313、芯轴314、紧固螺钉303和紧固螺钉307等；凹模套通过紧固螺钉303和销钉312装于下模板的上面，凹模套内下模板的上面装下垫板，下垫板之上及凹模套内装分体凹模；下垫板设有容纳芯轴的孔，顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面；凸模310在垫板下通过紧固螺钉303和销钉312装于上模板的下面，凸模下面装有芯轴；凸模的上部扩口、翻边后轮缘处设有分体凸模306，分体凸模带有锥度，逐步扩口成形，使用分体式凹模在扩口翻边形成后轮缘，分别取出分体式凹模，分体式凹模使挤压件顺利脱模。
应用示例设备6300KN液压机；挤压件选取如图8所示为某汽车轮毂；材料选择Mg-Al-Zn系合金AZ80作为实验材料，规格6×14J；偏距+45；螺栓孔数4；P.C.D45；中心孔φ67mm；1、铸造坯料采用电磁铸造成型Φ310铸锭，铸锭经均匀化处理(355±5℃，16h，空冷)后，车削外皮至Φ290，带锯床下料锯切成Φ290×80的棒料。
2、预变形Φ290×80的铸造棒料，加热到400℃镦粗压缩至外径Φ314，然后挤芯孔，制成Φ314×180×95的空心坯料。
3、反挤压筒形件采用“空心坯料，芯轴挤压”方法，模具结构如图5所示。采用制成的Φ314×180×95空心坯料，凸模的芯轴直径Φ160。模具与坯料加热到400℃，模具与坯料加热到挤压温度，模具外使用带有热电偶测控温的加热保温装置进行补热，可大幅度降低变形力。
4、镦挤前轮缘挤压的筒形件在如图6所示的模具结构中，完成轮毂和前轮缘的成形，其中采用了“金属分流充填”原理，模具与坯料加热到350℃，具体成形条件同反挤压筒形件，在变形最后阶段采用了局部加载技术。
5、扩口翻边后轮缘采用了“整体凸模，分体凹模扩口翻边”方法，模具结构如图7所示。具体成形条件与反挤压筒形件相同，只是坯料加热温度降为300℃。成形结束后顶出凹模，分开凹模取出工件。
6、精整工艺通过冲孔、对孔和轮辐整形，可实现各种轮毂不同轮幅截面形状。
7、后续热处理对Mg-Al-Zn系合金AZ80采用单一人工时效处理，即可获得较高的综合机械性能。AZ80时效处理规范177±5℃保温16小时。性能可达到350Mpa以上，适合高性能要求及高档轿车的使用。
本发明一种汽车轮毂省力成形方法及装置，采用铸造坯料预变形空心坯料、挤压、金属分流充填成形技术解决成形力大和前后轮缘成形困难的问题，而采用整体凸模、分体凹模扩口翻边解决难以脱模的问题。
权利要求
1.一种汽车轮毂省力成形方法，包括铸造坯料—均匀化处理—预成形制坯—挤压—镦挤前轮缘—扩口翻边后轮缘工艺，其特征是所述的铸造坯料经预成形制坯工艺成为空心坯料，挤压与镦挤前轮缘工艺中的凸模与凹模为整体模具，凸模内带有芯轴，挤压工艺采用在模具中由芯轴挤压空心坯料，挤压成筒底带孔的圆筒形零件；镦挤前轮缘工艺采用金属分流充填成形；扩口翻边后轮缘工艺采用整体凸模与分体凹模进行扩口翻边及成型后轮缘。
2.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的预成形制坯工艺，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。
3.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的挤压工艺，芯轴直径小于空心坯料的内径；减小芯轴与空心坯料接触面积，减小接触面上的平均正应力，使挤压成形力降低。
4.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的镦挤前轮缘工艺，采用金属分流充填成形，在轴向力作用下镦挤前轮缘，使被挤压件的筒底部分金属向内与向外两个方向同时流动，变封闭式成形为开放式成形，使轮毂和轮缘完全充满，多余的金属可流向筒壁部。
5.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的扩口翻边后轮缘工艺，采用整体式凸模轴向加载，完成轮辋部位的逐步扩口成形，使用分体式凹模在扩口翻边形成后轮缘，分别取出分体式凹模，分体式凹模使挤压件顺利脱模。
6.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的精整工序冲孔、对孔与轮辐整形。
7.根据权利要求1所述的一种汽车轮毂省力成形方法，其特征是所述的模具与坯料加热到挤压温度，模具外使用带有热电偶测控温的加热保温装置进行补热。
8.一种汽车轮毂省力成形装置，包括上模板、凸模、垫板、下模板、凹模、顶杆；凸模在垫板下装于上模板的下面，凹模装于下模板的上面，顶杆位于下模板顶杆孔内；其特征是所述的凸模上带有芯轴。
9.根据权利要求8所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的凹模有凹模套与分体凹模，分体凹模装于凹模套内；凹模套固定于下模板上。
10.根据权利要求9所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是至少有反挤压、镦挤前轮缘和扩口翻边后轮缘三套模具。
11.根据权利要求10所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的反挤压模具包括上模板(101)、垫板(103)、芯轴(104)、凸模(105)、定位板(106)、销钉(107)和销钉(109)、凹模(108)、下模板(110)、顶杆(112)、顶件块(113)、紧固螺钉(102)和紧固螺钉(114)；凸模在垫板下由定位板通过紧固螺钉(102)和销钉(107)装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；凹模通过紧固螺钉(114)和销钉(109)装于下模板的上面，凹模内下模板的上面装顶件块；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件块下面。
12.根据权利要求10所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的镦挤前轮缘模具包括上模板(201)、垫板(203)、内凸板(204)、芯轴(205)、固定板(206)、销钉(207)和销钉(209)、预应力圈(208)、下模板(210)、凹模(211)、顶件杆(212)、顶件杆板(213)、镶块(214)、顶杆(216)、紧固螺钉(202)和紧固螺钉(215)、挤压件(217)、凸模(218)等；凸模在垫板下由固定板通过紧固螺钉(202)和销钉(207)装于上模板的下面，凸模内装有芯轴；预应力圈通过紧固螺钉(215)和销钉(209)装于下模板的上面，凹模装于预应力圈内，镶块装在凹模内下模板的上面，凹模上设有至少两个孔，孔内装顶件杆，顶件杆装在顶件杆板上，顶件杆板装于顶杆之上；顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在顶件杆板下面。
13.根据权利要求10所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的扩口翻边后轮缘模具包括下模板(301)、挤压件(302)、凹模套(304)、分体凹模(305)、上模板(308)、垫板(309)、凸模(310)、下垫板(311)、销钉(312)、顶杆(313)、芯轴(314)、紧固螺钉(303)和紧固螺钉(307)等；凹模套通过紧固螺钉(303)和销钉(312)装于下模板的上面，凹模套内下模板的上面装下垫板，下垫板之上及凹模套内装分体凹模；下垫板设有容纳芯轴的孔，顶杆位于下模板顶杆孔内，顶在下垫板下面；凸模在垫板下通过紧固螺钉(303)和销钉(312)装于上模板的下面，凸模下面装有芯轴。
14.根据权利要求13所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的凸模(310)的上部扩口、翻边后轮缘处设有分体凸模(306)，分体凸模带有锥度。
15.根据权利要求8所述的一种汽车轮毂省力成形装置，其特征是所述的模具外带有热电偶测控温的加热保温装置。
全文摘要
本发明提出了一种汽车轮毂省力成形方法及装置，包括铸造坯料—均匀化处理—预成形制坯—挤压—镦挤前轮缘—扩口翻边后轮缘工艺，特点是铸造坯料经预成形制成为空心坯料，挤压与镦挤前轮缘工艺中的凸模与凹模为整体模具，凸模内带有芯轴，挤压工艺采用在模具中由芯轴挤压空心坯料，挤压成筒底带孔的圆筒形零件；镦挤前轮缘工艺采用金属分流充填成形；扩口翻边后轮缘工艺采用整体凸模与分体凹模进行扩口翻边及成型后轮缘。简化了工序和工艺过程，减少了模具工装和设备，降低了成形力，减少了能耗，产品细化组织，提高成形的合格率，降低了生产成本；主要用于铝、镁合金轮毂制造。
文档编号B21C23/02GK1864915SQ200610012829
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者张治民, 王强, 张星, 张宝红, 李保成 申请人:中北大学