一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法及其配套成形模具的製作方法

2023-05-16 09:50:06 1

專利名稱：一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法及其配套成形模具的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋁、鎂合金塑性成形技術，特別涉及一種鎂合金汽車輪轂或 類似盤形零件的擠壓成形方法及與之相配套的成形模具。
背景技術：
汽車工業作為國民經濟的支柱產業，發展極其迅速。如何限制能源用量， 提高能源利用率，減少廢氣排放量，對保護生態環境和人們的生活環境尤為 重要。節省油耗的一個最有效途是減輕汽車自重，汽車輪轂作為車輛運行的 基本承載部件，其性能好壞將直接影響車輛的行駛安全、能耗及外觀質量。
鋁合金車輪輪轂具有質輕、防腐、導熱性好可降低輪胎使用過程中的溫度、 提高其壽命等優點，成形工藝性也比較好，在現代汽車製造中正取代傳統的 鋼製輪轂而被廣泛地推廣應用。
鎂合金材料的密度低(相對密度為1.7 1.8)、比強度與比剛度都比較高， 採用鎂合金作輪轂對車輛的輕量化、提高燃油效率和減少C02的排放量都具 有重要意義；鎂合金具有較高的減震性和抗衝擊性，非常適合車輪的使用條 件。因此，以鎂合金輪轂代替鋁合金輪轂是小轎車的發展趨勢。
汽車輪轂的成形主要分為鑄造成形和塑性成形兩種。鋁合金輪轂的鑄造工 藝已比較成熟，而鎂合金輪轂鑄造方法，由於強度性能等難以滿足使用要求， 還存在一定的局限性，其實際應用還少見報導。由於輪轂的塑性成形方法普 遍存在生產工序多、生產效率較低、設備噸位大，模具尺寸大，成本遠高於 鑄造法， 一直僅限於特殊用途輪轂的小批量生產，如在賽車和高檔轎車上應 用，其製造成本普通轎車還難以承受。
4近年來，鎂合金輪轂的塑性成形技術已有很大發展，1999年5月11曰公 開的專利號為US005902424A的美國發明專利說明書公開了一種鎂合金成形 的加工方法，該方法採用鑄造坯料一 鍛造一T6處理一旋鍛一軋制等工藝制 造汽輪轂，製品具有良好組織和機械性能，但其工藝極其複雜，所需的設備 較多，投資大，生產成本很高。
2003年7月16日公開的專利號為ZL031008933的中國發明專利說明 書公開了一種鎂合金汽車輪轂鑄擠成形方法，其主要工藝過程包括鑄造制 坯一預成形一鐓擠成形一等溫擠壓一精整形。製品晶粒細化，組織緻密，機 械性能和表面質量較高，但其工藝還是比較複雜，成形力大、輪緣成形困難、 難以脫模，所需設備壓力較大。
2006年1月11日公開的專利號ZL200510010214.8的中國發明專利說明 書公開了一種固態熱擠壓鎂合金輪轂的成形裝置及其成形方法，其採用固態 熱擠壓方法一次成形鎂合金輪轂，工序最少，但變形程度大和摩擦力大導致 單位擠壓力大，當輪轂尺寸較大時，模具尺寸就非常大，需要設備噸位也很 大，致使成本提高。
2006年11月22日公開的專利號為200610012829. 9的中國發明專利說明 書公開了一種汽車輪轂省力成形方法及裝置，其工藝過程為鑄造坯料一均勻 化處理一預成形制坯一反擠壓一鐓擠前輪緣一擴口後輪緣一精整工序，採用 多道工序的目的是減小成形力，但其工序過於複雜，使生產成本提高，不利 於推廣發展。

發明內容
本發明的任務是提供一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法，該方法針對 現有技術存在的不足，對其進一步改進，使其具有成形力小、設備投入少、 生產成本低和成形質量高等特點；同時，本發明還提供一種與上述方法配套 的成形模具。本發明的技術方案是 一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法，該方法是將 坯料在等溫條件下採用兩套模具分兩步擠壓成形，第一步，將坯料放入擠壓 成型模具中先成形出輪輻部分並同時預成形出輪輞的前、後輪緣部分；第二 步，將第一步中的預成形件放入擴口模具中將輪輞前、後輪緣部分擴口成形。
所述第一步中的坯料的成形溫度為300-420°C，所述擠壓成型模具的溫 度與坯料成形溫度一致。
所述第二步中的預成形件的成形溫度為250-400°C，所述擴口模具的溫 度與預成形件的成形溫度一致。
所述擴口模具為雙凸模結構，採用整體式凸模軸向加載方式一次向外脹 形實現預成形件的擴口成形。
一種汽車輪轂的擠壓成型模具，所述模具包括上凸模101、下凸模105、 凹模104、頂出器106、頂杆107和下模板108，其中，上凸模101與下凸模 105之間組成的模腔形狀與所要成形的輪輻結構吻合，上凸模101和下凸模 105分別與凹模104之間形成預成形輪輞前、後輪緣的半封閉輪緣槽，凹模105 與下模板108之間由螺釘連接固定，下凸模105通過凹模104固定在下模板 108上，頂出器106穿裝在下凸模105中並通過頂杆107與壓力機頂出裝置 連接。
在所述半封閉輪緣槽是下部還設置有餘料容料腔。
在所述上凸模101與凹模104中分別設置有電加熱棒裝置並採用熱電偶 測控溫度；在所述凹模104、下凸模105與下模板108之間以及上凸模101 分別設置有保溫棉隔熱層。
一種汽車輪轂的擴口模具，所述模具主要包括上凸模201、下凸模205、 凹模鑲塊206、凹模導板204、彎銷機構207、頂杆208和下模座209，所述 凹模導板204上水平設置有導滑槽，各凹模鑲塊206分別通過導滑槽滑動裝 配在凹模導板204上並組合成分體式凹模；所述凹模導板204通過螺釘固定在下模座209上；下凸模205安裝在下模座209上並在受到外力作用下時可 以上下移動；上凸模201與分體式凹模的上部配合形成的模腔與輪輞的後輪 緣部分吻合，所述下凸模205與分體式凹模的下部配合形成的模腔與輪輞的 前輪緣部分吻合；頂杆208穿過下模座209與彎銷機構207連接；彎銷機構 207通過斜面銷孔帶動凹模鑲塊206沿導滑槽滑動實現分體式凹模的分合動 作並通過頂杆208與壓力機傳動連接。
所述分體式凹至少3個凹模鑲塊206組合構成，各凹模鑲塊206上分別 開設有斜面銷孔，所述彎銷機構207包括底座，底座上垂直設置有分別與各 斜面銷孔滑動配合的彎銷部，該彎銷部靠近其末端處設置有與斜面銷孔角度 相同的傾斜段，在凹模導板204上設置有在合模時用於鎖緊彎銷機構207的 卡槽。
所述頂杆208為雙頭螺紋頂杆，該頂杆208的一端旋裝在彎銷機構207 上，另一端旋裝在壓力機上。
本發明與現有技術比較，具有以下實質性技術特點和顯著技術效果是
1) 汽車輪轂的塑性成形只需兩道工序，可明顯減少設備和模具投入。
2) 優化了成形工藝，簡化了工序，每一工序的變形程度都很小，在擠壓 工序中，其最大變形程度約為84%，單位變形抗力小於140MPa;在擴口工 序中其壓制力不足2噸，校正力不足20噸，其成形力較現有技術降低很多。
3) 成形壓力的減小，使模具尺寸減小，設備噸位顯著降低，生產成本下降。
4) 製件各部分變形程度均勻，金屬組織晶粒均勻細化，提高了製件的力 學性能。
5) 模具工裝結構簡單，自動化程度高，脫模方便。
6) 採用等溫擠壓，產品尺寸精度和表面精度高，易於成形，材料利用7)本發明提出的汽車輪轂成形方法及裝置，主要用於鎂合金汽車輪轂成 形，也可用於鋁合金汽車輪轂及類似的鋁、鎂合金零件的成形。


圖1是本發明中汽車輪轂的工藝流程圖； 圖2是本發明中擠壓成型模具的結構示意圖； 圖3是本發明中擴口模具的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，圖l中圖a)為制坯工序，圖b)為擠壓工序，圖c)為擴 口工序。圖中，按其使用時的觀看位置，將輪輻上面的輪緣部分稱為前輪緣， 將輪輻下面的輪緣部分稱為後輪緣。汽車輪轂成形方法的工藝流程為制坯 ——擠壓成形輪輻部分並預成形輪輞的前、後輪緣——將預成形件擴口成形 輪輞的前、後輪緣。其主要歩驟如下
1、 輪轂材料選用時效形鑄造或軋制的鎂合金棒材，形號如AZ31B、 AZ61、 AZ91D、 AZ80A等，按要求尺寸採用鋸床下料製成坯料。
2、 按工藝要求對各模具進行加熱，為實現等溫擠壓成形，擠壓成型模 具的加熱溫度和坯料的成形溫度一致為300-42(TC，輪輞擴口模具溫度約為 250 400°C。
3、 將坯料預熱到120 180°C，在其外表面塗潤滑劑後加熱到300 420 'C並保溫。
5、 將加熱好的坯料放入如圖2所示的擠壓成型模具中，壓力機工作， 上凸模101下行，採用正擠壓方式，使坯料產生塑性流動充滿模腔，成形出 輪輻部分並預成形輪輞的前後輪緣部分，上凸模101回程，頂出機構上行， 通過頂出器106將預成形件103頂出脫模。
6、 將預成形件加熱到250 40(TC並保溫。7、 將加熱好的預成形件放入如圖3所示的擴口模具中，頂杆208上行， 推動彎銷機構206使凹模鑲塊沿滑槽向內運動實現合模;頂杆208繼續上行， 並由彎銷機構206帶動下凸模205上行，實現前輪緣的擴口；上凸模201下 行，實現預成形件後輪緣的擴口；上凸模201回程；頂杆208回程，帶動彎 銷機構206及凸模205下行，彎銷機構206帶動凹模鑲塊206向外運動分模， 脫出輪轂成形件。
8、 將成形件進行時效處理、少量後續切削加工和表面處理即得鎂合金 汽車輪轂。
本發明的工藝流程是根據汽車輪轂的結構特點制定的分步成形工藝方 案，便於金屬的流動成形，沒有輪緣處難以充滿的困難，每一工序的變形抗 力都最小，從而可以有效減小模具尺寸和設備噸位。
本發明中與上述方法配套的模具只用二套模具，其為擠壓成形模具和輪 輞擴口模具。
如圖2所示，本發明的擠壓成形模具主要包括上凸模101、下凸模105、 凹模104、頂出器106、頂杆107和下模板108，其中，上凸模IOI、下凸模 105的形狀與所要成形的輪輻結構吻合，下凸模105與凹模104之間形成預 成形輪輞前、後輪緣的半封閉輪緣槽，在後輪緣輪緣槽下方還設置有餘料容 料腔；凹模105與下模板108之間由螺釘連接固定，下凸模105通過凹模104 固定在下模板108上，頂出器106與頂杆107共同組成頂出機構。
在上凸模101和凹模104中鑽孔後插入電加熱棒進行加熱，分別用熱電 偶測控溫度；為了減少熱量損失，凹模104、下凸模105與下模板108之間 以及上凸模101分別設置有保溫棉隔熱層。
根據工藝要求和坯料的形狀特點，本工序主要目的是成形出輪轂的輪輻 部分，並預成形輪輞的前、後輪緣部分。上述的擠壓成型模具在成形時，上 凸模101下行，與下凸模105配合，使輪輻逐步成形，並使金屬不斷向由凸凹模組成的半封閉輪緣槽中流動，預成形出輪輞的前、後輪緣。本工序採用 擠壓成形，為了使金屬充滿模腔並能夠容納一定的多餘金屬，不使最終成形 力太高，根據成形時金屬流動充模順序，將後輪緣模腔適當加長形成餘料容
料腔，使金屬充滿模腔後，多餘金屬流入餘料容料腔中；同時在下凸模105 的外圓周面作出工作帶，以減小摩擦力。該步工序的坯料變形程度約為84 %，單位變形抗力小於140MPa，其擠壓成形力很低。
如圖3所示，本發明的輪轂擴口模具主要包括上凸模201、下凸模205、 凹模鑲塊206、凹模導板204、彎銷機構207、頂杆208和下模座209，在本 實施例中凹模鑲塊206的數量為4個，4個凹模鑲塊206共同組成分體式凹 模，在凹模導板204上水平設置有導滑槽，各凹模鑲塊206通過該導滑槽滑 動裝配在凹模導板204與下模座209之間；在各凹模鑲塊206上分別開設有 斜面銷孔，彎銷機構207的底座上垂設有與該斜面銷孔滑動配合的彎銷部， 該彎銷部靠近其末端處設置有與斜面銷孔角度相同的傾斜段，在凹模導板 204上還設置有可以鎖緊彎銷機構207上彎銷部末端的卡槽；彎銷機構207 的上下移動通過彎銷部與斜面銷孔的滑動將彎銷機構207的垂直動作傳遞給 凹模鑲塊206變為水平移動，以帶動各凹模鑲塊206沿導滑槽滑動實現分體 式凹模的分合動作，並通過頂杆208與壓力機傳動連接；凹模導板204通過 螺釘固定在下模座209上；下凸模205安裝在下模座209上，並在受到外力 作用下時可以上下移動；上凸模201與分體式凹模的上部配合成形輪輞的後 輪緣，下凸模205與下凸模205及分體式凹模的下部配合成形輪輞的前輪緣； 頂杆208穿過下模座209，並與彎銷機構207傳動連接。
該輪轂的擴口模具主要完成輪輞的最後擴口成形。其採用整體式凸模軸 向加載， 一次完成輪輞前後輪緣部位向外脹形實現擴口成形。將擠壓工序制 成的預成形件放入後，頂杆208帶動彎銷機構207上行，通過彎銷機構207 使凹模鑲塊206合模並由凹模導板204將彎銷機構207鎖緊；頂杆208繼續上行，頂杆208與彎銷機構207在上行接近上死點時，帶動下凸模205上行 實現輪輞前輪緣部分的擴口成形；然後上凸模201下行，實現輪輞後輪緣部 分的擴口成形；在擴口成形後，繼續加壓一會，以對輪轂進行矯形。矯形完 成後，上凸模201回程，頂杆208回程通過彎銷機構207使凹模鑲塊206分 形，並使下凸模205下行回程，最後取出輪轂成形件。
分體式凹模的作用只是防止輪輞擴口時的失穩，受力很小，彎銷機構207 在鎖緊後對凹模鑲塊進行約束，其剛度較大；4分體的分體式凹模橫向開模 行程短，所以凹模尺寸可以較小，在具體應用時，分體式凹模的各凹模鑲塊 也可以使用液壓機構來控制其開合動作。
以上各模具圖中，上凸模和下模座與壓力機間的連接裝置以及模具的加 熱裝置均未畫出。
本發明不僅用於鎂合金汽車輪轂的成形，如果改變溫度條件和熱處理方 式也可以用於鋁合金汽車輪轂的成形或者類似的鋁、鎂合金零件的成形。
ii
權利要求
1、一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法，其特徵在於，該方法是將坯料在等溫條件下採用兩套模具分兩步擠壓成形，第一步，將坯料放入擠壓成型模具中先成形出輪輻部分並同時預成形出輪輞的前、後輪緣部分；第二步，將第一步的預成形件放入擴口模具中將輪輞的前、後輪緣部分擴口成形。
2、 根據權利要求1所述的汽車輪轂的兩步塑性成形方法，其特徵在於， 所述第一步中的坯料的成形溫度為300-420°C，所述擠壓成型模具的溫度與 坯料成形溫度一致。
3、 根據權利要求1所述的汽車輪轂的兩步塑性成形方法，其特徵在於， 所述第二步中的預成形件的成形溫度為250-400°C，所述擴口模具的溫度與 成形溫度一致。
4、 根據權利要求1或3所述的汽車輪轂的兩步塑性成形方法，其特徵 在於，所述擴口模具為雙凸模結構，採用整體式凸模軸向加載方式一次向外 脹形實現預成形件的擴口成形。
5、 一種汽車輪轂的擠壓成型模具，其特徵在於，該模具包括上凸模 (101)、下凸模(105)、凹模(104)、頂出器(106)、頂杆(107)和下 模板(108)，其中，上凸模(101)與下凸模(105)之間組成的模腔形狀 與所要成形的輪輻結構吻合，上凸模(101)和下凸模(105)分別與凹模(104)之間形成預成形輪輞前、後輪緣的半封閉輪緣槽，凹模(105)與下 模板(108)之間由螺釘連接固定，下凸模(105)通過凹模(104)固定在 下模板(108)上，頂出器(106)穿裝在下凸模(105)中並通過頂杆(107)與壓力機頂出裝置連接。
6、 根據權利要求5所述的汽車輪轂的擠壓成型模具，其特徵在於，在 所述半封閉輪緣槽是下部還設置有餘料容料腔。
7、 根據權利要求5或6所述的擠壓成型模具，其特徵在於，在所述上 凸模(101)與凹模(104)中分別設置有電加熱棒裝置並採用熱電偶測控溫度；在所述凹模(104)、下凸模(105)與下模板(108)之間以及上凸模(101) 分別設置有保溫棉隔熱層。
8、 一種汽車輪轂的擴口模具，其特徵在於，所述模具主要包括上凸模 (201)、下凸模(205)、凹模鑲塊(206)、凹模導板(204)、彎銷機構 (207)、頂杆(208)和下模座(209)，所述凹模導板(204)上水平設置有導滑槽，各凹模鑲塊(206)分別通過導滑槽滑動裝配在凹模導板(204) 上並組合成分體式凹模；所述凹模導板(204)通過螺釘固定在下模座(209) 上；下凸模(205)安裝在下模座(209)上並在受到外力作用下時可以上下 移動；所述上凸模(201)與分體式凹模的上部配合形成的模腔與輪輞的後 輪緣部分吻合，所述下凸模(205)與分體式凹模的下部配合形成的模腔與 輪輞的前輪緣部分吻合；頂杆(208)穿過下模座(209)與彎銷機構(207) 連接；彎銷機構(207)通過斜面銷孔帶動凹模鑲塊(206)沿導滑槽滑動實 現分體式凹模的分合動作並通過頂杆(208)與壓力機傳動連接。
9、 根據權利要求8所述的擴口模具，其特徵在於，所述分體式凹模由 至少3個凹模鑲塊(206)組合構成，各凹模鑲塊(206)上分別開設有斜面 銷孔，所述彎銷機構(207)包括底座，底座上垂直設置有分別與各斜面銷 孔滑動配合的彎銷部，該彎銷部靠近其末端處設置有與斜面銷孔角度相同的 傾斜段，在凹模導板(204)上設置有在合模時用於鎖緊彎銷機構(207)的 卡槽。
10、 根據權利要求8所述的擴口模具，其特徵在於，所述頂杆(208) 為雙頭螺紋頂杆，該頂杆(208)的一端旋裝在彎銷機構(207)上，另一端 旋裝在壓力機上。
全文摘要
本發明公開了一種汽車輪轂的兩步塑性成形方法，該方法是將坯料在等溫條件下採用兩套模具分兩步擠壓成形，第一步，將坯料放入擠壓成型模具中採用擠壓方式先成形出輪輻部分並同時預成形出輪輞的前、後輪緣部分；第二步，將預成形件放入擴口模具中將輪輞前、後輪緣部分一次擴口成形。本發明與現有技術比較，具有成形力低、設備投入少、生產成本低和成形質量高等特點。同時，本發明還公開了與上述方法配套的擠壓成型模具和擴口模具。
文檔編號B23P15/00GK101491873SQ20091006433
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者文九巴, 茜 楊, 楊永順, 郭俊卿, 陳拂曉 申請人:河南科技大學