KC9.0-22.5輪轂擠壓成形工藝及模具設(shè)計

吳立波　趙松杰

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，河北 邯鄲 056005)

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KC9.0-22.5輪轂擠壓成形工藝及模具設(shè)計

吳立波趙松杰

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，河北 邯鄲 056005)

汽車輪轂是一個承受隨機疲勞載荷的零件，結(jié)構(gòu)及受力情況復(fù)雜，載重車輪轂一般采用鋼制材料，輪轂的輕量化研究符合節(jié)能與綠色發(fā)展要求，以KC9.0-22.5為研究對象，研究并開發(fā)了高韌性和高強度的鋁合金輪轂多步成形方法及配套模具。

輪轂；擠壓成形；模具

1 引言

輪轂是一個承受隨機疲勞載荷的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)，大輪轂往往開有孔洞，附有加強筋。輪轂是汽車最關(guān)鍵的零件之一，在行駛中承受到各種變化載荷。汽車輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要方向，能夠節(jié)能降耗，減少廢氣排放，提高駕駛舒適度和車輛動力學(xué)性能，目前應(yīng)用于汽車輪轂的材料主要是鋁合金和鎂合金。汽車輕量化實質(zhì)上就是零部件輕量化，采用鍛造鋁合金輪轂，可以很大程度減輕車的自重。比如，一輛拖掛40噸的重卡和半掛車運輸系統(tǒng)，一共有22個輪轂，加上前后備胎共有24個。以目前我們經(jīng)常用的鋼質(zhì)輪轂計算，如果換成鍛造鋁合金輪轂，重量可減輕近600kg。不僅如此，由于鋁合金材料具有散熱好和防止輪胎橡膠老化的特點，裝上鍛造鋁合金輪轂的卡車、客車、掛車可節(jié)省26%的輪胎消耗。由此可見，節(jié)能減排的效果多么明顯?，F(xiàn)如今，鍛造鋁合金輪轂已在美國和加拿大得到普及。但在我國，對于大直徑載重車鋁合金輪轂，由于成型工藝復(fù)雜，且制造成本較高，一直難以廣泛推廣應(yīng)用。

2 成形工藝分析

以KC9.0-22.5載重車輪轂為研究對象，如圖1所示，該輪轂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孔多壁薄，考慮成形的形變，單側(cè)預(yù)留2mm的機械加工量，輪轂凸臺內(nèi)側(cè)要求與車軸有良好的貼合及較嚴格的垂直度，預(yù)留3mm的機械加工量。去除螺栓孔及工藝孔等，求得擠壓件圖，如圖2所示，以該擠壓件為研究對象，研究該鋁合金輪轂分級擠壓成型工藝及模具。

3 確定成形工藝方案

鋁合金塑形狀態(tài)溫度為450℃。考慮鋁合金對于溫度變化敏感，當溫度降低時，材料易出現(xiàn)裂紋，甚至開裂，該載重車輪轂的底部由于有較復(fù)雜的外形，凸臺及倒角較多，成形較難，難以保證凸臺及倒角的成形精度。優(yōu)化成形工藝及模具，采用多步成形，既可避免輪轂一次成形材料變形量大而形成的開裂，又能保證精度對于成形的要求。

以鋁合金棒料為原材料，分析采用如下成形工藝：壓平—反擠壓—沖孔—頭拉伸—底拉伸—底擴口—底翻邊—凸臺成形—頭擴口—頭成形，分十個步驟完成。該成形過程中，由于每次成形量少，可以保證材料成形充分。由于鋁合金對于溫度較為敏感，且塑形能力受溫度影響較大，成形過程需要反復(fù)加熱，一次加熱可以完成兩次到三次成形過程，批量生產(chǎn)，模具需要在生產(chǎn)前進行加熱，加熱溫度400℃，形成鋁合金等溫成形環(huán)境，保證工件良好的塑性，確保精度。

4 模具設(shè)計

模具設(shè)計如圖3所示，此套模具，具有相似的模架結(jié)構(gòu)，每套模具基本由上下模板、上下墊板、頂料桿、頂料板、打料板、芯模等組成，互換性較強。導(dǎo)向借助壓力機滑軌，為很好的控制壁厚差，需要在每次裝卡模具前，進行壁厚差測量。

下料通過壓平模擠壓棒料，使其直徑增大，厚度減小。反擠壓初步形成筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑φ520，高度210mm。擠壓結(jié)束后，將工件倒置放入沖孔模具中，由于沖孔模具的凹模中有芯模作為內(nèi)撐，可防止筒體變形，凸模依靠滑塊作用力下行，擠壓芯模和頂出缸下行，在凸模和芯模的雙重作用力下，沖孔去除底部，刃口平整，工件由杯形件變?yōu)橥搀w件。頭拉伸模擠壓將使內(nèi)徑進一步增大，壁厚減薄，使筒體伸長達到內(nèi)徑φ846，壁厚24mm。底拉伸模用于反擠壓輪轂底部，需要芯模做輪轂頭部的支撐，防止底成形時頭部的變形，底部拉伸后，形成輪轂筒體件。底拉伸模去除打料板，放置底擴口凸模，用于底擴口成形。去除底擴口模，更換底翻邊模，不需固定翻邊凸模，滑塊下行，底部翻邊。將翻邊后的工件裝入凸臺成形模中，借助凸臺芯模及凸模的雙重作用力，拉伸底部的凸臺，使其達到尺寸要求，至此，底部成形結(jié)束。在頭擴口成形中，由于底部已成形完畢，為使其很好脫模，側(cè)向凹模設(shè)置成兩半結(jié)構(gòu)，在擠壓成形時，將側(cè)向凹模與工件一起裝入凹模中，側(cè)向凹模與頂料板可防止工件底部的變形。頭擴口成形完后，更換頭成形模，使輪轂頭部翻邊，完成擠壓加工。

此套模具成形時，凸模下行與坯料的內(nèi)壁接觸，可起到定位作用。隨著凸模繼續(xù)推進，凸模與坯料接觸，對坯料進行鐓-擠成形。成形加工結(jié)束，在壓力機頂出缸的作用下，推動頂板，頂板通過兩個頂出桿作用于頂料板上，頂料作用力均衡。在反擠壓、沖孔、頭拉伸、底拉伸等成形中，為防止工件抱在凸模上，要在模具上設(shè)置打料裝置。

成形中，為保證坯料良好的金屬流動特性，使工件充分成形，需要在凸模及凹模上采用合適的圓角半徑。擴口成形中，采用45°的斜度，翻邊成形圓角為R10，為避免縮頸問題，成形中選用石墨+潤滑脂混合潤滑，保證高溫下的潤滑特性，便于脫模，避免粘模現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)KC9.0-22.5輪轂外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鋁合金多步驟成形方法，成形精度高，能夠保證輪轂外形尺寸及表面特性；

(2)一次加熱可成型3～4步，將模具與工件加熱至相同的溫度，形成等溫成形環(huán)境；

(3)底擴口、底翻邊、凸臺成形等有相同的模具結(jié)構(gòu)及模架，減少模具制造費用；

(4)KC9.0-22.5鋁合金輪轂多步驟成形方法批量生產(chǎn)，制造成本低，具有很高的推廣價值，對載重車輕量化研究具有重要的實踐意義。

[1] 賴華清，范宏訓(xùn). 汽車鋁合金輪轂的成形工藝[J].金屬成形工藝，2002，(06)

[2] 蔣鵬，賀小毛.鑄造鍛造技術(shù)在鋁合金輪轂成形中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，1999，(05)

[3] 高樹增. 6351鋁合金擠壓制品工藝研究[J]. 輕合金加工技術(shù)，1998，(07)

[4] 張海渠，馬桂艷，宋鴻武，張士宏.鋁合金輪轂成形工藝的應(yīng)用與研究進展[J].沈陽大學(xué)學(xué)報，2011，(04)

[5] 周惦武,劉金水,肖鋒,肖新民.鋁合金擠壓型材工藝及在汽車中的應(yīng)用[J].金屬成形工藝，2004，(01)

[責任編校：張彩紅]

2016-02-28

本文系2013年邯鄲市科技計劃項目“LC4鋁合金大輪輞等溫分級擠壓成形工藝及模具優(yōu)化研究”(項目編號：1321102075)研究成果。

吳立波，男，河北邯鄲人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系副教授。

TG376

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1009-5462(2016)01-0050-03