汽車輪轂旋壓成形工藝研究

趙玉霞，孫華雨，方雷

汽車輪轂旋壓成形工藝研究

趙玉霞，孫華雨，方雷

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 新鄭 451191）

優(yōu)化汽車輪轂旋壓成形過(guò)程中的工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)了四因素四水平正交試驗(yàn)，研究了摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)第1道次和第2道次試樣壁厚比值的影響。在第1道次中，進(jìn)給率對(duì)壁厚比值影響最大，其次是摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)壁厚比值影響較小。在第2道次中，摩擦因數(shù)對(duì)壁厚比值影響最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最后為旋輪圓角半徑和進(jìn)給率。第1道次最優(yōu)工藝組合為4431，即摩擦因數(shù)為0.4，旋輪圓角半徑為25 mm，進(jìn)給率為0.7 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為150 r/min；第2道次最優(yōu)工藝組合為2243，即摩擦因數(shù)為0.2，旋輪圓角半徑為8 mm，進(jìn)給率為1.4 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min。所制備的輪轂在0°、90°、180°、270°等4個(gè)位置測(cè)得的屈服強(qiáng)度相近、抗拉強(qiáng)度也相近，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的均值分別為213 MPa和263 MPa，說(shuō)明所制備的輪轂在4個(gè)角度位置具有較優(yōu)的力學(xué)性能均勻性。

旋壓成形；汽車輪轂；壁厚比值；摩擦因數(shù)；旋輪圓角半徑；進(jìn)給率；主軸轉(zhuǎn)速

汽車輪轂作為承載著全車重量的重要組件，在汽車行進(jìn)的過(guò)程中，兼具傳遞動(dòng)力、減震等作用，其性能的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到汽車的安全性、舒適性、使用壽命和外觀等[1-2]。隨著我國(guó)科技水平和制造業(yè)水平的協(xié)同發(fā)展，現(xiàn)階段的汽車輕量化設(shè)計(jì)引起了廠商和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注[3-4]，鋁合金作為一種輕質(zhì)、強(qiáng)度高、散熱性優(yōu)的材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材廣泛應(yīng)用于汽車輪轂的制造中，成為了高端汽車的標(biāo)志。輪轂的制造方法主要有鑄造法、鍛造法和旋壓法[5-8]，其中旋壓法[9-12]是在特定壓力和溫度下，通過(guò)持續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)和擠壓運(yùn)動(dòng)，將輪轂的輪輞結(jié)構(gòu)不斷滾壓延展，通過(guò)旋輪運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)受力點(diǎn)均勻分布的一種成形加工技術(shù)，在加工過(guò)程中，保持了金屬內(nèi)部纖維的連續(xù)和完整性。基于旋壓法所制備的試樣具有抗疲勞性能優(yōu)、抗拉強(qiáng)度和硬度高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)旋壓模更換可以制備出不同規(guī)格的輪轂。

曹振等[13]基于強(qiáng)力旋壓技術(shù)對(duì)AZ80鎂合金材質(zhì)輪轂進(jìn)行減薄，研究了旋壓溫度、進(jìn)給比和壁厚減薄率對(duì)輪轂性能的影響，研究表明，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相較于鑄態(tài)組織均有超過(guò)150%的提升。姬廣欣等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，提出了鑄旋鋁合金輪轂毛坯的設(shè)計(jì)流程，確定了設(shè)計(jì)前后的體積比為（1.03±0.1）︰1，并制定了造型設(shè)計(jì)規(guī)范。宋鴻武等[15]介紹了鋁合金輪轂的鑄旋成形新技術(shù)，分析了鑄旋工藝在鋁合金輪轂輕量化中的作用，采用鑄旋工藝生產(chǎn)可減重5%～15%。唐季平等[16]采用有限元軟件模擬了曲軸輪轂多道次旋壓成形過(guò)程，研究表明，增加旋壓成形道次可以增大板坯金屬變形區(qū)域和等效應(yīng)力分布的均勻性。徐世文等[17]以某款車輪旋壓模具為研究對(duì)象，對(duì)改進(jìn)后的模具進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模具能夠滿足不同鑄造毛坯的旋壓，且控制上模壓力在4.5 MPa內(nèi)。胡強(qiáng)等[18]通過(guò)旋壓成形數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)旋壓首道次壓下率為40%時(shí)，輪輞壁厚較均勻，坯料隆起高度較小，材料貼模性較好，2個(gè)旋輪所受壓力較穩(wěn)定，沿輪輞厚度方向變形較大且均勻。

文中采用四因素四水平的正交試驗(yàn)方法，以鋁合金材質(zhì)的輪轂為研究對(duì)象，對(duì)其旋壓成形工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。在正交試驗(yàn)中，以旋壓工藝中第1道次和第2道次過(guò)程中的摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速為因素，以輪轂壁厚比值作為考核指標(biāo)，最終獲得了2個(gè)道次的最優(yōu)工藝組合方案。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

使用的原材料為6061鋁合金，為Al–Mg–Si系鋁合金，其物理和力學(xué)性能基本信息如下：密度為2.75 g/cm3，熔點(diǎn)為580～650 ℃，彈性模量為67.8 GPa，抗拉強(qiáng)度為125 MPa，屈服強(qiáng)度為54.1 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為24.5%。6061鋁合金是目前商用鋁合金輪轂中最常見(jiàn)的材料。

1.2 試樣

文中目標(biāo)產(chǎn)品為汽車輪轂，如圖1所示，成形采用鍛造–旋壓相結(jié)合的方式，旋壓工藝部分采用強(qiáng)力旋壓–普通旋壓2道次相結(jié)合的方式，其中強(qiáng)力旋壓完成輪輞的壁厚減薄和長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，普通旋壓作為補(bǔ)充，主要完成輪輞成形工作，獲得所要求的形狀。所研究的汽車輪轂直徑為566 mm，輪輞部分的厚度為10 mm。以輪轂壁厚比值（定義為成形后輪輞不同區(qū)域厚度的比值）作為考核指標(biāo)[19]，用以衡量所制備試樣成形質(zhì)量的優(yōu)劣，比值越低（趨近于1），成形試樣的壁厚均勻性越高，成形質(zhì)量越優(yōu)。

圖1 汽車輪轂結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用SPSS軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，根據(jù)6061鋁合金材料物理特性、旋壓成形工藝原理和已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)四因素四水平試驗(yàn)表，如表1所示。文中采用的旋壓工藝包含第1道次和第2道次，2道次均采用正交試驗(yàn)法。四因素分別為摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)分析

表2為基于SPSS軟件生成的關(guān)于第1道次和第2道次的因素水平試驗(yàn)表和對(duì)應(yīng)結(jié)果，可以看出，單道次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了16組。采用極差法研究各個(gè)因素對(duì)壁厚比值的影響顯著性，其中極差是指某一因素在不同水平下試驗(yàn)結(jié)果的最大均值與最小均值之差，各因素對(duì)指標(biāo)的影響顯著性可通過(guò)極差來(lái)反映，極差越大，該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。研究四因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析情況，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

Tab.1 Factor level of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

Tab.2 Orthogonal experimental design and results

表3 極差統(tǒng)計(jì)表

Tab.3 Range statistics

分析表3中的極差數(shù)值可知，在第1道次中，進(jìn)給率的極差最大，說(shuō)明進(jìn)給率對(duì)壁厚比值的影響最大，其次是摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑，二者的極差較相近，主軸轉(zhuǎn)速的極差最小，說(shuō)明它對(duì)壁厚比值的影響較小。結(jié)合各因素的均值進(jìn)一步分析可知，在第1道次中，使壁厚比值最小的旋壓工藝組合為4431，即摩擦因數(shù)為0.4，旋輪圓角半徑為25 mm，進(jìn)給率為0.7 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為150 r/min。在第2道次中，摩擦因數(shù)的極差最大，說(shuō)明它對(duì)壁厚比值的影響最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最后為旋輪圓角半徑和進(jìn)給率，同樣結(jié)合各因素的均值進(jìn)一步分析可知，在第2道次中，使壁厚比值最小的旋壓工藝組合為2243，即摩擦因數(shù)為0.2，旋輪圓角半徑為8 mm，進(jìn)給率為1.4 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min。

圖2和圖3分別為不同因素取值對(duì)第1道次和第2道次成形的試樣壁厚比值的影響趨勢(shì)。在多道次旋壓過(guò)程中，摩擦因數(shù)過(guò)大會(huì)引起試樣表面粗糙，而摩擦因數(shù)過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致試樣在成形過(guò)程中出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，不利于試樣成形。從圖2a和圖3a可以看到，文中第1、2道次的摩擦因數(shù)最優(yōu)值分別為0.4和0.2。當(dāng)旋輪圓角半徑增大時(shí)，旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡重疊部分將隨之增大，從而降低了試樣的表面粗糙度，但是隨著半徑的增加，旋壓力也對(duì)應(yīng)增加，但增加值過(guò)大容易引起試樣產(chǎn)生擴(kuò)徑、起皺等問(wèn)題。進(jìn)給率是指模具旋轉(zhuǎn)一周時(shí)旋輪的進(jìn)給位移，一般在滿足成形要求的前提下，進(jìn)給率的取值應(yīng)盡量大一些，但過(guò)大的進(jìn)給率會(huì)降低試樣的表面質(zhì)量，在第1道次中，進(jìn)給率的最優(yōu)值為0.7 mm/r，在第2道次中，進(jìn)給率的最優(yōu)值為1.4 mm/r。主軸轉(zhuǎn)速提高過(guò)大易造成設(shè)備震動(dòng)，使試樣的表面粗糙度下降，比較均值可知，第1、2道次主軸轉(zhuǎn)速的最優(yōu)值分別為150 r/min和210 r/min。

圖2 第1道次各因素對(duì)壁厚比值的影響

圖3 第2道次各因素對(duì)壁厚比值的影響

2.2 輪轂力學(xué)性能分析

基于最優(yōu)工藝組合，采用旋壓工藝制備的汽車輪轂實(shí)物見(jiàn)圖4，實(shí)際制備流程如圖5所示，在完成輪轂制備后，基于輪轂沖擊試驗(yàn)進(jìn)行屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能測(cè)試和分析，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 15704—1995，設(shè)置測(cè)試位置分別取0°、90°、180°、270°等4個(gè)角度，試驗(yàn)中沖擊擺錘放置于輪轂正上方，在沖擊過(guò)程中，錘頭以自由落體方式下落并沖擊輪轂。表4為不同輪轂位置處的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)情況，可以看出，4個(gè)位置處的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較為接近，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均值分別為213 MPa和263 MPa，說(shuō)明所制備的輪轂在4個(gè)角度位置具有較優(yōu)的力學(xué)性能均勻性。

表4 輪轂不同位置處力學(xué)性能

Tab.4 Mechanical properties at different positions of wheel hub

圖4 采用旋壓工藝進(jìn)行汽車輪轂制備實(shí)物

圖5 輪轂實(shí)際制備流程

3 結(jié)論

以汽車輪轂作為研究對(duì)象，采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行四因素四水平試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)旋壓工藝的第1道次和第2道次實(shí)現(xiàn)輪轂的制備，將壁厚比值作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行考核，通過(guò)均值和極差分析四因素（摩擦因數(shù)、旋輪圓角半徑、進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速）正交試驗(yàn)。最終獲得第1道次最優(yōu)工藝組合為4431，即摩擦因數(shù)為0.4，旋輪圓角半徑為25 mm，進(jìn)給率為0.7 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為150 r/min；第2道次最優(yōu)工藝組合為224D3，即摩擦因數(shù)為0.2，旋輪圓角半徑為8 mm，進(jìn)給率為1.4 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min。在力學(xué)性能試驗(yàn)部分，所制備的輪轂在不同位置處測(cè)得的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相差不大，說(shuō)明所制備的輪轂具有較優(yōu)的力學(xué)性能均勻性。

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Spinning Forming Technology of Automobile Wheel Hub

ZHAO Yu-xia, SUN Hua-yu, FANG Lei

(Henan Vocational College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Xinzheng 451191, China)

The work aims to optimize the technological parameters of automobile wheel hub during spinning forming. Four-factor and four-level orthogonal experiment was designed to study the effects of friction coefficient, wheel fillet radius, feed rate, and spindle speed on the wall thickness ratio of the first pass and the second pass. In the first pass, the feed rate range had the greatest effects on the wall thickness ratio, followed by the friction coefficient and the wheel fillet radius. The spindle speed range was the smallest, and had little effect on the wall thickness ratio. In the second pass, the friction coefficient had the greatest effects on the wall thickness ratio, followed by the spindle speed, and finally the wheel fillet radius and feed rate. The optimal process combination of the first pass is4431, that is, the friction coefficient is 0.4, the wheel fillet radius is 25 mm, the feed rate is 0.7 mm/r, and the spindle speed is 150 r/min. The optimal process combination of the second pass is2243, that is, the friction coefficient is 0.2, the wheel fillet radius is 8 mm, the feed rate is 1.4 mm/r, and the spindle speed is 210 r/min. The yield strength and tensile strength of the prepared hub measured at four positions of 0°, 90°, 180° and 270° are similar, respectively, and the mean values correspond to 213 MPa and 263 MPa, indicating that the prepared wheel hub has good mechanical performance uniformity at four positions.

spinning forming; automobile wheel hub; wall thickness ratio; friction coefficient; wheel fillet radius; feed rate; spindle speed

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.017

TG306

A

1674-6457(2022)07-0124-06

2021–07–21

趙玉霞（1986—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)檐囕v工程。

責(zé)任編輯：蔣紅晨