CN114619213A - 一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法 - Google Patents

一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法 Download PDF

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郭世杰
张金虹
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Abstract

本申请提供了一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，包括：组合式轮毂内应力消除工艺、轮辋轮辐合金材料选择、轮辋制作工序和轮辐制作工序。本发明的成型制备方式，具有轻量化效果佳、使用寿命高的特点。轮毂的承力部分轮辋和轮辐均采用合金金属棒经塑性加工变形方式获得，微观组织均为金属合金的变形组织状态，具有晶粒尺寸均匀细小，变形流线均匀，金属本体承载能力强的特点，能够实现轮辋和轮辐结构减薄和轻质化。

Description

一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法
技术领域
本发明涉及轮毂制备领域，具体涉及一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法。
背景技术
轮毂，即轮胎内廓用以支撑轮胎的圆桶形、中心装配在轴上的部件，它作为整车行驶部分的主要承载件，是决定整车性能的最重要的***件。轮毂主要包括轮辋和轮辐两部分结构，轮辋也称轮圈，是在车轮上周边安装和支撑轮胎的部件，轮辐起固定轮辋结构。目前轮毂的成型方式主要有轮辋、轮辐结构一体铸造或锻造成型方式，合金选择以铝合金轮毂和镁合金轮毂为主，主要采用低压铸造整体成型方式或者整体模锻成型，亦或者采用模锻-旋压复合整体成型方式。采用整体成型方式制备的铝合金或镁合金轮毂，轮辋和轮辐必须为同一种合金材料，并且为保证轮辋和轮辐承力部分不出现缺陷，在铸造或锻造变形过程中需要设备对金属提供足够的压力，设备吨位、能耗和投资均较大，且成型模具结构尺寸复杂，导致轮毂产品的制备成本较高。而制备高强度轮毂时，由于合金的变形抗力较大，往往会出现设备吨位或锻旋功率不足而无法满足要求的现象，限制了轻量化合金轮毂的发展。
为解决一体式轮毂成型的弊端，近年来在公开文献及专利中相继报道了轿车和卡车用铝合金轮毂分体式成型的新方式。专利CN106862752A公布了一种轮毂复合成型方法，该方法主要包括轮辋成型、轮辐成型、轮辋与轮辐装配连接三个工序，最后再对装配连接完成的轮毂进行机械精加工和表面处理，但该专利未涉及轮毂整体应力消除工艺与工序，轮辋和轮辐部分在机加工以及连接过程中累积的内应力无法得到有效释放。专利CN106925957A公布了锻造铝合金两片式轿车轮轮辋的加工方法，采用铝棒预锻压、对锻坯进行不对称分割、再进行旋压的方式成型出轮辋结构，但该工艺不可实现轮辋轮辐异种合金选择方式，轮毂整体轻量化也受到限制。专利CN111731031A公开了一种组合式轮毂及轮毂加工方法，包括分体设置的轮辋和轮辐，轮辐在轮辋的基础上浇铸成型，冷却凝固后轮辐与轮辋固定形成一体。但该工艺方式决定了轮辐结构必须采用适合铸造类的合金品种，材料强度较低，轮辐厚度和重量较大。
分体式轮毂成型工艺相比整体式成型具有生产工艺和合金选择灵活的优势，能满足整体式车轮、二片式车轮和三片式车轮的生产需要。但当前分体式轮辋和轮辐成型制备工序较多，且两者采用焊接或铆接方式组合后会造成零件本体和连接部分应力集中，导致轮毂在使用2-3年后往往会发生应力腐蚀现象。对于本领域的技术人员来说，如何降低应力，并且减少轮毂成型制备工序，提高轮毂使用寿命，是目前需要重点解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，具有轻量化效果佳、使用寿命高的特点。
一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，包括：组合式轮毂内应力消除工艺、轮辋轮辐合金材料选择、轮辋制作工序和轮辐制作工序等。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种组合式轻合金轮毂加工方法，包括以下步骤：
A.轮辋、轮辐结构合金材料选择：轮辋和轮辐选择同种轻合金材料或异种轻合金材料；
B.轮辋制作工序：采用凝固冷却速率在50℃/s~200℃/s之间的半连续铸造工艺制备空心圆铸棒，经旋压成型至轮辋结构；
C.轮辐制作工序：采用凝固冷却速率在20℃/s~100℃/s之间的半连续铸造工艺制备实心圆铸棒，经热锻造成型至轮辐结构；
D.轮辋、轮辐连接工序：选择电磁脉冲焊接、搅拌摩擦焊接或者螺钉连接中的一种方式，将轮辋结构和轮辐结构连接成组合式轮毂；
E.内应力消除工序：采用振动时效方式对组合式轮毂进行内应力消除处理，处理时间大于25分钟，振动时效处理后轮毂表面应力值降低至处理前的50%~90%。
优选地，所述步骤E的具体步骤为：采用振动时效方式消除内应力，通过变频激振器对组合式轮毂施加振动处理且时间为50-60分钟，振动时效处理后轮毂表面应力值降低至处理前的40%~70%。
优选地，所述步骤A的具体步骤为：轮辋和轮辐选择同种轻合金材料，选择高强度5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金、6056铝合金、2024铝合金、7075铝合金、7050铝合金、AZ80镁合金、AM60镁合金中的一种；轮辋和轮辐选择异种轻合金材料，即轮毂和轮辐结构分别选择高强度5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金、6056铝合金、2024铝合金、7075铝合金、7050铝合金、AZ80镁合金、ZK60镁合金中的彼此不相同的轻合金材料；从而达到轮毂整体的轻量化效果。
优选地，所述步骤B的具体步骤为：半连续铸造制备的空心圆铸棒，内径大于φ100mm，晶粒尺寸为70-120μm，在空气循环炉内进行均匀化热处理，经水雾喷淋迅速冷却至室温，空心圆铸棒1/2厚度处室温延伸率范围为15%~25%；空心圆铸棒沿垂直铸造方向锯切成环形旋压坯料，将模具和环形旋压坯料放入旋压机中，在旋压轮的强力作用下首先沿环形坯料中心旋压变形出V型坡口，坯料在旋压轮和旋压模具作用下，分别沿V型坡口向上和向下旋压变形成轮辋结构。
优选地，步骤B中涉及的环形旋压成型：当轮辋材料选择5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金中的一种材料时，环形坯料在常温下旋压成轮辋结构；当轮辋材料选择6056铝合金、7075铝合金、7050铝合金、AZ80镁合金、ZK60镁合金中的一种材料时，环形旋压坯料在250℃~480℃热状态下旋压成轮辋结构。
优选地，所述步骤C的具体步骤为：制备的实心圆铸棒微观晶粒尺寸范围为80~160μm；在空气循环炉内进行均匀化热处理，经水雾喷淋迅速冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率范围为10%~25%；将实心圆铸棒沿垂直铸造方向锯切成锻造坯料，采用加热方式下自由锻造成圆饼，经锻造机加工至轮辐形状的成型方式，或者在加热状态下，采用热模锻方式变形至轮辐形状的成型方式制备轮辐结构。
按照产品要求，对完成内应力消除后的组合式轮毂整体进行CNC机加工，然后进行抛光和着色处理，并最终制备成轮毂成品。
本发明的有益效果：
本发明一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，采用轮辋和轮辐分别成型的方式，相比现有加工制备技术，具有以下优点：
第一，本发明制备方***辋和轮辐分别独立变形，组合完成后采用应力消除处理，释放了轮毂在加工变形和连接过程中累积的内应力，不仅可以防止CNC机加工过程中轮毂发生变形造成尺寸超差，而且可以提高轮毂产品的抗应力腐蚀和疲劳性能，显著提高使用寿命。
第二，轮辋和轮辐可选择的轻质合金种类和范围增加，有利于进一步实现轮毂的轻量化，可制备出重量仅为钢制轮毂的1/4~1/3、比常规铝轮毂再轻10%~15%的轻质轮毂。
第三，本发明的成型制备方式，轮毂的承力部分轮辋和轮辐均采用合金金属棒经塑性加工变形方式获得，微观组织均为金属合金的变形组织状态，具有晶粒尺寸均匀细小，变形流线均匀，金属本体承载能力强的特点，能够实现轮辋和轮辐结构减薄和轻质化。
附图说明
图1为本发明铝合金轮毂结构示意图；
图2为本发明制备工艺方法流程图；
图3为轮辋结构制备工艺流程图；
图4为轮辐结构制备工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图1-4对本发明进一步解释说明。
实施例1
一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，包括以下步骤：
A.轮辋轮辐合金材料选择：
同种轻合金材料，轮毂和轮辐结构均选择6061铝合金材料制备。
B.轮辋制作工序：
B1.空心圆铸棒制备：采用快速冷却半连续铸造方式制备合金空心圆铸棒，液态金属的凝固冷却速率为60℃/s，合金空心圆铸棒微观晶粒尺寸为90μm；
B2. 均匀化热处理：将空心圆铸棒放置到空气循环炉内加热，进行均匀化热处理，热处理后空心圆铸棒冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率为20%；
B3. 铣面处理：将合金空心圆铸棒内外表面分别进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后空心圆铸棒内、外表面粗糙度Ra为20μm；
B4.旋压成型：将铣面后的空心圆铸棒锯切成环形旋压坯料，将模具和环形坯料放入旋压机中，在旋压轮的强力作用下首先沿环形坯料中心旋压变形出V型坡口，坯料在旋压轮和旋压模具作用下，分别沿V型坡口向上和向下旋压变形成轮辋结构；
B5.固溶和时效处理：按照轮辋选择合金热处理制度要求，将旋压后的轮辋进行550℃条件下保温3h固溶和170℃条件下保温10h峰值时效热处理，固溶过程中淬火转移时间为20s；
B6.整形修复：对轮辋结构进行整形和修复处理，使其满足下一工序要求。
C.轮辐制作工序：
C1.实心圆铸棒制备：采用半连续铸造方式制备合金实心圆铸棒，液态金属的凝固冷却速率为90℃/s，合金棒微观晶粒尺寸为100μm；
C2. 均匀化热处理：将实心圆铸棒放置到空气循环炉内加热，进行均匀化热处理，热处理后实心圆铸棒在冷却室内经水雾喷淋冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率为16%；
C3. 铣面处理：将实心圆铸棒表面进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后实心圆铸棒外表面粗糙度Ra为25μm；
C4.锻造成型：将铣面后的实心圆铸棒锯切成圆柱形锻造坯料，经热模锻方式成型。首先将锻造模具加热至350℃，将实心6061铸棒加热至490℃，在模具约束下6061铸棒经过两次模锻，锻造变形成轮辐坯料；
C5.固溶和时效处理：将锻造后的6061铝合金轮辋进行固溶和时效热处理，固溶温度为560℃，保温时间2h，固溶后淬火转移时间20s。采用T6峰值时效热处理，在170℃下保温6h，然后空冷至室温。
D.轮辋轮辐连接工序：
选择电磁脉冲焊接将分体式轮辋和轮辐结构在连接位置1处（附图1）连接成组合式轮毂整体。
E.组合式轮毂内应力消除工序：
采用振动时效方式对连接完成后的组合式轮毂成品进行内应力消除处理，处理时间为50分钟，振动时效处理前轮毂表面应力值范围为80MPa~130MPa，处理后应力值降低至50MPa~ 90MPa，应力绝对值降低至处理前的30%~55%。
对完成内应力消除后的组合式轮毂整体进行CNC机加工，以及抛光和亮色处理，并最终制备成低应力6061铝合金轮毂成品。
实施例2
一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，包括以下步骤：
A.轮辋轮辐合金材料选择：
异种轻合金材料，轮毂选择6061合金材料，轮辐选择6056合金材料制备。
B.轮辋制作工序：
B1.空心圆铸棒制备：采用快速冷却半连续铸造方式制备合金空心圆铸棒，液态金属的凝固冷却速率为60℃/s，合金空心圆铸棒微观晶粒尺寸为70μm；
B2. 均匀化热处理：将6061铝合金空心圆铸棒放置到空气循环炉内加热，在560℃保温10h进行均匀化热处理，均热后采用水雾冷却方式将空心圆铸棒冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率达到16%；
B3. 铣面处理：将6061铝合金空心圆铸棒内外表面分别进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后空心圆铸棒内、外表面粗糙度Ra为40μm；
B4.旋压成型：将铣面后的6061空心圆铸棒锯切成环形旋压坯料，将模具和环形坯料放入旋压机中，在旋压轮的强力作用下首先沿环形坯料中心旋压变形出V型坡口，坯料在旋压轮和旋压模具作用下，分别沿V型坡口向上和向下旋压变形成轮辋结构，在常温下旋压成轮辋结构；
B5.固溶和时效处理：旋压成型后的6061轮辋进行固溶和时效热处理，固溶温度为560℃，保温时间2h，固溶后淬火转移时间20s。采用T6峰值时效热处理，时效制度为在170℃下保温10h，然后空冷至室温；
B6.整形修复：对热处理后的6061合金轮辋结构进行整形和修复处理，使其满足下一工序要求。
C.轮辐制作工序：
C1.实心圆铸棒制备：采用半连续铸造方式制备6056铝合金实心圆铸棒，液态金属的凝固冷却速率为100℃/s，合金棒微观晶粒尺寸为150μm；
C2. 均匀化热处理：将6056合金实心圆铸棒放置到空气循环炉内加热，进行均匀化热处理，热处理后采用水雾方式冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率为13%；
C3. 铣面处理：将合金实心圆铸棒表面进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后实心圆铸棒外表面粗糙度Ra为30μm；
C4.锻造成型：将铣面后的6056铝合金实心圆铸棒锯切成圆柱形锻造坯料，采用模锻成型工艺锻造成轮辐结构。首先将锻造模具加热至360℃，将实心6056铸棒加热至470℃，在模具约束下6056实心圆铸棒经过两次模锻，锻造变形成轮辐结构坯料；
C5.固溶和时效处理：将6061合金轮辋和6056合金轮辐分别进行固溶和时效热处理，6061合金轮辋的热处理制度为：在560℃条件下保温时间2h后，在20s内淬火至室温。然后在170℃下经保温6h进行时效热处理。6056合金轮辐的热处理制度为：在550℃条件下保温时间2h后，在20s内淬火至室温。然后在160℃下经保温6h进行时效热处理。
D.轮辋轮辐连接工序：
选择搅拌摩擦焊接将分体式6061合金轮辋和6056轮辐结构在连接位置2处连接成组合式轮毂整体。
E.组合式轮毂内应力消除工序：
采用振动时效方式对连接完成后的组合式轮毂成品进行内应力消除处理，处理时间为60分钟。振动时效处理后，采用贴应变片方式检测表明，经振动时效处理前轮毂表面应力值范围为110MPa~180MPa，处理后应力值降低至60MPa~ 90MPa，应力绝对值降低至处理前的40%~50%。
按照图纸要求，对完成内应力消除后的组合式轮毂整体进行CNC精加工，然后进行抛光和金色着色处理，并最终制备成轮毂成品。
实施例3
一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，包括以下步骤：
A.轮辋轮辐合金材料选择：
轮毂选择6082铝合金材料，轮辐选择AZ80镁合金材料。
B.轮辋制作工序：
B1.空心圆铸棒制备：采用快速冷却半连续铸造方式制备6082铝合金空心圆铸棒，液态金属的凝固冷却速率为60℃/s，合金空心圆铸棒微观晶粒尺寸为85μm；
B2. 均匀化热处理：将6082铝合金空心圆铸棒放置到空气循环炉内加热，在550℃保温8h进行均匀化热处理，均热后采用水雾冷却方式将空心圆铸棒冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率达到13%；
B3. 铣面处理：将合金空心圆铸棒内外表面分别进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后空心圆铸棒内、外表面粗糙度Ra为25μm；
B4.旋压成型：将铣面后的空心圆铸棒锯切成环形旋压坯料，将模具和环形坯料放入旋压机中，将环形6082坯料加热至200℃且保温2h后放入旋压机中，在旋压轮的强力作用下首先沿环形坯料中心旋压变形出V型坡口，坯料在旋压轮和旋压模具作用下，分别沿V型坡口向上和向下旋压变形成轮辋结构；
B5.固溶和时效处理：将旋压后的6082轮辋进行固溶和时效热处理，固溶制度为530℃，保温2h后淬火，固溶过程中淬火转移时间为20s。然后经180℃保温6h时效处理后冷却至室温；
B6.整形修复：对6082合金轮辋结构进行整形和修复处理，使其满足下一工序要求。
C.轮辐制作工序：
C1.实心圆铸棒制备：采用半连续铸造方式制备AZ80镁合金实心圆铸棒，浇铸温度为680℃，液态金属的凝固冷却速率为80ºC/s，合金棒微观晶粒尺寸为150μm；
C2. 均匀化热处理：将AZ80实心圆铸棒放置到通入CO2保护气氛的空气循环炉内加热至410℃并保温20h，进行均匀化热处理，热处理后铸棒冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率为13%；
C3. 铣面处理：将AZ80镁合金实心圆铸棒表面进行铣面，消除金属偏析层和表面粗晶层缺陷，铣面后铸棒外表面粗糙度Ra为30μm；
C4.锻造成型：将铣面后的AZ80实心圆铸棒锯切成圆柱形锻造坯料，采用锻造成型方式锻造成轮辐结构，将实心圆铸棒AZ80锻造坯料加热至380℃并保温3h，放入预热至350℃的锻造模腔内，在油压锻造机压力作用下锻造成轮辐锻坯结构；
C5.固溶和时效处理：将锻造后的AZ80镁合金轮辐进行固溶和时效热处理，固溶温度设定410℃，保温时间为3h，固溶后淬火转移时间为25s。固溶完成后经过170℃条件下5h时效热处理达到峰值性能。
D.轮辋和轮辐连接工序：
选择螺钉连接将分体式6082轮辋和AZ80轮辐结构在连接位置1处连接成组合式轮毂整体。
E.组合式轮毂内应力消除工序：
采用振动时效方式对连接完成后的组合式轮毂成品进行内应力消除处理，处理时间为50分钟，振动时效处理前轮毂表面应力值范围为90MPa~150MPa，处理后应力值降低至60MPa~ 90MPa，应力绝对值降低至处理前的35%~45%。
对完成内应力消除后的轮毂整体进行CNC机加工，然后分别进行粗抛光和水磨精抛，然后进行亮蓝色着色处理，并最终制备成轮毂成品。

Claims (6)

1.一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.轮辋、轮辐结构合金材料选择：轮辋和轮辐选择同种轻合金材料或异种轻合金材料；
步骤B.轮辋制作工序：采用凝固冷却速率在50℃/s~200℃/s之间的半连续铸造工艺制备空心圆铸棒，经旋压成型至轮辋结构；
步骤C.轮辐制作工序：采用凝固冷却速率在20℃/s~100℃/s之间的半连续铸造工艺制备实心圆铸棒，经热锻造成型至轮辐结构；
步骤D.轮辋、轮辐连接工序：选择电磁脉冲焊接、搅拌摩擦焊接或者螺钉连接中的一种方式，将轮辋结构和轮辐结构连接成组合式轮毂成品；
步骤E.内应力消除工序：采用振动时效方式对组合式轮毂成品进行内应力消除处理，处理时间大于25分钟，振动时效处理后轮毂表面应力值降低至处理前的50%~90%。
2.根据权利要求1所述的一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，所述步骤E的具体步骤为：采用振动时效方式消除内应力，通过变频激振器对轮毂施加振动处理且时间为50-60分钟，振动时效处理后轮毂表面应力值降低至处理前的40%~70%。
3.根据权利要求1所述的一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，所述步骤A的具体步骤为：轮辋和轮辐选择同种轻合金材料，选择高强度5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金、6056铝合金、2024铝合金、7075铝合金，7050铝合金，AZ80镁合金，AM60镁合金中的一种；轮辋和轮辐选择异种轻合金材料，即轮毂和轮辐结构分别选择高强度5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金、6056铝合金、2024铝合金、7075铝合金、7050铝合金、AZ80镁合金、ZK60镁合金中的彼此不相同的轻合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，所述步骤B的具体步骤为：半连续铸造工艺制备的空心圆铸棒，内径大于φ100mm，晶粒尺寸为70-120μm，在空气循环炉内进行均匀化热处理，经水雾喷淋冷却至室温，空心圆铸棒1/2厚度处室温延伸率的范围为15%~25%；空心圆铸棒沿垂直铸造方向锯切成环形旋压坯料，将模具和环形旋压坯料放入旋压机中，在旋压轮的强力作用下首先沿环形坯料中心旋压变形出V型坡口，坯料在旋压轮和旋压模具作用下，分别沿V型坡口向上和向下旋压变形成轮辋结构。
5.据权利要求4所述的一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，步骤B中的环形旋压的温度为：轮辋材料选择5083铝合金、6061铝合金、6082铝合金中的一种材料时，环形坯料在常温下旋压成轮辋结构；轮辋材料选择6056铝合金、7075铝合金、7050铝合金、AZ80镁合金、ZK60镁合金中的一种材料时，环形旋压坯料在350℃~480℃热状态下旋压成轮辋结构。
6.根据权利要求1所述的一种低应力组合式轻合金轮毂加工方法，其特征在于，所述步骤C的具体步骤为：制备的实心圆铸棒微观晶粒尺寸范围为80~160μm；在空气循环炉内进行均匀化热处理，经水雾喷淋冷却至室温，1/2厚度处合金室温延伸率范围为10%~25%；将实心圆铸棒沿垂直铸造方向锯切成锻造坯料，采用加热方式下自由锻造成圆饼，经锻造机加工成轮辐形状的成型方式，或者在加热状态下采用模锻方式变形至轮辐形状的成型方式制备轮辐结构。
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