某款车轮的旋压模具的结构优化设计

　　摘要：目的 保证铸旋车轮短流程制造工艺的实现, 提高旋压模具与同一轮型不同铸造毛坯的配合能力, 防止因旋压后毛坯尺寸变化过大, 造成车轮机加成品率下降的现象。方法 以某款车轮旋压模具为研究对象, 对其旋压模具结构进行重新设计, 增加定位滑块、垫板等设计, 提高毛坯与模具的定位与配合, 增强模具对毛坯的自适应性。结果 对改进后的旋压模具进行试验验证, 新结构的旋压模具能够满足不同铸造毛坯的旋压, 且控制上模压力在4.5 MPa内, 毛坯尺寸合格, 性能无影响。结论 该旋压模具设计的方法已经应用到了其他铸旋车轮的设计中。

　　关键词：铸旋车轮; 旋压模具; 设计;

　　Abstract：The paper aims to ensure the realization of short manufacturing process for spin casting wheels, improve the matching ability of spinning die and different casting blanks of the same type, prevent large size change of blanks after spinning and reduce of finished product. A certain type of wheel spinning die was taken as the research object. Structure of the spinning die was redesigned; positioning slider, cushion, etc. are added to improve the positioning and coordination of blank and die and to enhance the self adaptability of the mold to blanks. The improved spinning die was tested and verified. The spinning die of new structure could meet spinning of different casting blanks. The blank size was qualified and the performance had no effect when the upper mold pressure was lower than 4.5 MPa. The method of design of spinning die has been applied to design of other spin casting aluminum alloy wheels.

　　Keyword：spin casting wheel; spinning die; design;

　　铸造+旋压铝合金车轮 (简称“铸旋车轮”) 的内部组织均匀、流线成纤维状, 其性能大大高于低压铸造车轮, 能够满足车轮市场大直径、高强度、轻量化的发展趋势, 已在轿车中得到应用[1]。

　　为了节省制造成本、缩短制造流程, 目前铸旋工艺的应用已经取消了预机加工, 毛坯与旋压模具的配合主要采用了铸造封层定位[2]。为了生产节拍的匹配, 一般是多套铸造模具毛坯匹配一台旋压模具。由于铸造模具的制造精度及车轮生产过程中产生的磨损, 会造成铸造毛坯的定位内径出现偏差, 尺寸变化不完全一致, 同时, 旋压模具在生产过程中也会出现磨损, 造成同款轮型不同铸造模具的毛坯与旋压模具的配合、定位不精确, 使得旋压后的毛坯出现变形和尺寸变化不一致, 造成了机加工序的废品, 直接影响了铸旋产品的成品率。

　　为了防止旋压后毛坯变形和尺寸出现变化, 就必须保证铸造毛坯和旋压模具的有效配合。即对同款不同铸造模具的毛坯与旋压模具, 在定位、配合、尺寸要求等方面要进行有效控制, 而单方面控制铸造毛坯内径有一定的困难。

　　文献[3—4]主要从旋压模具的膨胀系数和模具特殊结构方面进行了设计, 文献[5—15]主要研究的内容均为铝合金车轮或镁合金车轮的低压铸造模具或挤压模具的设计、制造和材料等方面, 并未考虑旋压模具适应于不同的铸造毛坯。本项目以某款车轮的旋压模具为研究对象, 对其进行了结构优化设计。

　　1、模具设计

　　目前采用的旋压模具总装图见图1。旋压模具主要由旋压上模、下模退料器、下模组成, 铸造毛坯与下模退料器和下模接触, 由上模压实。短粗的轮辋部位在辊轮的作用下变为细长且组织性能较好的旋压轮辋。

　　生产过程中铸造毛坯与下模的配合位置见图1, 此处的毛坯内径尺寸c必须控制在一定范围内才能保证毛坯与下模的有效配合。若该配合位置尺寸不能满足毛坯与下模的配合要求, 会造成旋压毛坯变形, 端面到螺栓孔尺寸a和轮辋宽度尺寸b变化较大, 严重影响了机加工的成品率。毛坯内径尺寸c完全由铸造工序保证, 而不同铸造模具生产的同款毛坯内径尺寸c不能保证完全一致, 所以造成配合位置的尺寸得不到保证。

图1 旧旋压模具总装

　　为了使毛坯和下模有更好的配合, 对旋压模具进行了优化设计, 改进后的旋压模具总装图纸见图2, 改进后的新模具实物见图3。

图2 改进后旋压模具总装

图3 模具实物

　　改进后的旋压模具将下模退料器分为定位滑块、导向块和垫板3部分。定位滑块的下部和下模上部均设置弹簧安装孔, 两者通过弹簧连接。定位滑块主要起定位和配合作用, 同时也起到对胚料的顶出作用。垫板上安装导向块, 定位滑块在导向块的导向作用下能够顺利滑动。

　　实际生产中, 机械手将高温的铸造毛坯放置于定位滑块上, 铸造毛坯在上模的压力下, 沿轴向往下运动。定位滑块在毛坯的作用下沿导向块做轴向和径向运动, 定位滑块运动过程中能够实现铸造毛坯在旋压模具上定位, 同时定位滑块运动到合适位置与毛坯内径进行接触, 毛坯与模具贴合, 实现了毛坯在定位滑块配合位置的内撑涨紧功能, 保证了旋压模具对不同毛坯的自适应。

　　2、试验

　　2.1、外观检测

　　该款铸旋车轮旋压后的毛坯见图4。经过旋压后的毛坯, 在两个定位动滑块之间挤入了金属, 说明了滑块对毛坯的内撑效果较好, 毛坯在旋压过程中没有发生旋转, 也证明了该设计的旋压模具能够对内径不同的铸造毛坯进行自适应。

图4 试验后旋压毛坯

　　2.2、性能检测

　　对旋压后车轮成品进行力学性能检测, 并与旧旋压模具旋后车轮成品性能进行了对比, 对比结果见表1。可以看出, 经过两种不同结构的旋压模具旋压后, 车轮成品的力学性能差别不大, 均能满足车轮的产品标准。

表1 力学性能对比

　　2.3、尺寸检测

　　对旋压后毛坯尺寸进行了测量, 轮辋宽度尺寸测量对比见图5。可以看出, 随着上模压力的增加, 轮辋宽度尺寸逐渐减小。这是由于毛坯在辊轮的作用下, 车轮外缘势必沿轴线方向往下变化。当上模压力大于4.5 MPa时, 其尺寸超差0.5 mm以上, 会造成机加工序出现废品, 也会增加设计时的加工余量。

图5 轮辋宽度尺寸随压力的变化情况

图6 螺栓孔尺寸随压力的变化情况

　　端面到螺栓孔的尺寸随上模压力变化的曲线见图6。可以看出, 随着上模压力的增加, 螺栓孔尺寸逐渐减小, 当压力大于4.5 MPa时, 其尺寸减小得越快, 同时在4.5 MPa时, 尺寸变化0.5 mm以上。

　　综上尺寸测量结果可以得出, 为了保证旋压毛坯的尺寸合格, 该旋压模具在生产过程中, 上模的压力不能大于4.5 MPa。

　　3、结语

　　对铸旋车轮旋压模具的新结构设计能够满足对铸造毛坯的自适应, 对取消预加工有重要意义, 保证了铸旋车轮短流程制造工艺的实现。控制上模压力在4.5 MPa内, 旋压毛坯尺寸、性能均能够满足机加工和产品标准, 并已经应用到量产中。

　　对于旋压模具的设计后续还需要继续研究和优化, 主要包括弹簧与定位滑块、毛坯与定位滑块的受力关系、导向块与定位滑块的配合角度以及定位滑块的个数等方面。

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