一種新型汽車車輪旋壓模具系統設計

文／邢曉閣，齊鳳山，朱向濤，李志，高楊，楊金嶺·中信戴卡股份有限公司

背景技術

一般汽車車輪按材料可分為鋼制車輪和輕合金車輪。鋼制車輪多為兩片式焊接結構，即由輪輻和輪輞焊接而成，相比輕合金車輪來說耗油大、重量重、平衡性能差、易變形、造型不夠美觀。輕合金車輪通過旋壓方式可成形卡車車輪、大巴車輪、轎車車輪等。

曾經由于技術方面的原因，卡車車輪、大巴車輪(業內叫卡、巴輪)都是用鋼板進行旋壓成形的鋼制車輪(圖1)。近20 多年來，隨著國內鍛造輕合金車輪技術的進步，現在還有用鋼板進行旋壓的，當然也可以進行鍛造鋁合金車輪旋壓成形。近年來隨著油價飆升和輕量化技術的不斷進步，汽車司機們更加青睞于鍛造輕合金旋壓車輪(圖2)。

圖1 鋼板旋壓成形的卡、巴輪

圖2 輕合金旋壓成形的轎車車輪

方案特點

本文針對現有技術中車輪倒拔模旋壓模具難脫模問題，設計了一種鋁合金車輪鍛造旋壓模具、脫模裝置及系統方法：⑴解決旋壓車輪輪輞與外輪唇的連接處倒拔模脫模問題；⑵解決通常用中心連接塊頂車輪毛坯無法脫模的問題；⑶解決用中心連接塊做頂桿頂車輪毛坯會引起車輪毛坯正面變形的問題，消除脫模造成的車輪損傷，提高了車輪的成品率和生產效率。

可行性分析

通常情況下，車輪毛坯旋壓后毛坯輪輞根部不形成內空腔(圖3)，本旋壓模具和系統工藝方法是車輪毛坯旋壓后毛坯輪輞根部形成內空腔，這樣能夠既節約材料又增加強度。圖4 為車輪鍛后毛坯工步圖，圖5 為旋壓后毛坯工步圖，圖6 為旋壓后毛坯輪實物圖。

圖3 旋壓后內壁無空腔毛坯圖

圖4 車輪鍛后毛坯圖

圖5 旋壓后內壁空腔毛坯圖

圖6 旋壓后內腔狀態實物照片

具體內容

為實現設計要求，本技術方案的模具結構組成為：上模、連接套、連接螺栓、滑塊、下模、中心連接塊、上尾頂、升降組件、托盤、車輪毛坯、旋壓機臺、壓機主軸套、旋壓機的下主軸、旋壓機的上主軸等，如圖7 所示。

圖7 車輪旋壓模具的結構示意圖

模具結構設計及零部件結構相互關系

從圖7 可以看到，連接套固定在旋壓機的上主軸上，連接套和上模的上表面固定連接，連接套通過連接螺栓與上模連接，下模通過連接螺栓固定在旋壓機的下主軸上端，旋壓機的下主軸帶動下模移動旋轉，下模中部開設圓形凹槽，在圓形凹槽中間通過連接螺栓固定圓柱形的中心連接塊，中心連接塊的直徑小于圓形凹槽的直徑且中心連接塊的直徑大于車輪的法蘭直徑。

滑塊的上表面朝向輪輞一側的側壁、中心連接塊的上表面，上模的底面與車輪毛坯的形狀相適應且滑塊朝向輪輞一側的上端邊緣有一圓弧凸邊。在中心連接塊和圓形凹槽之間的圓周空間均勻分布多個相同的滑塊，多個相同的滑塊前后相接圍成一個圓環。圖8 為滑塊主視圖，圖9 為滑塊俯視圖，圖10 為組裝示意圖。

圖8 滑塊主視圖

圖9 滑塊俯視圖

圖10 滑塊組裝示意圖

滑塊的數量為6 塊，滑塊的底部在朝向車輪毛坯中心的一側和朝向車輪毛坯輪輞的一側均開設有縱截面為直角的圓弧槽，滑塊插入下模上端的圓形凹槽的側壁和中心連接塊之間的圓環槽中，且圓形凹槽的側壁和中心連接體分別能卡在滑塊的底部兩側的圓弧槽內?；瑝K的底面具有向下的臺階，圓形凹槽的底面具有向上的臺階。

下模中間開設有圓形通孔，中心連接塊分為上部和下部兩部分，上部的直徑大于圓形通孔的直徑，下部的直徑略小于圓形通孔的直徑，中心連接塊的上部固定在下模的圓形凹槽內，中心連接塊的下部伸入下模中間的圓形通孔中。在中心連接塊中間開設有圓形盲孔，上尾頂固定到上模中，上尾頂的下端能隨旋壓機的上主軸下壓而穿過車輪毛坯的中心孔插入中心連接塊的圓形盲孔中。上尾頂的縱截面呈T 字形，在上模的上表面中間位置開設與上尾頂的上部形狀相適應的凹槽，在上模的凹槽的中間位置開設通孔，上尾頂固定在所述連接套和上模之間的凹槽內，上尾頂的下部穿過上模的通孔。

連接套中間是中空的，旋壓機的上主軸穿過所述連接套緊挨上尾頂的上表面。其中利用各個滑塊之間的相互作用力以及滑塊與車輪毛坯之間的相互作用可以使滑塊可拆卸的固定在輪輻之下，且滑塊能通過手動從車輪毛坯的輪輻底面卸下，從而滑塊均能隨車輪毛坯上下移動，避免因倒拔模的存在造成脫模困難，同時該模具結構的設計使固定結構簡單，避免設計其他固定件，造成旋壓的不可控性。

圖11 為車輪旋壓模具的脫模裝置脫模狀態示意圖，相關結構包括升降組件、托盤、旋壓機主軸套。升降組件為多個，升降組件沿下模的圓周均勻固定在旋壓機臺上，升降組件可以為氣缸、液壓缸或者電動缸，升降組件下端通過連接螺栓固定在旋壓機臺上，升降組件的上端通過連接螺栓固定于托盤，托盤隨升降組件上移，可以托起車輪毛坯進行脫模，使車輪毛坯脫離下模。托盤為一體的圓環，或者是分段的與升降組件個數相同的圓弧板。在旋壓機的下主軸外側套設有旋壓機主軸套，旋壓機主軸套固定在旋壓機的機架上。

圖11 脫模狀態示意圖

具體實施驗證方式和過程控制要點

滑塊的特點分析和使用

旋壓工作時，圓形凹槽的側壁和中心連接體分別卡在滑塊底部兩側的圓弧槽內，滑塊底面的臺階與圓形凹槽的底面臺階相扣合，滑塊的圓弧凸邊卡在輪輻之下的外輪唇與輪輞的連接處，在中心連接塊和圓形凹槽之間的圓周空間均勻分布6 個相同的滑塊，6 個相同的滑塊前后相接圍成一個圓環，上尾頂的下端穿過車輪毛坯的中心孔插入中心連接塊的圓形盲孔中。在脫模時即使車輪毛坯脫離下模時，所述滑塊均能隨車輪毛坯的上下移動而一起上下移動。

在其他一些實例中所述的滑塊個數為4 塊、5 塊、8 塊、9 塊、10 塊或者12 塊，多個滑塊360 度均布的插入下模上端的槽中。

模具工作過程

工作中的旋壓開始前，在旋壓機的上主軸帶動下，連接套、上尾頂、上模抬起，將6 塊360 度均布的滑塊插入下模上端的槽中。接著機械手將旋壓車輪毛坯放置于滑塊和下模上，隨之在旋壓機的上主軸帶動下，連接套、上尾頂、上模下行將旋壓車輪毛坯壓實，上尾頂插入旋壓車輪毛坯中心孔中，隨后旋壓機的下主軸在電機帶動下旋轉，旋壓輥輪開始旋壓車輪毛坯直到旋壓成形為止，旋壓機的下主軸和下模停轉。托盤在升降組件的托舉下將旋壓成形的旋壓車輪毛坯脫出模具，同時六個滑塊也隨著車輪毛坯移出，手工將六個滑塊從重載冷旋壓車輪毛坯卸下，這樣滑塊從旋壓車輪毛坯的空腔窩處脫出來，然后托盤在升降組件的帶動下落下。將6 塊360 度均布的滑塊重新插入安于下模上端的槽中，進行下一個旋壓車輪毛坯的旋壓和脫模。

旋壓的優點

因為車輪本身結構原因，車輪的輪輞部位很難鍛造成形，需要靠后續的旋壓工藝成形。旋壓工序是將鍛造成形毛坯的短粗輪輞部位加工成形為車輪最終輪輞結構。旋壓設備一般選用立式三旋輪強力旋壓機，也可選用臥式旋壓機。此旋壓機的旋輪頭可正、負雙向較高速工作進給，在一個工步可完成粗旋和精整過程，輔助工序少，配套上下料機器人、周轉帶，是鍛造鋁車輪規?；a線中的關鍵設備，生產質量及效率都很高。根據輪輞成形難易的不同可采用冷旋或熱旋工藝，通過旋壓工藝可得到更高的材料致密性，顯著增強力學性能。

旋壓后輪輞部位晶粒由等軸晶轉變成了纖維狀晶粒，纖維間的寬度也大大減小。在旋壓過程中，輪輞的金屬晶粒在三向變形力的作用下沿變形區滑移面錯移，滑移面各滑移層的方向與變形方向一致，因此金屬纖維保持連續完整。

結束語

與現有技術相比，本裝置提供了一種車輪旋壓模具，以及脫模裝置與方法都可獲得有益效果，其中多個相同的滑塊前后相接圍成一個圓環，所述滑塊的底部在朝向車輪毛坯中心的一側和朝向車輪毛坯輪輞的一側均開設有縱截面為直角的圓弧槽，滑塊插入下模上端圓形凹槽的側壁和中心連接塊之間的圓環槽中。旋壓工作時，該圓弧凸邊卡在輪輻之下的外輪唇與輪輞的連接處，且脫模時所述滑塊均能隨車輪毛坯的上下移動而一起上下移動，可解決冷旋壓車輪輪輞與外輪唇的連接處倒拔模脫模問題，消除脫模造成的車輪損傷，提高了車輪的成品率和生產效率。

該脫模裝置采用升降組件和托盤來托起車輪毛坯，使用托盤舉起車輪毛坯脫離開下模，解決了通常用中心連接塊頂車輪毛坯無法脫模的問題，并解決了用中心連接塊做頂桿頂車輪毛坯會引起車輪毛坯正面變形的問題。該裝置設計合理，避免由于脫模造成的車輪損傷，提高了車輪的成品率和生產效率。本模具和工藝不僅適合鍛造鋁合金旋壓車輪，也適合鋼制車輪產品。