汽車輪轂加工方法與工藝分析
2024-1-8 來源： 山東電子職業技術學院 作者：王秀明
【摘要】: 以深槽輪輞為例，闡述兼具使用性能優點和加工成本優勢的壓力成形制造工藝。通過分析輪轂的材料、結構及加工方法，詳細介紹了輪輞生產過程及所用裝備，并展望未來生產技術的特點和發展方向。
【關鍵詞】: 深槽輪轂 ; 鍛造加工 ; 工藝過程 ;特點
1. 序言
汽車作為現代化的交通工具，其數量越來越多。車輪是汽車必須的、基本的和重要的部件，其安全性、經濟性及外觀質量是目前使用者關注的主要指標。不同車輛的輪轂結構不同、材料不同，其加工工藝也不相同。通過分析車輛輪轂常使用的材料及加工方法，著重介紹具有深槽結構的家用汽車鋁合金輪轂加工工藝及其特點。
2. 汽車輪轂的材料及制造現狀
2.1 輪轂結構與材料
輪轂是汽車支撐輪胎的圓形結構，由輪輞和輪輻組成，輪輞和輪輻可以是整體式的、永久聯接式的和可拆卸式的。輪輞常使用的結構有深槽輪輞和平底輪輞，并在此結構上有不同的改進，比如對開式輪輞、半深槽輪輞、平底寬輪輞及全斜底輪輞，用于不同的場合。
深槽輪輞如圖 1 所示，斷面中部呈凹槽形，有凸緣結構，用于安放輪胎，肩部向中間傾斜4° ~6°。該結構簡單，剛度大，質量較小，對于尺寸小、彈性大的輪胎安裝比較方便，因此適用于轎車及輕型越野車。平底輪輞是貨車常用的結構形式。
圖 1 深槽輪輞
常見的汽車輪轂有鋼質輪轂和鋁合金輪轂。鋼質輪轂強度高，常用于大型載貨汽車，質量較重 ; 鋁合金輪轂質量相較要輕很多，相同體積的鋁合金輪轂比鋼質輪轂輕 2/3 左右，符合如今低碳的使用理念，且導熱快，散熱性能好。
2.2 輪轂常用加工方法
目前鋁合金輪轂的生產方法有鑄造法、鍛造法、沖壓法和旋壓法。我國鋁合金輪轂仍然以低壓鑄造為主，隨著技術的發展，其加工工藝不斷進行變革。
鋁合金的鑄造工藝主要有 4 種 : 重力鑄造、低壓鑄造、反壓鑄造和擠壓鑄造。大部分的鋁合金車輪采用低壓鑄造生產，這是鋁合金車輪鑄造工藝中的主要技術。鑄造車輪需要準備鑄型，熔煉金屬，澆筑冷卻凝固成形后取出鑄件，工序多、設備大，產品容易出現縮孔、縮松等質量缺陷，特別是鑄件尺寸較薄的情況下，更容易出現質量問題。
為了解決鑄件容易出現的問題，鋁合金車輪也在使用鍛造 - 旋壓工藝生產，其生產過程為 : 預制鍛坯→模鍛成形→旋壓成形→熱處理→ CNC 機械加工。鍛件在滿足使用要求的前提下，有更小的壁厚、更高的強度，具有明顯的優勢。
3. 輪轂加工特性分析
永久聯接式輪轂結構如圖 2 所示，其輪輞和輪輻單獨生產后，可以采用焊接的方式進行聯接。深槽輪輞屬于套筒類結構，壁厚度較小，尺寸相差不大，可以使用板料通過壓力加工的方式進行生產，以此為原理設計輪輞的制造工藝 ; 對于輪輻，可以沿用旋壓工藝配以機械加工。隨著制造技術的不斷發展，編制的加工工藝應融合信息化技術，利于實現自動化生產，將信息化、智能化和綠色化的特點融入到車輪轂的現代化生產中。
圖 2 永久聯接式輪轂結構
4. 輪轂的鍛壓成形工藝
加工前先分析零件結構特點及技術要求，選擇合適的毛坯 ; 通過切削加工或者壓力加工的方法，改變工件的形狀、尺寸、位置和性質，最后形成滿足要求的零件。對于深槽輪轂，除了傳統的鑄造成型工藝，使用鍛壓成形工藝可以獲得性能更加優良的產品。輪輞的毛坯選擇精度較高的板料，通過卷圓、焊接及焊縫處理后進行壓力加工，形成輪輞結構，然后和輪輻進行焊接，組成完整輪轂。
4.1 卷圓
毛坯材料經過開卷、平整后剪切，酸洗后作為被加工對象。加工成輪轂的第一步是形狀的變化，需要使薄板變形，成為和輪輞結構相似的圓筒狀。為了減輕勞動強度、提高加工質量，可以利用自動取料機取料后，使用卷圓機把鋼板卷成圓形。自動滾圓如圖 3 所示，不過此時的圓筒狀零件不是封閉的圓形。
圖 3 自動滾圓
4.2 焊接
利用焊接技術把開口位置焊接，形成封閉圓筒狀加工對象。輪輞的焊接采用閃光對焊技術，在焊縫處不需要額外添加焊接材料，利用電阻熱加熱融化鋼板間對接接頭觸點，達到預定溫度時迅速施加頂鍛力，使兩個分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，完成焊接。其焊縫是母材金屬在高溫熱變形的過程中形成的，該焊接方法具有省時、省力和省能源的優點。為了使焊接后的零件符合技術要求，在焊接前增加一步壓平工藝，以減小焊接后非焊接原因產生的誤差。焊接原因產生的誤差通過相應的手段來解決，利用焊縫刨渣機去掉輪輞焊接后產生的焊渣（見圖 4），得到平整的焊接表面，然后壓平并強化刨渣后的焊縫，最后進行滾壓，使得焊縫和母材平齊，并使用沖切機構切除焊縫兩端頭。
圖 4 焊縫刨渣
4.3 擴口
滾圓焊接后鋼板變為等直徑封閉套結構，該套筒零件各處直徑相等。輪輞是外側直徑大，靠近中間部位直徑相對較小。使用擴口機（見圖 5）對輪輞進行擴口，將圓筒形工件兩端擴大成喇叭口狀，該工序保證了滾壓成形中工件定位的可靠性，能防止輪緣在滾壓成形中因變形量太大而開裂。擴口加工依賴擴口模具，不同直徑的輪輞擴口時，需要更換不同規格的擴口模具。
圖 5 輪輞擴口機
4.4 滾形
擴口后輪輞進行滾形。滾形屬于旋壓成形，輪輞的形狀通過滾形模具的上下模對金屬坯料施加壓力，迫使金屬在上下模間產生塑性變形。進行 3 次滾形加工，使得輪輞的同軸度、圓柱度及尺寸符合加工要求。第 1 次滾形為預成形，滾壓深槽過渡形狀，中心要控制準確 ; 第 2 次滾形主要是保證加工形狀，保持槽底形狀不變，實現胎圈座尺寸到位 ; 第 3 次滾形加工是修正形面，除徑向尺寸留合適的加工余量外，輪輞形面與其他尺寸均加工到設計尺寸。滾形機 3 次滾形見圖 6。
圖 6 滾形機 3 次滾形
4.5 擴張精整加工
對成形后的輪輞以冷滾壓的方式進行去毛刺處理，修理輪緣實現圓滑過渡。最后進行圓形校正，即擴張精整加工（見圖 7），通過擴張模具的精確擴張，使輪輞成形后的直徑滿足產品的設計要求。
圖 7 擴張精整加工
4.6 其他加工
輪輞的尺寸精度、幾何精度在卷筒焊接和壓力成形后，已經達到設計要求，是否滿足使用條件還需要進行相應的檢測。輪輞常進行氣密性檢測，通過內置在探測器里的氣體傳感器，檢測工件中滲漏出的氣體，判斷零件是否存在問題，以及問題發生的原因和缺陷的位置。對于符合密封要求的輪輞，可以根據結構特點進行下一步加工，比如沖氣門孔等操作。
4.7 壓配焊接
加工完的合格的輪輞和輪輻裝配在一起，通過圖 8 所示壓配機將輪輻壓入輪輞內，設置好輪輻和輪輞之間的偏距值，確定輪輞和輪輻之間準確的相對位置，利用圖 9 所示輪輞輪輻焊接機將兩個零件焊接成一體結構。焊接后的輪轂跳動要求比較高，這是直接影響車輪運動性能的主要參數。焊接零件檢驗合格后，即完成輪轂的鍛壓生產過程。
圖 8 壓配機
圖 9 輪輞輪輻焊接機
5. 輪轂鍛造加工工藝特點
輪轂鍛造加工技術的發展，離不開材料技術的發展。對于具有良好可鍛性的材料，比如T6061 航空鋁、輪輞專用鋼等，采用鍛壓成形工藝加工輪輞具有明顯的優勢，加工過程中的壓力可以改善金屬組織，提高金屬力學性能，和鑄造后再進行切削加工相比，生產效率高，節省加工工時，無切屑，節省金屬材料。該加工工藝能夠充分利用現代化生產設備，整個加工過程，從取料、卷圓、焊縫刨渣和擴口加工，到 3 次滾壓后的精整加工，均可利用集液壓技術、氣動技術和控制技術等新技術于一體的設備，可以優化生產流程，降低能源損耗，減輕操作人員勞動強度。最重要的是使用該技術生產的輪轂，比鑄造輪轂質量輕、強度高、剛強及成品精度高，因此在滿足使用要求的前提下，可確保車輛在使用中更加節能，從而減少能源損耗。
6. 結束語
工藝的發展依賴設備的技術水平，工藝的變革促進設備的升級改造。隨著機械制造技術的發展，輪轂的鍛造工藝會不斷地被改進，工藝也會越來越多地使用自動化、集成化和信息化技術，智能制造會逐漸融入并改變生產過程。目前汽車輪轂鍛造技術生產效率高、成本低，加工質量合格，滿足使用要求，展現了效率和質量的雙重優勢。
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