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摘 要
作為目前最為重要的交通工具，人們的生活以及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)完全離不開汽車。而車輪作為汽車的重要組成部分，對汽車的整體性能和質(zhì)量也起著非常關(guān)鍵的作用，車輪的生產(chǎn)制造也備受汽車行業(yè)的關(guān)注。目前汽車都在朝著更加輕量化，經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展，如何在不增加生產(chǎn)成本的情況下解決這些問題，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的課題。采用鋁合金鍛造而成的車輪就剛好滿足這些條件。鋁合金材料密度小，同等體積下比剛的質(zhì)量輕，而且鋁合金的剛度也能滿足作為汽車車輪的要求。本次設(shè)計(jì)主要研究和探討鋁合金車輪的鍛造流程以及工藝方法，和鍛造模具的設(shè)計(jì)。制定了不僅能夠盡量節(jié)約原材料又能保證其產(chǎn)品優(yōu)良質(zhì)量和良好性能的適合工廠車間大批量生產(chǎn)的工藝方法，對之前的鍛造工藝進(jìn)行了改良和更新。通過對車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能的認(rèn)真分析，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的模具，又對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了較為科學(xué)的檢驗(yàn)校核，并以CAD圖紙及三建模的形式進(jìn)行了展示說明。本次設(shè)計(jì)對于鋁合金車輪的工廠化生產(chǎn)來說，原料的節(jié)約性、產(chǎn)品性能的優(yōu)良性以及市場考量性方面都非常具有參考應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：鋁合金；鍛造；模具
I
ABSTRACT
As the most current means of transport, people's lives and socio-economic development has been completely inseparable from the car. The wheel as an important part of the car, the overall performance and quality of the car also plays a very critical role in the production of the wheel is also much concerned about the automotive industry. At present, cars are moving in a more lightweight, economical direction, how to solve these problems without increasing the cost of production, which is a very critical issue. The use of aluminum alloy forged wheels just to meet these conditions. Aluminum alloy material density is small, the same volume than the just light quality, and the rigidity of aluminum can also meet the requirements as a car wheel. The design of the main research and discussion of aluminum alloy forging process and process methods, and forging die design. Has developed a process that is not only able to save raw materials as well as to ensure the excellent quality and good performance of the products, but also to improve and update the previous forging process. Through the careful analysis of the characteristics and performance of the wheel structure, the corresponding mold is designed, and the performance of the mold is checked and checked. The drawings are illustrated by CAD drawing and three modeling. This design for the aluminum alloy wheels of the factory production, the conservation of raw materials, product performance, excellent and market considerations are very valuable reference value.
Key Words：Aluminum alloy；Frging；Mold
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 車輪成型工藝 1
2.1 汽車車輪的制造工藝 1
2.2 鋁合金車輪的制造工藝 2
2.3鋁合金車輪的鍛造 2
3 車輪鍛件設(shè)計(jì) 4
3.1 變形力計(jì)算和液壓機(jī)的選取 4
3.2 選取分模面 4
3.3 車輪鍛造模鍛的斜度和圓角半徑 5
3.4 鍛件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
3.5 鍛造過程中工藝參數(shù)的影響 7
4 模具設(shè)計(jì) 9
4.1 預(yù)鍛模具的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
4.2 預(yù)鍛上模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
4.3 預(yù)鍛下模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
5 模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 13
5.1 模具受力分析 13
5.2緊固螺栓強(qiáng)度校核 13
5.3預(yù)緊罩抗拉檢驗(yàn) 14
6 結(jié)論 15
1 緒論
車輪作為汽車的最重要的部件之一,其與整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展又不可區(qū)分的緊密聯(lián)系。一輛汽車性能的好壞很大程度上受到車輪的影響，優(yōu)良質(zhì)量的車輪會很大程度上提高整輛車子的性能。隨著機(jī)械材料科學(xué)的進(jìn)步，鋁合金的制造技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟，且已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著原料成本的降低、成型技術(shù)的進(jìn)步、防腐工藝的提高，鋁合金車輪在汽車輕量化進(jìn)程中也將扮演越來越重要的角色。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了很多鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)，這些廠家的生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)?shù)爻墒?，形成了向世界上各個(gè)大型汽車制造企業(yè)供應(yīng)鋁合金車輪成品的供應(yīng)關(guān)系。幾乎每家車輪生產(chǎn)廠家也都十分重視鋁合金車輪生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展。隨著社會的進(jìn)步和人們生活水平的提高，精致、美觀、大方的汽車造型也越來越受到人們的喜愛。大直徑的車輪相對于小直徑的車輪來說更受到消費(fèi)者的熱捧，因?yàn)槠涓芡癸@出現(xiàn)代化的潮流，這就要求在能增加車輪直徑的情況下又不會增加車輪本身的重量，同時(shí)又能保證良好的機(jī)械性能，所以具有輕質(zhì)特征的鋁合金自然是首選材料。減小車輪的質(zhì)量和提高強(qiáng)度, 一般都采用鍛造的工藝和組裝式的工藝來生產(chǎn)車輪, 可以減小質(zhì)量百分之二十左右。當(dāng)然還可以采用高強(qiáng)度的鎂氖金和欽合金來制造車輪, 但這樣會大大地增加生產(chǎn)成本。我國的鋁合金型車輪的制造一般是采用低壓鑄造以及重力式鑄造為主, 其他一些較為先進(jìn)的制造工藝目前基本上還未采用。首先是因?yàn)殄懺燔囕喐哔|(zhì)量, 已經(jīng)受到相當(dāng)多的廠家重視并應(yīng)經(jīng)采用到實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中, 比如美國的鋁業(yè)公司的車輪組裝的工藝已經(jīng)被很多的生產(chǎn)廠家的重視。這種生產(chǎn)工藝目前在德國已經(jīng)發(fā)展成為相當(dāng)成熟的技術(shù)了。比如液態(tài)鍛造和半固態(tài)的鍛造, 在很多國家已經(jīng)是相當(dāng)成熟的技術(shù)了,尤其是大規(guī)格的輕量化的車輪, 一般有這樣的工藝需求,由于不管什么類型的鍛造成型生產(chǎn)技術(shù), 對于鋁合金車輪來說,它的力學(xué)性能一定是比同一類型規(guī)格鑄造式車輪會提高至少百分之十八 以上,這樣還可以很大程度上減小車輪的質(zhì)量。目前, 這種鍛造而成的車輪一般應(yīng)用于大型和中型的載貨汽車以及大中型的客車上,尤其是豪華型客車上的應(yīng)用相當(dāng)多, 同時(shí)也在不停地向普通的轎車領(lǐng)域應(yīng)用延伸, 相信這種新的生產(chǎn)技術(shù)將會在我國國內(nèi)的一些有實(shí)力的鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
2 車輪成型工藝
2.1 汽車車輪的制造工藝
目前為止,一般在市場上出現(xiàn)的車輪從其生產(chǎn)的工藝來區(qū)分，可以把它們分類為鑄造車輪以及鍛造車輪。對于鍛造車輪來說,它的加工成本可能比較高一些，它的綜合性能以及非常高的產(chǎn)品的附加價(jià)值讓鍛造而成的車輪在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域有很高的關(guān)注度和使用率,因?yàn)樗怯射X合金生產(chǎn)而成的,所以它的質(zhì)量比起鋼制車輪會大大降低。將來汽車生產(chǎn)的市場也會越來越大，這種鍛造車輪一定會是生產(chǎn)廠家的第一選擇。相比之下，鑄造車輪會受到其材料、工藝限制，所以會需要大大增加車輪輪輻壁的厚度來保證車輪在行駛過程中中的安全性，因此也沒有辦法避免鑄造的鋁車輪的輕量化的問題。
最近的這幾年，車輪的鑄造生+產(chǎn)工藝也漸漸地的和其他類型的工藝整合在一起，
彌補(bǔ)了各自工藝的不足，比如將鑄造工藝和旋壓成形工藝結(jié)合，先通過鑄造生產(chǎn)出相應(yīng)毛坯，之后再通過旋壓機(jī)將其旋壓成形，進(jìn)而加工出輪輞。如果根據(jù)車輪結(jié)構(gòu)形式來區(qū)分，也可以把鋁合金車輪化分為整體式、組裝式。一般來說整體式的車輪的輪輻以及輪輞在整個(gè)加工的過程中一直都是是作為一個(gè)整體來進(jìn)行的。但是不同的是，組裝式的車輪則一般是把車輪的輪輻、輪輞分開來加工，之后會通過相應(yīng)的焊接或者是鉚接的方式將其組裝一起。但是一般來說組裝式的車輪在一些部位的連接處一般會經(jīng)常出現(xiàn)一些缺陷從而嚴(yán)重地縮短了該車輪正常的使用年限，所以人們一般更情愿去選擇使用綜合而言力學(xué)性能會更優(yōu)良的整體式的車輪。
2.2 鋁合金車輪的制造工藝
目前為止,市場上的鋁合金車輪主要分為鑄造車輪和鍛造車輪為主,但是至少百分之八十以上的的車輪都是由鑄造而成的,不管是國外還是國內(nèi),這種現(xiàn)象都普遍存在。一方面是因?yàn)殍T造車輪的生產(chǎn)工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，且得到了市場廣泛的認(rèn)同；另一方面則是因?yàn)殄懺熹X合金技術(shù)比起前者而言，其生產(chǎn)技術(shù)成熟比較晚，而且生產(chǎn)制造的成本也比較高，所以許多生產(chǎn)廠家在考慮生產(chǎn)成本的前提下往往會選擇鑄造鋁合金車輪。但是相對鑄造成型的鋁合金來說，由鍛造成型的鋁合金車輪不論是在機(jī)械性能上還是抗疲勞的性能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者，但是鍛造成型的鋁合金車輪的高成本性，其在生產(chǎn)上還未大規(guī)模地推廣。
2.3鋁合金車輪的鍛造
鍛造鋁合金車輪的生產(chǎn)工藝流程如圖2-1 所示.分坯料鋸切、熱處理、鍛造成型、毛刺處理、最終熱處理、加工以及表面處理和最后驗(yàn)收。
圖2-1
鍛造車輪生產(chǎn)流程示意圖
輪轂的鍛造工藝思路如下：
1.切料：將鋁條切割成制造輪轂所需的尺寸。
2.首先要進(jìn)行鋁棒預(yù)熱，在加熱后的爐子中把之前加工分割好的棒形鋁材進(jìn)行加熱，加熱到一定的溫度。材料達(dá)到平衡溫度，然后進(jìn)行鍛造作業(yè)。
3.預(yù)鍛：通過鍛壓機(jī)，把提前加熱好的鋁料直鍛成毛胚以鍛壓機(jī)，將預(yù)熱的鋁材以直鍛方式，鍛壓成毛胚。
4. 終鍛：將預(yù)鍛成型的毛坯鍛件進(jìn)行最終的成型鍛造。
5. 輪轂車加工及熱處理等后工序。
6. 車輪成品的性能標(biāo)準(zhǔn)檢測。
該工藝過程具有以下一些特點(diǎn)：
（1）由于鍛造工藝是閉式模鍛，為了保證毛坯的體積精度，所以在毛坯和鍛件之間增加檢查步驟，確保鍛件和模具壽命。
（2）利用鍛造實(shí)現(xiàn)輪輞鍛件的成形，毛坯在鍛造過程中的溫度變化不是，金屬流動(dòng)性能好，變形阻力小，對設(shè)備噸位的要求也非常小，成型后鍛造具有非常優(yōu)良的內(nèi)部組織以及纖維組織的流線。
（3）采用新技術(shù)鍛造出的鋁合金輪轂，比一般熱鍛生產(chǎn)的鋁輪輞的力學(xué)性能較好，材料的利用率也顯著提高。
為了減少車輪的制造成本，縮短生產(chǎn)工藝流程，所以本次設(shè)計(jì)的鋁合金車輪采用的是整體式鍛造的方式進(jìn)行。
最終成品如圖2-2：
圖2-2
鋁合金鍛造車輪成品
3 車輪鍛件設(shè)計(jì)
3.1 變形力計(jì)算和液壓機(jī)的選取
鍛造鍛造所需的鍛壓是模具設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，模具材料也是重要依據(jù)。影響鍛造鍛造壓力，坯料變形溫度等因素，以及模具潤滑和坯料高度，直徑，金屬變形阻力，設(shè)備加載速度和模具結(jié)構(gòu)等因素等將相當(dāng)大地影響鍛造壓力的程度，而金屬變形抗力及其鍛造變形率以及材料的變形和鍛造程度。使用合適的噸位鍛造設(shè)備對于確保鍛造質(zhì)量，生產(chǎn)效率和模具壽命也很重要，設(shè)備安全也非常重要。
液壓機(jī)鍛造的壓力可以根據(jù)公式粗略計(jì)算：
P=zmFq （3.1）
其中z是變形系數(shù)
M是毛坯的體積系數(shù)
F是與變形方向垂直的平面投影面積
Q是最終變形條件下相應(yīng)的單位壓力，MPa
P = 1.8×0.6×3.14×275×275×100 = 25.64MN（2564t）
鑒于設(shè)備的安全性，可以選擇4000t液壓機(jī)生產(chǎn)這種鋁合金車輪。
3.2 選取分模面
選取分模面的方式對于整個(gè)鍛造過程來說是非常關(guān)鍵的,一般來說,在鋁合金鍛的工藝中,因?yàn)殇X合金車輪鍛件的形狀類似于大寫字母“U”形，為了使在鍛壓的過程中，保持金屬材料在鍛壓時(shí)的流動(dòng)性，能夠充分地充滿整個(gè)模腔，還要考慮到在鍛造完成時(shí)便于分模，另外，金屬材料在鍛造過程當(dāng)中其金屬的流動(dòng)方向?qū)τ谧罱K鍛造出的鍛件的性能影響還是很大的，當(dāng)金屬流動(dòng)的方向與鍛件結(jié)構(gòu)的延伸方向保持一致時(shí)，那么鍛造出來的產(chǎn)品的性能質(zhì)量也是有保證的。所以，根據(jù)這些條件，綜合考慮各方面因素之后，本次車輪的鍛造，其分模面的的選取 應(yīng)該是車輪外沿部分邊緣的平面，如圖3-1。
圖3-1
鍛件分模面
3.3 車輪鍛造模鍛的斜度和圓角半徑
在鍛造設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)中，為了方便模具從模具槽出來，一般將側(cè)壁指向及其壓力指向保持一定的偏差。一般來說，一般分為兩種：其中一種是鍛造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，鍛件的邊壁上要設(shè)計(jì)為一個(gè)合適斜度的坡度。第二種則是根據(jù)鍛件本身的特點(diǎn)，這樣的斜度被稱做自然的斜度，然而，對于鍛造而言，在鍛模后，由于模具側(cè)面的力會產(chǎn)生垂直向上的
力，使得填料罐中的金屬阻力增加，模鍛斜度變大將會大大增加金屬的使用量。因此，應(yīng)確保鍛件在平穩(wěn)的前提下出模，模具鍛造斜度應(yīng)盡最大可能選擇盡可能小，而在同一鍛造時(shí)應(yīng)盡量使用相同的鍛模坡度。由于模腔深，避免與鋁合金在高溫下粘附。另外鋁
合金車輪在鍛造過程中鍛造由于熱膨脹和收縮，鍛件和模具會產(chǎn)生一定的緊固力，對于鍛件的出模會產(chǎn)生很大的不利條件。因此，在冷鍛件的設(shè)計(jì)中，在內(nèi)斜邊緣的內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)為1°斜斜度，在輻條的一側(cè)具有9自然斜率。
在模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，模具腔不允許產(chǎn)生銳角或鋒利的邊緣，因?yàn)檫@樣易于使模具在熱處理或模鍛過程中由于應(yīng)力集中所以最終產(chǎn)生開裂，影響模具使用壽命。
此外，模具結(jié)構(gòu)中的鋒利邊緣和尖角也影響模具腔中的金屬的流動(dòng)和充分填充，對鍛件來說，將會影響其質(zhì)量。一般在模具設(shè)計(jì)中，所有模鍛件轉(zhuǎn)接處都會采取圓弧過渡。對鍛件而言，凸圓角通常由r表示為半徑。其原因主要是為了防止模具鍛造，并且當(dāng)由于其應(yīng)力太集中而導(dǎo)致熱處理完成，使得模具具有破裂現(xiàn)象。這也可以使金屬填充整個(gè)槽的模具，對于其凹角圓角半徑，一般使用R將被表示。其效果是使金屬容易流動(dòng)并填充空腔，也為了避免鍛件會出現(xiàn)折疊現(xiàn)象以及模具的型腔因壓力過大而發(fā)生塌陷。
為了確保鍛件的質(zhì)量得到充分保證，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使凸圓角的半徑遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)過程中凹圓角的半徑通常采用R（2?3）r，因?yàn)殇X合金在鍛造時(shí)，附著力大、流動(dòng)性差，所以比例應(yīng)該采用上限，設(shè)計(jì)冷鍛造圖時(shí)，凸圓半徑r3mm、凹角圓R 6mm。
3.4 鍛件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖3-2
鋁合金車輪的預(yù)鍛
首先要根據(jù)最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出終鍛毛坯圖，然后依據(jù)終鍛毛坯圖設(shè)計(jì)出預(yù)鍛毛坯圖，
考慮到零件的加工的余量，制造的公差，以及鍛造的余塊和模鍛的斜度等因素設(shè)計(jì)而成。熱鍛是模具和模具的設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)。由于金屬具有熱膨脹和收縮的特點(diǎn)，因此在鍛
造熱鍛圖的設(shè)計(jì)中，必須要考慮到終鍛時(shí)金屬收縮比率。該材料使用的鍛造金屬為6061鋁合金，這種鋁合金材料在最終鍛造過程中的溫度收縮率為1.7％。鋁合金輪輞鍛件需要經(jīng)過鍛造，旋壓，去毛刺和加工，根據(jù)總體積相同的原理，輪的體積和每個(gè)過程中消
耗的材料體積之和應(yīng)該和鍛件毛坯的體積保持一致。根據(jù)鋁合金邊緣等溫鍛造工藝的發(fā)展，鍛造的結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：
（1）由于輻條的外表面在鍛造后不再加工，因此必須確保輻條的外側(cè)表面鍛件的表面的質(zhì)量以及鍛造的精度可以滿足使用中車輪的要求。
（2）在滿足國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下,車輪軸方向上的高度一般應(yīng)當(dāng)越短越好,這有助于在鍛造成型期間填充邊緣部分。
（3）在閉式模鍛的設(shè)計(jì)制造過程中,在毛坯定位方面也要做相應(yīng)的要求,所以,在毛坯設(shè)計(jì)以及模具設(shè)計(jì)時(shí),模具中毛坯的定位必須經(jīng)過仔細(xì)的研究計(jì)算。
3.5 鍛造過程中工藝參數(shù)的影響
鋁合金輪轂鍛造工藝的設(shè)計(jì)非常重要。鍛造設(shè)備的噸位根據(jù)成形力選擇，成形力與鍛造設(shè)備的噸位相同。在計(jì)算中通常用來計(jì)算一些經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值有一定的誤差。
鍛造溫度對鍛造成形力的影響：
在鍛造輪轂之前，應(yīng)該先把坯料以及模具提前加熱，直至之前計(jì)算設(shè)置的溫度范圍，坯料和模具的溫度應(yīng)等于或相近于加熱溫度的大小，根據(jù)鋁合金鍛造溫度范圍選擇。一般來說，如果溫度升高，則對于所用材料而言，其屈服極限也會越來越低，塑性就會提高到一定的程度，但是這樣也不能充分地說明坯料較高的加熱的溫度要比較低的加熱的溫度要好很多。對于坯料而言，一旦其加熱的溫度太高的話，在其整個(gè)鍛造的期間，鍛件會產(chǎn)生過熱或者過燒的現(xiàn)象，以至于使鍛件的內(nèi)部出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，使質(zhì)量品質(zhì)過于低劣，甚至報(bào)廢。但是另一方面，一旦溫度過低的話，金屬的流動(dòng)性將會受到很大的影響，進(jìn)而影響鍛件尺寸以及形狀。所以，首先應(yīng)該保證在鍛造的過程中坯料不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，然后才可以計(jì)算設(shè)定鍛造所需的溫度。一般來說，坯料的鍛造溫度越高，鍛造時(shí)金屬的流動(dòng)性越好，塑性越好，設(shè)備的噸位要求越低，鍛造過程中也不會發(fā)生過熱或過燒現(xiàn)象。但是，如果在工廠里進(jìn)行實(shí)際上的生產(chǎn)制造時(shí)，鍛造時(shí)溫度的選擇也要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)上的成本以及生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合考量。所以，應(yīng)該充分考慮到工廠車間的生產(chǎn)環(huán)境以及設(shè)備條件，然后再適當(dāng)?shù)剡x取鍛造過程中坯料的溫度，可參考表3-1。
表3-1
鋁合金鍛造溫度范圍
摩擦條件對鍛件成形力的影響：
在鍛造輪轂的過程當(dāng)中，壓力和溫度都是很高的，坯料和模具之間相互作用的摩擦力也是十分顯著的。通常情況下，模具與鍛料的接觸面積會隨著上模行程的增加也會越來越大。在毛坯成型的整個(gè)過程當(dāng)中，模具和坯料的摩擦力的影響是相當(dāng)重要的，在鍛造過程當(dāng)中，所謂的摩擦其實(shí)就是金屬毛坯材料表面的流動(dòng)變形，這種變形只在金屬表層部分發(fā)生。所以一旦摩擦力過大的情況下，容易造成金屬坯料表面發(fā)成分裂，這樣對鍛件的壽命和質(zhì)量都會造成非常不良的后果，所以這種摩擦力的存在非常不利于生產(chǎn)的進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)在條件所允許的情況下，盡可能地降低這種摩擦力，當(dāng)然這種摩擦力是不可完全避免的。通常情況下，很多生產(chǎn)制造的過程當(dāng)中，人們都會在坯料以及模具的表面涂抹上合適的潤滑劑，這樣能夠大幅度地提高坯料表層金屬的流動(dòng)性，從而提高了生產(chǎn)的效率以及制品的合格率，可參考表3-2。
表3-2
潤滑劑選擇種類參考
變形速度對鍛件成形力的影響：
在一般的條件環(huán)境下，在整個(gè)變形過程中，阻礙材料發(fā)生變形的力會越來越大，如果材料的變形速率也越來越快的話。除了這種情況下，在坯料發(fā)生變形的整個(gè)過程之中，變形溫度以及熱效應(yīng)也會隨著發(fā)生變形的速度而發(fā)生顯著的一些變化。所以變形速度應(yīng)該作為研究熱變形的關(guān)鍵研究對象，應(yīng)當(dāng)被著重考慮。所以，在實(shí)際的工廠車間生產(chǎn)過程當(dāng)中，在能夠滿足一定的生產(chǎn)效率的前提下，盡可能的降低鍛造過程中的變形速率，這樣對所制造的輪轂成品的使用壽命和質(zhì)量都會有顯著的提高。
變形的速度對整個(gè)鍛造過程的影響是很大的，不僅影響變形力以及變形均勻程度，還會在很大程度上影響鍛件溫度。變形速度不會顯著地影響整體的變形力分布，但是應(yīng)變值的大小會隨著變形速度的變化而發(fā)生明顯的變化，一般來說，其最大值會隨著變形速率的減小而變大，隨其增加而有所減小。一般來說，變形速度越小越好，因?yàn)檫@樣有利于坯料能夠充分填充于整個(gè)模具內(nèi)部的模腔，因?yàn)樵黾恿私饘倥髁系牧鲃?dòng)性，這種情況更適合于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求變形情況大的一些金屬零件的加工。
除了這些有利的影響，如果變形速度太大的話也會產(chǎn)生一些不利的影響，比如較大的變形力會導(dǎo)致鍛料內(nèi)部材料產(chǎn)生組織層面上的變化，可能在內(nèi)部出現(xiàn)一些結(jié)晶，這種變化會大大影響最終鍛件的性能和質(zhì)量。
4 模具設(shè)計(jì)
4.1 預(yù)鍛模具的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4-1
預(yù)鍛模具剖面圖
圖4-2
預(yù)鍛模具俯視圖
模具和坯料所用的金屬材料不同，所以它們在相同溫度下的收縮率一般也不同。同樣是在四百五十?dāng)z氏度的條件環(huán)境下，6061型號的鋁合金的收縮率是百分之一點(diǎn)七，而上模和下模所用的模具材料的收縮率是百分之零點(diǎn)七二，這種差異還是相當(dāng)明顯的。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中冷鍛時(shí)的結(jié)構(gòu)尺寸與模具的型腔尺寸之間的相關(guān)性如下：
L×（1+δ ）=L1×（1+σ1） （4-1）
L1=L1+σ1+σ1
其中，模具尺寸用L1表示，冷鍛尺寸用L表示，冷鍛材料收縮率用σ來表示，模具收縮率用σ1來表示。
圖4-2
模具三維圖
4.2 預(yù)鍛上模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在鍛造的工藝過程當(dāng)中，對于坯料和鍛模而言，它們之間沒有其他分割物，屬于緊接觸狀態(tài)，鍛造時(shí)，在溫度的大小上，坯料的溫度與上模的溫度屬于相等的。在材料的要求方面，材料標(biāo)準(zhǔn)要求比較高的是用來制造凸模的材料，該材料必須具備下面的幾種特點(diǎn)：
第一點(diǎn)：即使在溫度非常高的狀態(tài)，凸模材料的耐磨特性以及其硬度也會保持非常高的狀態(tài)。
第二點(diǎn)：抗沖擊性能方面一定要好，避免在強(qiáng)度沖擊條件下凸模發(fā)生崩裂。
第三點(diǎn)：在高溫工作的狀態(tài)下，材料容易發(fā)生氧化和疲勞現(xiàn)象，對于鍛造過程當(dāng)中，這種現(xiàn)象時(shí)必須要避免的。
第四：一般來說，在溫度變化的過程當(dāng)中，對于材料而言，其屈服強(qiáng)度也在發(fā)生著變化，包括模具的材料以及鍛件的材料，為了使鍛造過程正常進(jìn)行，一定要保證：
δs=(2.5~3)δb
δs表示模具屈服強(qiáng)度;
δb表示鍛件極限強(qiáng)度。
第五點(diǎn)：因?yàn)樵谏a(chǎn)過程當(dāng)中，模具有一定的溫度范圍要求，為了達(dá)到這種溫度狀態(tài)，使鍛造工藝過程順利進(jìn)行，所以在淬透性以及導(dǎo)熱性方面必須要滿足要求
根據(jù)鍛件鍛造工藝以及結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中心孔時(shí)，應(yīng)該把位置選擇于上模中心處，這樣做可以在下模芯處形成用于定位的坯料。除此之外如果鍛造體積小于非鍛造空間的體積，剩下的坯料將會自動(dòng)被排擠在模具孔處，并且位于孔中心的位置。這樣做的目的是為了使模膛中用于鍛造鍛件的金屬坯料的量度剛剛好，避免因材料體積過大，而影響整個(gè)鍛造過程的順利進(jìn)行。
模具上的加熱設(shè)備位于上模的最下面，在鍛造開始之間，通過這種加熱裝置時(shí)模具達(dá)到要求的鍛造溫度狀態(tài)，對于凸模的圓角以及其他邊部的斜度一定要根據(jù)鍛件的形狀來設(shè)計(jì)如圖4-3所示。
圖4-3
凸模
4.3 預(yù)鍛下模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在整個(gè)加工鍛造過程當(dāng)中，模具的下模的工作溫度狀態(tài)與上模的工作溫度狀態(tài)是一樣的，所以制造下模所用的材料與上模所用的材料是一樣的，采用的都是在熱處理之后，硬度為HRC52?58 3Cr2W8V的材料。根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過研究分析，可以采用整體式下膜結(jié)構(gòu)，在預(yù)鍛過程當(dāng)中，預(yù)鍛之后所形成的鍛件的凹形結(jié)構(gòu)也并不是十分明顯，完全可以進(jìn)行直接脫模，所以，為了使模具的設(shè)計(jì)制造更簡單明了，采用整體式下模結(jié)構(gòu)。關(guān)于下凸模的倒角以及其他傾斜度方面，在鍛造師時(shí)，凹模承受的壓力要比凸模的大，為了防止在高溫高壓力的鍛造狀態(tài)下下模棱邊過于尖銳而使鍛件發(fā)生沖擊性爆裂，所以要再保證金屬坯料能夠完全充滿下模模膛的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。 另外，為了便于脫模，凹模應(yīng)采用組合式，設(shè)計(jì)如圖4-4所示。
圖4-4
凹模
5 模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核
5.1 模具受力分析
近年來成型工藝一直在發(fā)展中，對于模具的工作條件等要求也越來越高，并且這些因素也直接對模具的壽命有很大的影響，好的工作環(huán)境可以很好地保護(hù)模具可以延長磨具的使用年限，同時(shí)好的工作場所對于模具生產(chǎn)產(chǎn)品也是至關(guān)重要的。對于惡劣的模具生產(chǎn)場所會導(dǎo)致模具需要維修狐貍的周期短，進(jìn)一步提高了造價(jià)，同時(shí)也將一定程度上影響工作效率。因此模具壽命的延長問題對于研發(fā)者是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。模具分為上模和下模，在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，下模收到的沖擊更大，而收到的壓力方向一般指向背離圓心的方向上，因此對于模具下模設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要之一做好關(guān)于抗拉強(qiáng)度的校核工作，以此來確保模具是否滿足條件。
5.2緊固螺栓強(qiáng)度校核
通常情況下鍛造出模的工件時(shí)，會因?yàn)闊釢q泠縮的原因使件7產(chǎn)生一個(gè)包套力作用在模具的上模上，這個(gè)力會阻止磨具的打開，模具打開工程中必須要克服這個(gè)離才能使
模具打開，設(shè)計(jì)的模具是通過螺栓來連接上模和下模的，模具中的螺栓必須要克服上模因?yàn)樽陨碣|(zhì)量而產(chǎn)生的重力和上文提到的包套力，此時(shí)也要校核螺栓收到的力。
因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有該種模具需要的公式，因此將液態(tài)鍛件的相關(guān)公式作為模具克服重力和包套力的參考公式如下公式：
P=E1 α(T-T')t2r+μt A (μmcosθ-sinθ) (5-1)
通過對相關(guān)資料的了解來對各公式參數(shù)進(jìn)行確定，如：
E1=68.9GPa；
線性膨脹系數(shù)α=23.6×10-6/℃；
上模和車圈的摩擦系數(shù)為μm=0.32；
上模面積A=2πrh=3.1×105mm2；
泊松比為μ=0.31；
r為上模的半徑為235mm；
θ為脫模斜度數(shù)值取10°；
T為鍛件開始的溫度為450℃；
T′為出模時(shí)的溫度取值為440℃；
T為鍛件的總厚度取值為7.5mm；
根據(jù)上文公式進(jìn)行計(jì)算螺栓的校核公式，其中：
P=7.9×104N
G=ρVg=5616N；
螺釘拉力為6*1.4×104N；
將以上數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算螺栓的強(qiáng)度校核：
d1≥4×3F0πσ (5-2)
其中公式中的F0代表的是單個(gè)螺栓的受力，F(xiàn)0取值為14N。
但是通常情況下，模具在工作時(shí)會使溫度升高，螺栓將會在高溫下工作，因此在選擇螺栓的材料時(shí)要盡量選用耐高溫的材料作為螺栓的材料，在取安全系數(shù)時(shí)也喲啊盡可能地取大值，這樣就盡可能的保證了模具在工作時(shí)不會出現(xiàn)安全的問題，將螺栓的σ值800MPa代入公式中得出d1≧16.72mm，而本文中螺栓選取的是M30，綜上所述螺栓滿足條件。
5.3預(yù)緊罩抗拉檢驗(yàn)
通常模具在工作工程中凹模的側(cè)面會承受一個(gè)相當(dāng)大的擠壓力，在這個(gè)前提下設(shè)計(jì)磨具結(jié)構(gòu)的得時(shí)候要約束凹模，對于凹模的約束可以用遇緊罩進(jìn)行約束，這樣做的目的
是保證不會裂開凹模，這樣遇緊罩的強(qiáng)度分析就顯得格外的重要，遇緊罩的強(qiáng)度將直接對磨具的壽命和模具生產(chǎn)的產(chǎn)品有重要影響，如下為預(yù)緊罩強(qiáng)度校核計(jì)算：
圖5-1
預(yù)緊罩
σb=Fsinθμs≤σb (5-3)
其中公式中：F為預(yù)緊罩收到的凹模的力，
從上文應(yīng)力分析得知F取值為1.725 ×10KN
Θ為預(yù)緊罩接觸面和凹模形成的角度取值為77°
S取值為18317mm2
安全系數(shù)μ=1.5
將查閱相關(guān)資料[σb ]=1650MPa進(jìn)行相關(guān)計(jì)算σb =1376MPa￡[σb ]=1650MPa，根據(jù)上文可以得出模具滿足強(qiáng)度要求。
6 結(jié)論
這次論文的設(shè)計(jì)研究主要是對鋁合金輪轂的鍛造工藝以及其鍛造模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定了一種全新的適合應(yīng)用于工廠車間生產(chǎn)制造的一整套制造工藝流程，能夠大大地提高鋁合金車輪鍛件的生產(chǎn)效率，使其產(chǎn)品壽命以及質(zhì)量都將會顯著地提升。另外，這種制造車輪的工藝方法也會很大程度上減少原料的浪費(fèi)，提高材料的使用率，大大降低生產(chǎn)制造成本。同時(shí)，此次設(shè)計(jì)也對車輪的力學(xué)性能做出了詳細(xì)的分析，在正常安裝后的使用過程當(dāng)中，能夠保證車輪在力學(xué)性能上的穩(wěn)定性。除此之外，本次論文設(shè)計(jì)對鋁合
金車輪鍛造工藝過程當(dāng)中所需的模具進(jìn)行了一整套的設(shè)計(jì)，完全可以應(yīng)用于生產(chǎn)制造當(dāng)中。根據(jù)車輪機(jī)構(gòu)上的特點(diǎn)，對其設(shè)計(jì)過程也作出了相應(yīng)的圖紙說明，其中包括二維的CAD圖紙，以及相應(yīng)的模具三維圖。最后，還對力學(xué)性能做出了相應(yīng)的分析檢測，保證了此次設(shè)計(jì)的科學(xué)性。當(dāng)然，由于知識和相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件的局限性，該設(shè)計(jì)還具有一些值得進(jìn)一步完善更新的部分。
參 考 文 獻(xiàn)
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致謝
本文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在剛接觸這個(gè)課題的時(shí)候，我對汽車車輪及其生產(chǎn)工藝了解的很少，在馬老師的指導(dǎo)下，我查閱了大量的書籍和電子文獻(xiàn)資料，通過學(xué)習(xí)和總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，才對這個(gè)課題有了更為系統(tǒng)的認(rèn)識。無論是在理論方面還是實(shí)踐方面，馬老師都給予了我耐心的指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)鋁合金車輪鍛造模具時(shí)，馬老師用他豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及理論知識給了我很多幫助，耐心地指出我所設(shè)計(jì)的模具中的每一處錯(cuò)誤，不落下任何一個(gè)細(xì)節(jié)。這讓我學(xué)到了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，獲益匪淺。在此，
致以我最誠摯的敬意與感謝！
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