专利名称：制造轻合金车轮的方法
技术领域：
本发明涉及机械制造业，更具体说，涉及制造轻合金车轮的方法，可用于制造运输工具的车轮。
普通的轻合金车轮制造方法为铸造法(Bobmeyer H.J.TheAluminium wheel in its various versions.Aluminium+AutomobileLeet.Inter，Symposium.Dusseldorf，1980.p.18/1.Dusseldorf，ALU.-Verl.，1981)，它包括下列工序熔融金属的制备和处理，铸件制造，铸件质量检验，车轮的热处理和机加工，表面处理，制件涂漆，质量检验和包装。
目前最流行的铸造车轮方法为低压铸造法。这种方法保证了最高的车轮强度，但它的劳动量大。铸件的质量在很大程度上取决于熔融金属的制备工艺。熔融金属在浇铸前应使用抽真空或分散的气流(氩或干燥的氮)进行处理以便仔细清除气体和非金属夹杂物。为了防止车轮铸件中落入非金属夹杂物，可使熔融金属通过玻璃纤维和(或)泡沫陶瓷过滤网进行粗净化和细净化。为了查出气孔和裂纹(特别是存在于无轮胎车轮中的)，要进行100％的X射线检测。而且由于气孔造成的铸造废品率不低于15％。用上述方法制造的车轮的成本超过了钢制车轮成本的2～3倍。
已知的制造轻合金车轮的方法(US No.4048828)借助采用分解模具体积模锻来改善车轮的质量。模锻方法的优点表现在有可能使金属纤维方向与主载荷方向一致，这样就可保证金属疲劳强度极限的提高，从而也提高了车轮的强度。根据载荷的方向和大小能够安排轮缘厚度与轮盘厚度的最佳比例，这样就可比铸造车轮减轻重量。然而，这种情况下金属利用率仍很低，不超过0.4。
还公布了一种制造轻合金车轮的方法(Spth W.Felgenfertigungaus Aluminium-Strangpress profilen.Automobiltechnishe Zeitschrift.1986，Vol.88，No.10，p.p.557-565)，它是在液压机上将坯料用两个工序进行模锻，然后进行轮缘滚轧。这种车轮制造方法尽管具有优良的质量和高的金属利用率，但由于其成本较高而不能取代铸造法制造车轮。
还公布了一种由条材制造轻合金车轮的方法(Fujiwara S.，Aoki N.，Iwamoto T.atal.The Development of a 2 piece aluminium disc wheelfor automobiles.Keykindzoku Nihon.1984，Vol.34)。
制造轮缘的原始材料为成卷带材或条材，将它们在校正一剪切机上切割成计量尺寸的坯料。坯料在圆弯曲机上弯成环件，并用接触电弧焊法进行对接焊接。然后清除毛刺，并用轧平法强化焊缝。轮缘的成型在成型机上进行，一般经过4道变形工序和1道校正工序。在个别情况下，成型是经过1道扩径工序和在压力机或挤出机上校正来实现。
根据所选工艺设计，车轮轮盘是在压力机上用圆形坯料经过几道工序成型的。然后沿轮缘内表面用氩弧焊法将轮盘和轮缘焊接到一起。
这种制造车轮方法的特点是具有高的生产率，低的生产消耗和较小的劳动量。
与铸造法比较这种方法的缺点是在轮盘工艺设计上存在局限性。
还公布了由轻合金挤压型材制造车轮轮缘的方法(FR No.2620060，1987) 。
在专用装置上将带有凸块的挤压型材弯曲成轮缘。弯曲时凸块形成环形的装配点，用于安置轮盘。然后进行型材的对接焊接。其轮盘是用铸造法或模锻法制成的。用螺钉和螺帽将轮盘固定到轮缘上，螺栓和螺帽的数量取决于轮缘的尺寸。采用这种方法时轮缘用的型材具有比其它已知车轮类型都轻的重量，以及较高的强度，而且不需要切削加工使其制造所需劳动量较小。
然而，使用挤压型材对金属组织的质量提出了严格的要求，因为AlMgSil型热处理强化合金的传统挤压方法易于形成粗晶环，该粗晶环表面具有低的耐腐蚀性。此外，金属内有残余应力，这一点对于车轮的轮缘是不希望的。使用传统方法获得的挤压型材要求进行补充工序以消除该残余应力，例如，借助热处理，校正或定型。耐腐蚀性的降低要求使用特殊涂层对轮缘表面补充防护。
本发明的目的是建立一种制造轻合金车轮的方法，它借助于合理利用原始半成品可大大提高车轮制造过程的生产率，同时又可提高金属的利用率，并改进所获制品的质量。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种制造轻合金车轮的方法，它包括用挤压法由原始坯料制得型材，将型材弯曲成环并进行对接焊接而制成轮缘，制出轮盘和随后与轮缘装配及接合，根据规定的材料组织的均匀度水平及型材的物理-力学性能，借助于坯料和挤压筒加热制度和挤压筒及挤压冲头移动的运动学制度的选择，在表面层无摩擦阻力作用或存在规定压应力条件下用预热坯料挤压法制造型材，型材弯曲成环是在型材弯曲机上进行，对接焊接后对所获轮缘进行校正，同时轮盘用铸造法或棒材或板材坯料冲压法制造，轮盘与轮缘用压配法装配，并随后焊接。
这样做有可能消除表面层内形成粗晶环而获得重量轻、耐腐蚀性高和工艺设计良好的高强度车轮。本方法的特点是生产率高。
为了获得具有最小粗晶环的均匀组织的挤压型材(粗晶环决定了轮缘内表面机加工余量)，并考虑到弯曲和校正过程中的尺寸变化，挤压用坯料的长度选择为不超过其直径的2倍，毛坯和挤压筒相应加热至坯料工艺塑性范围上限温度的(0.8～0.95)和(0.8～0.9)。挤压采用正挤法或反挤法进行，挤压速度等于型材致密度规定极限允许值的(0.3～0.5)。而且在正挤压时使用工艺润滑剂。
这样做可以获得具有对两种方法达到的最小粗晶环的挤压型材，它使车轮的机加工量减至最少，与传统的挤压制度比较，进一步提高了轮缘的强度。
获得在轮缘内表面方面无粗晶环和无机加工余量的挤压型材是用不使用工艺润滑剂的正挤法或反挤法在等温制度下实现的，这时将挤压筒和毛坯加热至坯料工艺塑性范围上限温度的(0.9～0.95)，挤压速度等于极限允许值的(0.2～0.3)，挤压通过双槽阴模，其槽的位置彼此相对，而且用作轮缘内表面的挤压型材表面背着阴模的纵轴。
这样做就有可能在正挤和反挤式压力机上使用传统方法获得不需要随后机加工的挤压型材，因为在挤压过程中在其内表面上实际不形成粗晶环，而轮缘部分则在型材表面形成，它随后处于汽车轮胎之下，受到轮胎保护免于腐蚀。
获得无粗晶环和无机加工余量的挤压型材的均匀组织、同时具有高的强度和塑性水平的途径是将毛坯和挤压筒加热至坯料工艺塑性范围上限温度的(0.75～0.9)，这时型材的挤压按“C∏AT”快速挤压法(在国外相应的名称为“Friction Assisted Exstrusion”-摩擦辅助挤压)在摩擦力的有效作用条件下进行，挤压速度等于受保留型材致密性所需极限允许值的(0.3～0.6)。这时挤压筒和挤压冲头的速度之比保持在(1.1～1.4)范围内。
这样做可提高挤压型材的强度和塑性，可使比较少的工序数目将型材弯曲成轮缘，并完全消除了轮缘的机加工。
形成轮缘外表面的型材外廓部分的几何形状和尺寸使其完全与该外表面一致，而形成轮缘内表面的型材外廓部分的几何形状和尺寸可以根据型材尺寸的变化，在弯曲和校正过程中，以及可能进行的轮缘内表面机加工时予以校正。在确定型材的外表面几何形状和尺寸时，应符合国家和国际标准的要求，而确定内表面的几何形状和尺寸时，应考虑缩陷、收缩、轮缘材料加热和冷却时温度条件的变化，以及可能的机加工。
这样做有可能优化车轮的重量和提高其单独元件的强度。
挤压型材的弯曲是在坯料不加热而预弯曲端头后以一道工序实现的。
这样做使有可能节省弯曲工序数目和降低工作成本。
弯曲塑性储备低的型材以带有中间退火的数道工序来实现，或者在加热状态下以一道工序完成。
这样做可以提高轮缘的质量。
弯曲成轮缘的挤压型材进行酸洗、清洗和烘干，然后进行对接焊接，对接面与成型的挤压型材侧边呈直角或锐角，同时，考虑到随后拉伸校正轮缘，型材的长度取等于计算长度的(0.97～0.99)。
这样做可以提高焊缝的质量和车轮结构的可靠性。
弯曲成轮缘的挤压型材用接触对接焊法进行对接焊接。
这样做保证了轮缘焊缝的高强度。
焊接轮缘的校正可以采用在分解阴模内扩径和缩径的方法，用橡胶、液体或聚氨基甲酸酯挤压法，或者上述方法的综合方案实现。这种方法保证了获得符合国家和国际标准要求的优质车轮。
焊接的轮缘的校正采用加热至型材材料工艺塑性范围的上限温度并使用分解型胎和随后在型胎上冷却轮缘至环境温度来实现。
与传统方法比较，这种方法提高了过程的生产率和制品的质量。
轮盘使用铸造毛坯模锻法或低压铸造法或反压铸造法制成。轮盘的配合表面进行机加工，然后将轮盘压入轮缘，并与其焊接。
这样做可扩大车轮的品种和工艺设计的可能性，并降低制造成本。
轮盘使用挤压坯料模锻法制造，并同时在分解模具中与轮缘装配，使用压力焊或氩弧焊法沿轮缘内表面将轮盘与轮缘焊接到一起。
这样做进一步提高了金属利用率。
轮盘使用棒材坯料在分解模具中模锻而制造，并同时与轮缘装配，以及在接近于工艺允许范围上限的加热温度下在保护环境中进行压力焊，同时使用在内表面制有工艺凸块或凹槽的轮缘。
这样做可进一步提高车轮的强度，并保证使用压力焊的条件。
本发明的制造轻合金车轮的方法以下列方式实现。
将进行挤压制取车轮轮缘型材的实心毛坯1(
图1)在感应炉或电阻炉2内进行加热。加热温度范围根据合金的型号选择。
例如，难变形铝合金毛坯的加热，可根据合金的种类、压机型号、对制件的物理-力学性能的要求、以及挤压速度选择为约320℃～480℃。
挤压前的毛坯加热可以降低挤压过程中的能量消耗。此外，在显示出压机效应(组织强化效应)的合金进行压力加工时，毛坯加热可以提高制件的力学性能水平。
毛坯1加热后被送往压机3(图1上按箭头A)，并被推入压机3的挤压筒5衬套的空腔4内。为了减少型材挤压过程中的能量消耗，最好在变形前将挤压筒5，阴模6和挤压冲头7进行预热。预热温度取决于挤压毛坯材料和所需挤压型材的物理-力学性能。例如，挤压难变形铝合金时，该温度约为320～420℃。随后在保证获得强度和塑性最佳结合的条件下开始挤压过程，这样就可消除或限制粗晶环的形成。例如，在以带有有效摩擦力作用的快速挤压法(C∏AT法)制取型材时，使挤压筒5和挤压冲头7同时向安装在长挤压冲头8上的阴模6方向移动，而且使挤压筒5的速度选择为大于挤压冲头7的速度。
采用这种运动学条件时，在坯料的侧表面产生朝着金属流动方向的摩擦力，这样就保证了在坯料与挤压筒接触表面附近产生压缩应力。在这样的条件下出现坯料中金属周边流动速度增大和轴心层金属流动速度减缓的现象。这样就大大改变了塑性区压缩部分金属流动的特点，并建立了平衡挤压型材体积内的组织和提高了其耐腐蚀性的条件。
挤压结束后用传统方法使制成的挤压型材9与挤压料头分离。然后将型材在热处理炉10中进行加热，随后在拉伸或辊轴校正机11上校正，并在切割机12上切割成计量长度的毛坯13。切割时既可采用无废料精修，也可采用有废料特型精修，这样可在将坯料弯曲成环时在对接面获得均匀的间隙。
挤压型材的计量坯料的长度选择为等于计算长度的(0.97～0.99)，这样就可以在下一步用拉伸法校正轮缘。
挤压型材弯曲成轮缘14是在型材弯曲机15上或压机的专门模具内实现的。随后进行焊接前对接面的准备，方法是修整弯曲轮缘两端的形状和相互位置，以便随后在焊机上安装。对接面可以与挤压型材的侧边呈直角或锐角设置。
根据所用合金类型的不同，轮缘在焊接前置于专用装置16的碱或酸液中进行酸洗，然后清洗和烘干。之后在焊机17上用连续熔焊法进行对接焊。轮缘型材的对接焊使用氩弧焊或接触焊法，可保证一系列合金的强度不低于挤压型材材料强度的90％。
经过焊缝清理18和质量检验19后进行焊接轮缘14的校正，其方法是扩径法，例如，在专门的扩径机20上或压机22的分解模21内进行。随后同时将轮盘23压入轮缘14，并进行校正。此道工序的结果消除了挤压型材对接面附近的直线部分和轮缘的椭圆度。
采用制成轮缘前成品挤压型材的长度等于计算长度的(0.97～0.99)限定了拉伸法校正空心制件的条件。当型材的长度小于上述值时，很可能出现轮缘椭圆度和变形材料塑性降低的情况。当挤压型材的长度大于上述值时，可能引起校正不当，不能消除椭圆度。
车轮轮盘23用铸造毛坯在闭合模内模锻制成，并形成规定的轮盘几何形状和挤出轮辐条间的空腔(见图1，箭头B)。模锻后，轮盘按轮盘与轮缘装配面的外形进行机加工，并同时清理轮辐条间区域，然后在装置25内进行酸洗。
随后进行下列工序在装置27内将轮盘23压入轮缘14，在装置25内酸洗，轮缘14与轮盘23焊接28，检验焊缝质量29和整个车轮的最终共同机加工30，质量检验31，涂漆32，在台架上最终检验33和包装34。作为一种方案，也可以用预先获得的挤压型材以热模锻法制造车轮轮盘23，立刻在分解模21中装配轮盘毛坯和轮缘成为车轮，并随后进行拉伸校正和焊接轮盘与轮缘。
异型坯料模锻(工艺顺序示于图1，箭头B)，可以在使用阴模组合结构基础上大大扩展车轮轮盘的工艺设计。利用挤压的可能性，就可获得各种不同工艺设计的型面。在这种情况下，轮盘的工艺设计仅取决于组合阴模的结构，其几何形状以及模具内膛的形状，这样的工艺措施可使毛坯的体积接近于轮盘锻件的体积，这就消除了形成辐条时消耗的金属废料，保证了消除阻滞区，并在沿轮盘整个体积内获得规定物理-力学性能水平的均匀变形组织。
车轮轮盘也可用熔融金属35以低压铸造36或反压铸造法制造。这种方法可以借助于使用异型铸造扩大工艺设计的可能性。
作为一种方案，轮盘可以在分解模内用棒材坯料模锻而成，并同时与轮缘在非氧化环境中在接近工艺允许温度范围的上限的高温下进行压力焊。
轮盘还可以用条状坯料板冲压法经几个工艺步骤制成。这种工艺措施可以减轻车轮重量和减少金属废料。
由此可见，本发明的制造轻合金车轮的方法可以最有效地获得高物理-力学性能水平的优质车轮，它比模锻的和铸造的车轮分别轻20％和40％。
借用于在轮缘型材挤压时阴模圈部的金属拉应力的降低，本发明方法可以获得具有高耐腐蚀性和规定物理-力学性能的型材。从而大大降低了轮缘的重量，并保证了其使用性能优于已知方法所能达到的水平。
在带有摩擦力积极作用的挤压时，借助于最佳温度-速度和运动学条件的选择可以获得沿型材长度和截面极高的力学性能，而无组织不均匀性，例如粗晶环之类，这点是任何其它挤压方法难以达到的。根据对车轮工作条件提出的要求，采用改变温度-速度制度的方法即可以获得具有高塑性水平的完全再结晶组织，也可以获得具有高强度水平的非再结晶组织。
除此之外，本发明方法由于使用了组合阴模来获取模锻轮盘用的挤压型材毛坯，故可保证轮盘的各种各样的工艺设计并可由一种类型的车轮迅速过渡至另一种类型的车轮。
图中标号的说明1-实心毛坯；2-感应炉；3-压机；4-挤压筒衬套空腔；5-挤压筒；6-阴模；7-挤压冲头；8-长冲头；9-挤压型材；10-热处理炉；11-校正机；12-锯机；13-计量尺寸的型材毛坯；14-轮缘；15-型材弯曲机；16-酸洗装置；17-焊接装置；18-轮缘焊缝清理机；19-焊缝质量检验；20-轮缘校正机；21-模具；22-模锻压机；23-由铸造毛坯模锻的轮盘；24-模锻后轮盘机加工装置；25-酸洗装置；26-环形件；27-将轮盘压入轮缘的装置；28-焊接装置；29-焊缝质量检验；30-整个车轮机加工；31-机加工后车轮质量检验；32-车轮涂漆；33-在试验台上检验车轮质量；34-车轮的油封和包装；35-熔融金属制备；36-低压铸造；37-X射线检验；38-清理浇冒口；39-轮盘铸件的热处理；40-轮盘的机加工
权利要求
1.一种制造轻合金车轮的方法，包括用挤压法由原始坯料制得型材，并将该型材弯曲成环并进行对接焊接而制成轮缘，制造轮盘和随后与轮缘装配及它们的连接，其特征在于，根据规定的材料组织均匀性水平和型材的物理-力学性能，借用于选择坯料和挤压筒的加热制度和挤压筒及挤压冲头移动的运动学制度的方法，在无摩擦阻力作用或在表面层存在规定压应力的条件下，用预热坯料挤压法制造型材，型材弯曲成环是在型材弯曲机上进行，对接焊后对获得的轮缘进行校正，轮盘用铸造法或由圆柱形或板状毛坯料冲压制造，而轮盘与轮缘的装配采用压入法并随后焊接。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为了获取具有最小量粗晶环的均匀组织的挤压型材(粗晶环决定了轮缘内表面机加工余量)并考虑在弯曲和校正过程中型材尺寸的变化，选择挤压坯料的长度不超过其直径的2倍，坯料和挤压筒分别加热至坯料工艺塑性范围上限温度的0.8～0.95及0.8～0.9，挤压以正挤法或反挤法进行，挤压速度等于型材致密性限定极限允许值的0.3～0.5，而且在正挤压时使用工艺润滑剂。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，获得具有在轮缘内表面无粗晶环均匀组织并且无机加工余量的挤压型材是在挤压筒和坯料加热至坯料工艺塑性范围上限温度0.9～0.95的等温制度下，采用不使用工艺润滑剂的正挤法或反挤法实现的，挤压速度等于极限允许值的0.2～0.3，挤压通过双槽阴模，其槽的位置彼此相对，而且用作轮缘内表面的挤压型材的表面背着阴模的纵轴。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为了获取具有无粗晶环和机加工余量的均匀组织，并具有高物理-力学性能水平的挤压型材，将坯料和挤压筒预热至坯料工艺塑性范围上限温度的0.75～0.9，而挤压是在摩擦力的积极作用下用“C∏AT”法进行的，挤压速度等于型材致密性限定的极限允许值的0.3～0.6，这时挤压筒与挤压冲头的速度之比保持在1.1～1.4范围内。
5.按照权利要求1～4中任何一项所述的方法，其特征在于，形成轮缘外表面的型材外廓部分的几何形状和尺寸使其完全与上述外表面一致，而形成轮缘内表面的型材外廓部分的几何形状和尺寸可以根据型材尺寸的变化，在弯曲和校正过程中以及可能的随后轮缘内表面机加工予以校正。
6.按照权利要求1和5所述的方法，其特征在于，挤压型材的弯曲是在坯料不加热而预弯曲端头后以一道工序实现的。
7.按照权利要求1和5所述的方法，其特征在于，弯曲塑性储备低的型材时以带有中间退火的数道工序来实现，或者在加热状态下实现。
8.按照权利要求1～4中任何一项所述的方法，其特征在于，弯曲成轮缘的挤压型材进行酸洗、清洗和烘干，然后进行对接焊接，对接面与型材侧边呈直角或锐角，同时，考虑到随后拉伸校正轮缘，型材的长度取等于计算长度的0.97～0.99。
9.按照权利要求1和6所述的方法，其特征在于，弯曲成轮缘的挤压型材，采用接触焊的对接焊接。
10.按照权利要求1和6所述的方法，其特征在于，焊接的轮缘的校正采用在分解阴模内扩径法和缩径法，或者用橡胶或聚氨基甲酸酯挤压法实现。
11.按照权利要求1和6所述的方法，其特征在于，焊接的轮缘的校正采用加热轮缘至型材材料工艺塑性范围上限温度并使用分解型胎和随后在型胎上冷却轮缘至环境温度来实现。
12.按照权利要求1～4中任何一项所述的方法，其特征在于，车轮轮盘使用铸造毛坯模锻或铸造法制成，轮盘装配表面进行机加工，然后将轮盘压入轮缘，并以轮缘内表面与其焊接。
13.按照权利要求1～4任何一项所述的方法，其特征在于，车轮轮盘使用挤压坯料模锻法制造，并同时在分解模内将轮盘与轮缘装配，并沿轮缘内表面用压力焊或氩弧焊法焊接轮盘与轮缘。
14.按照权利要求1～4中任何一项所述的方法，其特征在于，车轮轮盘是使用棒材坯料在分解模内模锻法制成，并同时将轮盘与轮缘装配，在接近于工艺允许温度范围的上限的加热温度下在保护气体环境中进行其压力焊，这时使用内表面制有工艺凸块或凹槽的轮缘。
全文摘要
一种制造轻合金车轮的方法,包括:用挤压法由原始坯料制得型材,将型材弯曲成环状并对接焊接而制成轮缘;制造轮盘;随后将轮盘与轮缘装配和连接。根据规定的材料组织均匀性水平和型材的物理—力学性能,借助于选择坯料和挤压筒加热制度和挤压筒及压头移动的运动学制度的方法,在无摩擦阻力作用或坯料表面层存在规定压应力的条件下,用预热坯料挤压法制造上述型材。而且为了获得具有无粗晶环和无机加工余量的均匀组织并具有高的物理－力学性能水平的挤压型材,挤压是在有效摩擦力积极作用条件下用“СПАТ”法进行的。型材弯曲成轮环状是在型材弯曲机上进行的,在对接焊接后对所获轮缘进行校正。轮盘用铸造法或由棒坯或板坯模锻法制成。用加压和随后焊接的方法将轮盘与轮缘装配在一起。
文档编号B21C23/14GK1202858SQ96198498
公开日1998年12月23日 申请日期1996年11月12日 优先权日1995年11月22日
发明者瓦莱里·N·谢尔巴 申请人:瓦莱里·N·谢尔巴