[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200910073672.4
[51]Int.CI.
B21C 23/02 (2006.01)B21C 25/00 (2006.01)
[43]公开日2009年7月15日[22]申请日2009.01.19[21]申请号200910073672.4
[71]申请人中北大学
地址030051山西省太原市尖草坪区学院路3号[72]发明人张治民 王强 马春生 张宝红
[11]公开号CN 101480670A
[74]专利代理机构山西五维专利事务所（有限公司）
代理人李印贵
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页
[54]发明名称
一种镁合金车轮挤旋成形方法及其装置
[57]摘要
本发明一种镁合金车轮挤旋成形方法及其装置，采用筒形的预制毛坯；特点是：首先将所述的预制毛坯置于芯模上，使用平面加压装置对预制毛坯轴向移动进行扩口；然后，再使预制毛坯与芯模一起转动，并通过带有与车轮外轮廓相同形状的转动旋轮沿预制毛坯的径向进给运动，对预制毛坯进行挤旋，使预制毛坯在径向上产生连续的局部塑性变形，最终成形出所需镁合金车轮外轮廓。其装置包括机架与芯模，机架为箱形机架并为恒温油箱，在箱形机架内还有旋轮装置、芯模转动装置、平面加压装置与箱盖；本发明解决了中间小、两头大车轮类零件的成形与脱模问题，具有等温挤压，制品尺寸精度比较高，提高了生产效率等优点。
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权 利 要 求 书
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1、一种镁合金车轮挤旋成形方法，采用筒形的预制毛坯；其特征是：首先，将所述的预制毛坯置于芯模上，使用平面加压装置对预制毛坯轴向移动进行扩口；然后，再使预制毛坯与芯模一起转动，并通过带有与车轮外轮廓相同形状的转动旋轮沿预制毛坯的径向进给运动，对预制毛坯进行挤旋，使预制毛坯在径向上产生连续的局部塑性变形，最终成形出所需镁合金车轮外轮廓。 2、按照权利要求1所述的一种镁合金车轮挤旋成形方法，其特征是：该成形方法是在恒温箱内完成的，对恒温箱中的温度进行控制，使预制毛坯的温度始终保持所需的温度，以实现预制毛坯的等温挤旋成形。
3、按照权利要求2所述的一种镁合金车轮挤旋成形方法，其特征是：所述的恒温箱中的温度进行控制是通过在恒温箱中控制加热高温油的温度来实现的。
4、一种镁合金车轮挤旋成形装置，包括机架(1)与芯模(2)，其特征是：所述的机架为带盖(6)的箱形机架，在箱形机架上还有旋轮装置(3)、芯模转动装置(4)、平面加压装置(5)；所述的芯模转动装置装于箱形机架的底部，芯模装于芯模转动装置顶部；所述的旋轮装置装于箱形机架的箱壁上，并沿预制毛坯的径向布置及进给；所述的平面加压装置置于芯模之上的预制毛坯(7)上面。
5、按照权利要求4所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是所述的旋轮装置若有二个，沿预制毛坯的径向对称布置；所述的旋轮装置若有三个，沿预制毛坯的径向并在圆周上呈120°布置。
6、按照权利要求4所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是：所述的旋轮装置包括外圆设有的旋轮(301)、旋轮轴(302)、旋轮支架(303)、侧向连接杆(304)、旋轮轴承(305)、旋轮轴承压盖(306)、轴套(307)与旋轮轴套压盖(308)；所述的侧向连接杆穿过轴套，一端与旋轮支架固定连接，另一端伸出机架，旋轮与旋轮轴通过平键固定连接，旋轮轴与旋轮支架通过旋轮轴承滚动连接，旋轮轴承压盖固定连接在旋轮支架上，并压紧在旋轮轴两端的旋轮轴承；侧向连接杆与箱形机架依靠轴套密封。
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7、按照权利要求6所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是：所述的旋轮带有与镁合金车轮外轮廓相同的形状。
8、按照权利要求4所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是：所述的芯模转动装置包括传动轴(401)、传动轴承(402)、大斜齿轮(403)、小斜齿轮(404)、转动轴(405)、转动轴承(406)、与传动轴承压盖(407)；所述的传动轴通过轴承与机架滚动连接，一端伸出机架，另一端通过键与小斜齿轮固定连接；所述的转动轴通过转动轴承与箱形机架的底部滚动连接，转动轴一端通过键与芯模固定连接，另一端通过键与大斜齿轮固定连接；转动轴穿过箱形机架的底部并设有密封圈(408)，所述的大、小斜齿轮将传动轴输入的力矩传递于转动轴。
9、按照权利要求4所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是：所述的平面加压装置包括轴向压紧杆(501)、压板(502)、止推轴承(503)与径向轴承(504)、轴承压盖(505)与弹簧锁扣(506)；所述的轴向压紧杆(501)一端与液压机主缸固定连接，另一端穿过止推轴承与轴承径向通过轴承压盖、螺母与压板滚动连接，轴承压盖固定连接在压板上，并压紧轴向压紧杆穿过的止推轴承与轴承径向；压板上设有穿过预制毛坯中心孔的凸台，凸台上带有弹簧锁扣；所述的轴向压紧杆穿过箱盖(6)，所述的压板与预制毛坯为活动连接。 10、按照权利要求4所述的一种镁合金车轮挤旋成形装置，其特征是：所述的箱形机架(1)为恒温箱，恒温箱底部设有下支座；所述的恒温箱内还设有高温油、加热器、温度传感器，所述的恒温油箱还配有控温装置；所述的加热器置于高温油中并对高温油进行加热，使用温度传感器和控温装置对加热高温油的工作温度进行检测与控制。
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说 明 书
一种镁合金车轮挤旋成形方法及其装置
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一、技术领域
本发明涉及塑性加工工艺及设备领域，具体的说是主要用于镁合金车轮挤旋成形方法及其装置。 二、背景技术
镁合金具有密度小、强度高、阻尼性能好等一系列优点，在汽车上显示出巨大的优越性，镁合金车轮是新一代汽车零件替代新材料的典型。目前，对于镁合金车轮，主要有铸造和锻造两种加工方式：
1、铸造镁合金车轮：主要采用低压铸造、压力铸造、挤压铸造等方法制造，国内外已有研究报道，但铸造镁合金车轮，强度和韧性比较低，难以满足高性能车轮的使用要求，实际工程化应用还未见报导。
2、锻造镁合金车轮：具有比较高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，可满足高性能车轮的使用要求。国内外已开展了相关的研究，如：中国专利号ZL031003.3公开的镁合金汽车轮毂铸-挤复合成形方法，中国专利号200610012829.9公开的一种汽车轮毂省力成形方法及装置，中国专利号200810054600.0公开的一种镁合金汽车车轮挤压成形方法与模具，中国专利号200510010214.8公开的一种固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法等，但是，现有锻造镁合金车轮成形方法存在的不足，是轮缘难以成形及脱模困难，且产品精度较低，材料利用率较低，生产成本高，因而难以适应汽车产业快速发展的需求。
对于车轮类带凸缘、截面变厚度回转体零件，旋压是有效的成形技术。如美国专利US005902424A公开了一种镁合金成形的加工方法(METHOD OF MAKINGAN ART ICLE OF MANUFCTURE MADE OF MAGNES IUM ALLOY)，采用铸坯—锻造—T6处理—旋锻—轧制工艺，完成镁合金车轮的制造。该方法工艺复杂，采用的常规旋锻、轧制工艺，对具有密排六方晶格塑性较低的镁合金来说应用难度大，对于镁合金车轮旋锻或轧制设备及装置未见详细报导。另外，旋压成形技术不仅可加工空心轴对称零件，也可加工各部分轴线间相互平行或成一定夹角的非
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轴对称薄壁空心零件，并开发有旋压机床及装置，如中国专利号ZL02114937.2公开的一种旋压成形方法及其装置等。但现有旋压机床及装置难以应用于镁合金旋压成形，更无法实现镁合金车轮的旋压成形。 三、发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种解决车轮轮缘难以成形及脱模问题，同时，可以提高产品精度和生产效率，降低生产成本的镁合金车轮挤旋成形方法及其装置。
为实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种镁合金车轮挤旋成形方法，采用筒形的预制毛坯；其特征是：首先，将所述的预制毛坯置于芯模上，使用平面加压装置对预制毛坯轴向移动进行扩口；然后，再使预制毛坯与芯模一起转动，并通过带有与车轮外轮廓相同形状的转动旋轮沿预制毛坯的径向进给运动，对预制毛坯进行挤旋，使预制毛坯在径向上产生连续的局部塑性变形，最终成形出所需镁合金车轮外轮廓。 该成形方法是在恒温箱内完成的，对恒温箱中的温度进行控制，使预制毛坯的温度始终保持所需的温度，以实现预制毛坯的等温挤旋成形。 一种镁合金车轮挤旋成形装置，包括机架与芯模，其特征是：所述的机架为带盖的箱形机架，在箱形机架上还有旋轮装置、芯模转动装置、平面加压装置；所述的芯模转动装置装于箱形机架的底部，芯模装于芯模转动装置顶部；所述的旋轮装置装于箱形机架的箱壁上，并沿预制毛坯的径向布置及进给；所述的平面加压装置置于芯模之上的预制毛坯上面。
所述的旋轮装置若有二个，沿预制毛坯的径向对称布置；所述的旋轮装置若有三个，沿预制毛坯的径向并在圆周上呈120°布置。
本发明一种镁合金车轮挤旋方法及其装置与现有技术比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：
(1)解决了车轮轮缘难以成形及脱模的问题，提高了制品表面质量和尺寸精度，材料利用率高，简化了工艺过程，降低了生产成本。
(2)采用与产品外轮廓形状相同的旋轮，产生的三向压应力提高了镁合金制品的塑性，扩口后挤旋减小了成形难度；
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(3)采用恒温箱、高温油及温度控制实现了等温成形，同时作为挤旋成形的润滑剂，减小了摩擦，改善了镁合金的塑性；
(4)本发明装置既可用于专用液压机，也可以用于普通液压机，工作稳定可靠，操作简单，提高了生产效率； 四、附图说明
图1是本发明镁合金车轮挤旋成形装置的主视图。 图2是本发明镁合金车轮挤旋成形装置的俯视图。
图3是本发明镁合金车轮挤旋成形装置的内部结构示意图。 图4是镁合金车轮成品示意图。 图5是车轮预制坯结构示意图。 五、具体实施方式
以下结合附图就具体实施方式进行详细说明(本实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明作出的任何限定)。
图1和图2所示，本发明镁合金车轮等温挤旋装置。一种镁合金车轮挤旋成形装置，包括机架1与芯模2，其特征是：所述的机架1为箱形机架，在箱形机架内还有旋轮装置3、芯模转动装置4、平面加压装置5与箱盖6；所述的芯模转动装置4装于箱形机架的底部，芯模装于芯模转动装置4顶部；所述的旋轮装置3装于箱形机架的箱壁上，并沿预制毛坯的径向布置及进给；而所述的平面加压装置5置于芯模之上的预制毛坯7上面。
本发明镁合金车轮挤旋成形装置所述的旋轮装置可以是一至三个，若有二个，沿预制毛坯的径向对称布置；所述的旋轮装置若有三个，沿预制毛坯的径向并在圆周上呈120°布置。
图3所示，本发明镁合金车轮挤旋成形装置的内部结构示意图。旋轮装置3包括外轮廓设有与镁合金车轮外轮廓相同形状的旋轮301、旋轮轴302、旋轮支架303、侧向连接杆304、旋轮轴承305、旋轮轴承压盖306、轴套307与旋轮轴套压盖308；所述的侧向连接杆穿过轴套，一端与旋轮支架固定连接，另一端伸出机架(可与液压机侧缸固定连接)，旋轮与旋轮轴通过平键固定连接，旋轮轴与旋轮支架通过旋轮轴承滚动连接，旋轮轴承压盖固定连接在旋轮支架
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上，并压紧在旋轮轴两端的旋轮轴承；侧向连接杆与箱形机架依靠轴套密封。 芯模转动装置包括传动轴401、传动轴承402、大斜齿轮403、小斜齿轮404、转动轴405、转动轴承406、与传动轴承压盖407；所述的传动轴通过轴承与机架滚动连接，一端伸出机架(可与电机输出轴连接)，另一端通过键与小斜齿轮固定连接；所述的转动轴通过转动轴承与箱形机架的底部滚动连接，转动轴一端通过键与芯模固定连接，另一端通过键与小斜齿轮固定连接；转动轴穿过箱形机架的底部并设有密封408，所述的大、小斜齿轮将传动轴输入的力矩传递于转动轴。
平面加压装置包括轴向压紧杆501、压板502、止推轴承503与径向轴承504、轴承压盖505与弹簧锁扣506；所述的轴向压紧杆501一端与液压机主缸固定连接，另一端穿过止推轴承与径向轴承通过轴承压盖、螺母与压板滚动连接，轴承压盖固定连接在压板上，并压紧轴向压紧杆穿过的止推轴承与径向轴承；压板上设有穿过预制毛坯中心孔的凸台，凸台上带有弹簧锁扣；所述的轴向压紧杆穿过箱盖6，所述的压板与预制毛坯为活动连接。
箱形机架1为恒温箱，恒温箱底部设有下支座；所述的恒温箱内还设有高温油、加热器、温度传感器，所述的恒温箱还配有控温装置(微机控温仪)；所述的加热器置于高温油中对高温油进行加热，使用温度传感器和控温装置对加热高温油的工作温度进行检测与控制，所述的高温油的工作温度范围：室温～350℃。所述的旋轮装置3、芯模转动装置4、平面加压装置5置于恒温箱内，而传动轴401、传动轴承402、一对斜齿轮403、404、转动轴405、转动轴承406与转动轴承压盖407装于下支座。 本发明应用示例：
选取镁合金车轮，如图4所示，选择Mg-Al-Zn系AZ80镁合金作为车轮材料，根据上述发明，车轮的成形工艺如下：
下料——均匀化处理、镦粗——加热——挤压制备预制毛坯——加热——挤旋——热处理——最终机加——表面处理。 1、下料、均匀化处理、镦粗及挤压制坯
选择采用半连续铸造(或电磁铸造)成型的AZ80镁合金铸锭，车削外皮后，
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带锯床下料锯切成所需的棒料，经加热均匀化处理后，直接镦粗压缩制成所需的挤压坯料，采用挤压工艺制备成镁合金车轮筒形的预制毛坯，如图5所示。 2、等温挤旋
等温挤旋工艺由本发明镁合金车轮挤旋装置来实现，如图1、2所示，挤旋成形方法是采用筒形的预制毛坯；首先将所述的预制毛坯置于芯模上，使用平面加压装置对预制毛坯轴向移动进行扩口；然后，再使预制毛坯与芯模一起转动，并通过带有与车轮外轮廓相同形状的转动旋轮沿预制毛坯的径向进给运动，对预制毛坯进行挤旋，使预制毛坯在径向上产生连续的局部塑性变形，最终成形出所需镁合金车轮外轮廓。
该成形方法是在恒温箱内完成的，对恒温箱中的温度进行控制，使预制毛坯的温度始终保持所需的挤压温度，从而实现预制毛坯的等温挤旋成形。本发明应用示例中恒温箱的温度控制是通过在恒温箱中控制加热高温油的温度进行的。恒温箱的温度加热和控制也可以采用其它方式，如加热电阻，各种红外热辐射加热管等。
使用的设备为12500-3150-3150KN多向成形液压机。预制毛坯在电炉中加热到250～350℃，恒温箱中的高温油加热到与预制毛坯相同的温度。 等温挤旋成形过程如下：
(1)将加热到指定温度的预制毛坯通过弹簧锁扣置于工件压板下，然后液压机主缸工作，压下轴向压紧杆至设定位置，完成扩口成形；
(2)启动电机使芯模旋转，液压机侧向缸进给，两个工位的旋轮装置工作，通过旋轮径向加载并进给，使坏料在厚度方向上按旋轮表面的外轮廓形状变形，对扩口后的预制毛坯进行成形、整形，最终完成车轮的挤旋成形。 (3)液压机侧向缸回程后，液压机主缸回程，带动预制毛坯固定卡盘平移部分上升，取出工件。 3、后续处理
对Mg-Al-Zn系合金AZ80采用单一人工时效处理，即可获得较高的综合机械性能。AZ80时效处理规范：177±5℃保温16小时，可满足汽车车轮静力强度。热处理后进行机械加工，机加工后进行表面处理与涂装。
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