馮 娟

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院 陜西 西安 710089）

引言

汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，從上世紀(jì)九十年代后期開(kāi)始，汽車的安全法律、環(huán)保要求和能源要求更加嚴(yán)格?，F(xiàn)代汽車產(chǎn)品發(fā)展更加多樣化和智能化，產(chǎn)品銷售成本和開(kāi)發(fā)成本也不斷提升，汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，也促使汽車產(chǎn)業(yè)不斷調(diào)整規(guī)劃，改進(jìn)技術(shù)水平。鋁合金汽車輪轂壓鑄模具是一種比較復(fù)雜的曲面零件，輪轂通常采用壓鑄磨具生產(chǎn)，在加工中需要考慮鋁合金汽車輪轂的特點(diǎn)，合理設(shè)置刀路，使模具的表面和尺寸的精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)優(yōu)化數(shù)控加工程序，減少加工時(shí)間，提高加工質(zhì)量。

1 鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)汽車輪轂使用鋼材，相比鋁合金材質(zhì)，成本較低，但鋁合金材質(zhì)的輪轂優(yōu)勢(shì)明顯。鋁合金比鋼質(zhì)輪轂的質(zhì)量更小，同樣的輪轂載荷，汽車鋁合金輪轂大約比鋼制汽車輪轂質(zhì)量小30%～40%，相應(yīng)地可以減小汽車質(zhì)量，提高燃油效率，減少尾氣的排放，提高性能和質(zhì)量，滿足環(huán)保要求。鋁合金汽車輪轂散熱更快，汽車在行駛過(guò)程中，由于與地面的摩擦，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，制動(dòng)片和制動(dòng)盤(pán)的摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量。汽車輪胎和制動(dòng)裝置長(zhǎng)期在高熱量的環(huán)境下工作，不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損和老化，降低整體制動(dòng)效率，影響汽車的運(yùn)行，導(dǎo)致汽車剎車失靈、爆胎等問(wèn)題，交通事故的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。傳統(tǒng)鋼制輪轂的散熱效果不如鋁合金汽車輪轂，不能及時(shí)散去熱量[1-2]。鋁合金汽車輪轂駕駛性能和安全性能更高，外觀也比較多變，更能適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求，成為汽車輕量化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 鋁合金輪轂設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)汽車輪轂要以汽車的車型風(fēng)格為基礎(chǔ)，結(jié)合輪轂和輪胎的裝配情況，可供客戶選擇多樣的造型，要準(zhǔn)確把握輪轂各個(gè)裝配間的關(guān)系，保證能夠順利裝車。輪輞也就是輪圈，是車輪周邊安裝輪胎的位置，在設(shè)計(jì)輪輞中，規(guī)格代號(hào)的名義直徑和名義寬度以英寸表示，根據(jù)車輪的輪緣深度、形狀、裝車情況選擇合適的輪輞。輪輞有正向和反向。

在中間轂設(shè)計(jì)部分，需要注意安裝盤(pán)直徑設(shè)計(jì)和平面度設(shè)計(jì)，車輪和車軸間的連接面就是安裝面，設(shè)計(jì)的安裝盤(pán)直徑需要考慮兩個(gè)連接面的配合問(wèn)題，車輪的安裝盤(pán)直徑要稍小于車軸的連接面。設(shè)計(jì)安裝盤(pán)平面中，需要考慮安裝面螺栓的受力情況，注重防松設(shè)計(jì)，使用無(wú)螺栓孔沉孔結(jié)構(gòu)時(shí)，需要安裝面的平面向內(nèi)凹進(jìn)，通常分為3種情況。第一是從安裝面邊緣向中心孔內(nèi)部凹0.2°的斜面，或者從安裝面的邊緣，到中心孔倒角內(nèi)凹0.13～0.38 mm；第二種是安裝面的平面度不超過(guò)0.1 mm，并且不凸出；第三種是安裝面加防松槽，深0.5 mm。

3 鋁合金汽車輪轂?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)和加工工藝

3.1 鋁合金汽車輪轂?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)和建模

輪轂是汽車的關(guān)鍵零部件之一，是汽車的結(jié)構(gòu)件也是外觀件，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境下工作，需要有很高的制造水平，保證行駛的安全。鋁合金輪轂的性能好壞與制造質(zhì)量直接相關(guān)。通常為使輪轂有良好的美學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用變圓角、大扭角等結(jié)構(gòu)，但增加了銑削加工的難度。在設(shè)計(jì)和制造汽車輪轂?zāi)＞咧?，要充分體現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用特征。

幾何模型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、數(shù)控編程、工藝分析等都具有重要的作用，為產(chǎn)品制造提供了基本的信息[3]。本文介紹在鋁合金汽車輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)中，應(yīng)用UGNX軟件的情況。UGNX軟件主要是為了解決產(chǎn)品工程方案，幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工，提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證的方式，根據(jù)用戶的要求，改進(jìn)虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝，促進(jìn)實(shí)踐問(wèn)題的解決。模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立產(chǎn)品模型，利用UG軟件實(shí)體建模，全方位描述實(shí)體的幾何信息，以及所有拓?fù)湫畔?，更好地完成?shù)控加工、消隱、紋處理、剖切等操作。圖1為某汽車輪轂的產(chǎn)品模型圖。產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定著模具加工的難度，是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。

圖1 汽車輪轂三維模型

模具模型的設(shè)計(jì)需要根據(jù)產(chǎn)品模型進(jìn)行總體規(guī)劃分析。UG軟件設(shè)計(jì)模具模塊，具有模具初始化、模架、分型等功能，并且有模架庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件，方便用戶靈活使用，提高設(shè)計(jì)效率。建立模具模型首先要根據(jù)產(chǎn)品的尺寸、原型，建立實(shí)體模型，分析實(shí)體模型的尺寸、形狀，掌握分型情況，根據(jù)要求設(shè)計(jì)推桿、澆口、分型面等，然后初始化項(xiàng)目名稱和單位，加載實(shí)體模型，對(duì)分模方向、收縮率、尺寸進(jìn)行確定，修補(bǔ)開(kāi)放面、空洞，建立分形線、型腔、型芯等，設(shè)計(jì)電極、流道、澆口，最后羅列材料清單。流程如圖2所示。

3.2 鋁合金汽車輪轂?zāi)＞呒庸すに嚪治?/h3>

圖2 模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

汽車輪轂?zāi)＞叱叽绫容^大，可以使用直徑大于30 mm的刀具，最好采用合金圓鼻刀，效率高，并且耐用。輪轂凹槽不同，如果不能使用刀具，可以換小刀清理局部殘料，或者整體半精，局部依然留料較多的，需要再清理或者再局部半精，使精加工刀具均勻受力，提高表面加工質(zhì)量。上部分曲面使用較大的球刀精加工，上部分較小的內(nèi)圓角曲面使用小球刀精加工。下部分比較陡的曲面，使用合金圓鼻刀加工[4-5]。根據(jù)設(shè)計(jì)好的鋁合金輪轂?zāi)＞?，設(shè)置好各種參數(shù)，選擇相應(yīng)的加工流程。在加工中要考慮毛坯的加工余量是否穩(wěn)定和充分，數(shù)控加工面需要有均勻的余量。不同類型的零件使用相應(yīng)的數(shù)控加工機(jī)床，根據(jù)結(jié)構(gòu)和毛坯情況、定位安裝和夾緊等需求，確定加工順序。

4 鋁合金汽車輪轂?zāi)＞邤?shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

4.1 輪輞

輪輞機(jī)加余量設(shè)計(jì)要遵循以下原則，要能夠滿足鋁液的平穩(wěn)流動(dòng)需求，減少紊流；符合上下模和側(cè)模的拔模要求，防止毛坯變形，保證毛坯可以順利脫模；符合順序凝固原理，保證結(jié)構(gòu)上鋁液從輪輞兩端到輪輻凝固；通過(guò)設(shè)計(jì)，能夠一定程度上消除毛坯變形的影響。具體如表1所示。

表1 輪輞的機(jī)加工余量

4.2 車輪表面

車輪表面的機(jī)加工余量不能過(guò)大，要盡量表面外露鑄造的缺陷，保證能夠消除毛坯變形帶來(lái)的影響。對(duì)輻條正面車亮面時(shí)，角度A要以R角為依據(jù)，通常為30°～50°，防止尖角腐蝕，避免應(yīng)力過(guò)于集中。車輪表面的機(jī)加工余量如表2所示。

表2 車輪表面機(jī)加工余量

4.3 鋁輪底模

底模是鋁輪擠壓鑄造裝備的重要零件，關(guān)系著鋁輪毛坯的生產(chǎn)質(zhì)量，以及模具的裝配質(zhì)量，對(duì)汽車行駛的安全性具有重要影響。底模加工技術(shù)要求部分表面粗糙度Ra0.8，底模與側(cè)模配合處需要h8的尺寸精度。要求較高質(zhì)量的擠壓面表面，可以使用Ra0.2～0.8的底模工作，表面必須沒(méi)有任何缺陷，端面和柱角必須沒(méi)有圓角或者倒角[6]。圓柱體的尺寸精度達(dá)到IT7，不能有明顯的接刀痕跡，同軸度達(dá)到φ0.1 mm，全圓弧形表面粗糙度達(dá)到Ra3.2 mm。粗加工底模后，進(jìn)行去應(yīng)力退火操作。

4.4 工藝設(shè)置

加工工藝包括選擇刀具和機(jī)床、規(guī)劃走刀的路線、設(shè)置主軸的轉(zhuǎn)速及切削速度等。在數(shù)控銑削加工中，使用的刀具有環(huán)型刀、球頭刀、端銑刀、錐形刀、鼓形刀等，需要根據(jù)不同的加工特征進(jìn)行選擇。在允許工藝系統(tǒng)剛度和有充足機(jī)床動(dòng)力的條件下，要盡量加大切削的深度，提高生產(chǎn)效率。切削寬度和切削深度通常成反比，與刀具的直徑成正比。切削的速度與刀具的耐用程度有關(guān)，如果切削速度增加，耐用度就會(huì)降低[7]。

不同的加工材料，切削速度也不同，比如立銑刀切削模具鋼速度為120 m/min，銑削鋁合金的速度為800 m/min以上。刀具、工具材料、零件的粗糙度等都會(huì)影響進(jìn)給速度，增加進(jìn)給速度，可以提高生產(chǎn)效率。通常工件材料的強(qiáng)度越高，每齒的進(jìn)給量越低。粗糙度越小，進(jìn)給速度越小。數(shù)控銑削加工夾具有三爪卡盤(pán)、分度頭、平口鉗等，下模加工通常使用三爪卡盤(pán)，可以提高工作效率。下模加工有精加工、半精加工、粗加工，在下模選擇定位基準(zhǔn)時(shí)，要考慮基準(zhǔn)統(tǒng)一和重合，保證加工的精度，防止誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車鋁合金輪轂的壓鑄模從設(shè)計(jì)到加工是關(guān)鍵技術(shù)，隨著數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用，數(shù)控加工技術(shù)受到人們的關(guān)注。優(yōu)化數(shù)控加工程序，合理的刀路設(shè)置等，能夠提高鋁合金汽車輪轂?zāi)＞叩馁|(zhì)量，提高加工效率。