轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略
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换热过程存在沸 腾 传 热 与 多 相 流 动,换 热 过 程 极
[ ]
其复杂;
LI等 １２ 研 究 发 现,轮 毂 热 处 理 淬 火 阶 段
产生的残余应力对车轮疲劳特性及抗冲击特性有
较大影响;白帮伟等 [１３]采用单变 量 试 验 和 统 计 方
法分析发现,轮毂热处理变形与热处理工艺、轮毂
结构、显微组织均有关系,在淬火热应力与组织应
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力双重作用 下 轮 毂 发 生 热 处 理 变 形.综 上 可 知,
图 １ 铝合金轮毂结构示意图
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轮毂淬火换热过程受热处理工艺、轮毂结构、淬火
热处理试验装置 为 基 础,自 主 搭 建 铝 合 金 轮 毂 分
业的转型升级.
本文采用喷淋 ＋ 入水的新型复合式分级淬火
新工艺,突破现有热处理工艺限制,实现铝合金轮
毂淬火过程的形性一体化调控.通过搭建铝合金
级淬火热处理平台主体由快速取料及入水运送机
构、电阻加热炉、恒温水槽、分级喷淋冷却结构、数
据采集系统 等 部 分 组 成.其 中,快 速 取 料 及 入 水
运送机构采用 PLC 控制系统确保工艺稳定性;恒
介质沸腾与多相 流 动 等 综 合 影 响,换 热 及 变 形 过
级淬火热处理试 验 平 台,并 在 该 试 验 平 台 上 进 行
程极其复杂,轮毂 轻 量 化 引 起 的 结 构 刚 度 降 低 进
新型 分 级 热 处 理 工 艺 研 究.如 图 ２ 所 示,轮 毂 分
一步加剧了轮毂 变 形,大 大 限 制 了 铝 合 金 轮 毂 产
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铸造铝合金轮毂具有物美价廉、轻质高强、良
好散 热 性 能、易 回 收 等 诸 多 优 点,对 汽 车 轻 量 化、
节能减 排 与 改 善 操 控 性 能 都 具 有 重 要 意 义 [１Ｇ３].
温水槽采用热电阻控温系统保证水温恒定.为准
轮毂区域精准热处理试验平台及设计轮毂端面变
形检测装置,详细 分 析 了 轻 质 铝 合 金 轮 毂 热 处 理
变形特性,在满足 轮 毂 力 学 性 能 指 标 前 提 下 尽 可
能减小毛坯变形,实 现 轻 质 铸 造 铝 合 金 轮 毂 的 热
处理变形控制,为 铝 合 金 轮 毂 制 造 过 程 提 供 新 的
中 国 机 械 工 程
第 ３４ 卷 第 １０ 期
２０２３ 年 ５ 月
CHINA MECHANICALENGINEERING
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轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略
池 慧１ 燕 猛１,３ 项鹏飞１,２ 徐正琦１,２ 安子军１ 黄华贵１,２
燕山大学机械工程学院,秦皇岛,
温度场及热应力 场 的 分 布 规 律,研 究 结 果 表 明 轮
毂淬火最大应力 小 于 其 强 度 极 限,且 距 离 轮 辐 最
远的内/外轮 缘 变 形 量 最 大;宋 金 升 等 [１１]采 用 计
算流体力学分析了铝合金轮毂动态淬火过程温度
受流场分布的影 响 规 律,研 究 结 果 表 明 轮 毂 淬 火
解决方案.
１ 轮毂热处理试验及检测装置
１．
１ 铝合金轮毂结构特征
如图 １ 所 示,铝 合 金 轮 毂 结 构 复 杂,包 括 轮
(
a)结构示意图
辐、轮辋、轮心、内 轮 缘、外 轮 缘 等 结 构. 现 阶 段,
铝合金轮毂 材 料 一 般 为 A３５６．
２ 铝 合 金,低 压 金
属模 具 铸 造 后 采 用 T６ 热 处 理 工 艺 (
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构等综合实现轮毂端面的高精度检测.
图 ４ 轮毂性能监测示意图
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以外轮缘为例,本 程 序 将 外 轮 缘 变 形 结 果 分 解 为
外轮缘实际变形量 和 内 轮 缘 倾 斜 变 形 (内 轮 缘 倾
斜角θx２),通过迭 代 对 比 内 轮 缘 倾 斜 角 和 内 轮 缘
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中国机械工程 第 ３４ 卷 第 １０ 期 ２０２３ 年 ５ 月下半月
确监测轮毂淬火 温 度 变 化,本 文 在 轮 毂 不 同 位 置
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埋入热 电 偶 并 通 过 数 据 采 集 系 统 进 行 采 集. 最
后,通过对比试验 装 置 与 工 业 现 场 同 等 工 艺 下 轮
毂端面变形特性来验证试验装置的准确性.
１．
３ 轮毂变形检测装置
由图 １ 可知,作为机加工基准面的内/外轮缘
区域,其变形特性直接影响毛坯加工设计余量,进
而降低轮毂 金 属 利 用 率 和 生 产 效 率.现 阶 段,主
５４０ ℃/
２８０ mi
n＋８０ ℃ 水/３ mi
n ＋１６０ ℃/１５０ mi
n)来
提高力学性能.对时效后的铝合金轮毂分别以外
轮缘和内轮缘端面作为基准面进行车削加工.轮
毂内/外轮缘,尤 其 是 作 为 初 始 加 工 基 准 的 外 轮
缘,其轴向端面变 形 特 性 直 接 影 响 轮 毂 车 削 后 的
要求,轮毂外轮缘端面变形最大减幅达４１．
５％ ,新工艺可有效改善轻质铝合金轮毂的热处理轮毂端面变
形情况.
关键词:铝合金轮毂;端面变形;分级淬火;形性调控
中图分类号:
TG１５６
DOI:
１０．
３９６９/
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开放科学(资源服务)标识码(
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要采用手持激光扫描仪检测整体变形,然而,轮缘
区域仅 ３~６ mm,激光扫 描 仪 检 测 精 度 不 足.为
实现铝合金轮毂 热 处 理 变 形 特 性 精 准 分 析,本 文
自主设计铝合金轮毂轮缘高精度检测装置.如图
３ 所示,检测装 置 通 过 ３D 激 光 轮 廓 扫 描 仪、激 光
定位传感器、高精度回转工作台、浮动基准调节结
１．
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国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,
秦皇岛,
２．
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河北省轻质结构装备设计与制备工艺技术创新中心,秦皇岛,
３．
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摘要:为实现轻质铝合金轮毂的热处理变形精准调控,提出了喷淋 ＋ 入水的新型分级区域淬火新工
艺,通过搭建铝合金轮毂分级热处理试验平台及设计轮毂端面变形检测装置,对轻质铝合金轮毂热处理
变形特性进行了详细分析.研究结果表明,轮毂内/外轮缘端面变 形 特 性 受 轮 毂 结 构 刚 度 的 影 响,内 轮
缘变形呈现与外轮缘随动的变形特征;受轮毂换热不均匀、内部组织缺 陷 等 影 响,整 体 变 形 呈 现 一 定 的
随机特性.在喷淋 ＋ 入水的新型分级区域淬火新工艺下,轮毂典型监测点力学性能、硬度指标满足国标
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轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略———池 慧 燕 猛 项鹏飞等
如何实现轮毂淬火变形精确调控成为业内专家和
企业 关 注 的 焦 点 和 难 点 [７Ｇ９]. 赵 旺 初 等 [１０] 采 用
ANSYS 有限元软件分 析 了 铝 合 金 轮 毂 淬 火 过 程
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换热过程存在沸 腾 传 热 与 多 相 流 动,换 热 过 程 极
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LI等 １２ 研 究 发 现,轮 毂 热 处 理 淬 火 阶 段
产生的残余应力对车轮疲劳特性及抗冲击特性有
较大影响;白帮伟等 [１３]采用单变 量 试 验 和 统 计 方
法分析发现,轮毂热处理变形与热处理工艺、轮毂
结构、显微组织均有关系,在淬火热应力与组织应
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轮毂淬火换热过程受热处理工艺、轮毂结构、淬火
热处理试验装置 为 基 础,自 主 搭 建 铝 合 金 轮 毂 分
业的转型升级.
本文采用喷淋 ＋ 入水的新型复合式分级淬火
新工艺,突破现有热处理工艺限制,实现铝合金轮
毂淬火过程的形性一体化调控.通过搭建铝合金
级淬火热处理平台主体由快速取料及入水运送机
构、电阻加热炉、恒温水槽、分级喷淋冷却结构、数
据采集系统 等 部 分 组 成.其 中,快 速 取 料 及 入 水
运送机构采用 PLC 控制系统确保工艺稳定性;恒
介质沸腾与多相 流 动 等 综 合 影 响,换 热 及 变 形 过
级淬火热处理试 验 平 台,并 在 该 试 验 平 台 上 进 行
程极其复杂,轮毂 轻 量 化 引 起 的 结 构 刚 度 降 低 进
新型 分 级 热 处 理 工 艺 研 究.如 图 ２ 所 示,轮 毂 分
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好散 热 性 能、易 回 收 等 诸 多 优 点,对 汽 车 轻 量 化、
节能减 排 与 改 善 操 控 性 能 都 具 有 重 要 意 义 [１Ｇ３].
温水槽采用热电阻控温系统保证水温恒定.为准
轮毂区域精准热处理试验平台及设计轮毂端面变
形检测装置,详细 分 析 了 轻 质 铝 合 金 轮 毂 热 处 理
变形特性,在满足 轮 毂 力 学 性 能 指 标 前 提 下 尽 可
能减小毛坯变形,实 现 轻 质 铸 造 铝 合 金 轮 毂 的 热
处理变形控制,为 铝 合 金 轮 毂 制 造 过 程 提 供 新 的
中 国 机 械 工 程
第 ３４ 卷 第 １０ 期
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轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略
池 慧１ 燕 猛１,３ 项鹏飞１,２ 徐正琦１,２ 安子军１ 黄华贵１,２
燕山大学机械工程学院,秦皇岛,
温度场及热应力 场 的 分 布 规 律,研 究 结 果 表 明 轮
毂淬火最大应力 小 于 其 强 度 极 限,且 距 离 轮 辐 最
远的内/外轮 缘 变 形 量 最 大;宋 金 升 等 [１１]采 用 计
算流体力学分析了铝合金轮毂动态淬火过程温度
受流场分布的影 响 规 律,研 究 结 果 表 明 轮 毂 淬 火
解决方案.
１ 轮毂热处理试验及检测装置
１．
１ 铝合金轮毂结构特征
如图 １ 所 示,铝 合 金 轮 毂 结 构 复 杂,包 括 轮
(
a)结构示意图
辐、轮辋、轮心、内 轮 缘、外 轮 缘 等 结 构. 现 阶 段,
铝合金轮毂 材 料 一 般 为 A３５６．
２ 铝 合 金,低 压 金
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图 ４ 轮毂性能监测示意图
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外轮缘实际变形量 和 内 轮 缘 倾 斜 变 形 (内 轮 缘 倾
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埋入热 电 偶 并 通 过 数 据 采 集 系 统 进 行 采 集. 最
后,通过对比试验 装 置 与 工 业 现 场 同 等 工 艺 下 轮
毂端面变形特性来验证试验装置的准确性.
１．
３ 轮毂变形检测装置
由图 １ 可知,作为机加工基准面的内/外轮缘
区域,其变形特性直接影响毛坯加工设计余量,进
而降低轮毂 金 属 利 用 率 和 生 产 效 率.现 阶 段,主
５４０ ℃/
２８０ mi
n＋８０ ℃ 水/３ mi
n ＋１６０ ℃/１５０ mi
n)来
提高力学性能.对时效后的铝合金轮毂分别以外
轮缘和内轮缘端面作为基准面进行车削加工.轮
毂内/外轮缘,尤 其 是 作 为 初 始 加 工 基 准 的 外 轮
缘,其轴向端面变 形 特 性 直 接 影 响 轮 毂 车 削 后 的
要求,轮毂外轮缘端面变形最大减幅达４１．
５％ ,新工艺可有效改善轻质铝合金轮毂的热处理轮毂端面变
形情况.
关键词:铝合金轮毂;端面变形;分级淬火;形性调控
中图分类号:
TG１５６
DOI:
１０．
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要采用手持激光扫描仪检测整体变形,然而,轮缘
区域仅 ３~６ mm,激光扫 描 仪 检 测 精 度 不 足.为
实现铝合金轮毂 热 处 理 变 形 特 性 精 准 分 析,本 文
自主设计铝合金轮毂轮缘高精度检测装置.如图
３ 所示,检测装 置 通 过 ３D 激 光 轮 廓 扫 描 仪、激 光
定位传感器、高精度回转工作台、浮动基准调节结
１．
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国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,
秦皇岛,
２．
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河北省轻质结构装备设计与制备工艺技术创新中心,秦皇岛,
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摘要:为实现轻质铝合金轮毂的热处理变形精准调控,提出了喷淋 ＋ 入水的新型分级区域淬火新工
艺,通过搭建铝合金轮毂分级热处理试验平台及设计轮毂端面变形检测装置,对轻质铝合金轮毂热处理
变形特性进行了详细分析.研究结果表明,轮毂内/外轮缘端面变 形 特 性 受 轮 毂 结 构 刚 度 的 影 响,内 轮
缘变形呈现与外轮缘随动的变形特征;受轮毂换热不均匀、内部组织缺 陷 等 影 响,整 体 变 形 呈 现 一 定 的
随机特性.在喷淋 ＋ 入水的新型分级区域淬火新工艺下,轮毂典型监测点力学性能、硬度指标满足国标
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轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略———池 慧 燕 猛 项鹏飞等
如何实现轮毂淬火变形精确调控成为业内专家和
企业 关 注 的 焦 点 和 难 点 [７Ｇ９]. 赵 旺 初 等 [１０] 采 用
ANSYS 有限元软件分 析 了 铝 合 金 轮 毂 淬 火 过 程
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