高强度旋压

高强度、高精度的突变壁厚锥形件强力旋压是适应航空、航天和兵器工业的发展需要而出现的一种新工艺。了解和掌握突变壁厚锥形件强力旋压成形机理及规律是研究和发展该技术迫切需要解决的关键问题。本文以弹塑性力学为基础，将试验研究和有限元模拟技术相结合，研究了突变壁厚锥形件强力旋压的变形机理和规律。主要研究内容和结果如下：基于弹塑性显式有限元平台ABAUQS／Explicit，建立了既符合实际又兼顾计算精度和效率的突变壁厚锥形件强力旋压的三维弹塑性动态显式有限元模型。该模型的建立，为研究突变壁厚锥形件强力旋压成形机理及工艺参数对其成形过程的影响规律奠定了基础。基于上述模型，研究获得了突变壁厚锥形件强力旋压过程中应力和应变的分布与变化特征：旋轮作用区是典型的三向压应力状态；除旋轮作用区外，其余区域沿圆周方向均受拉应力；在法线方向，已成形区和未成形区都受到压应力作用。旋轮前方母线方向的压应变近似呈环形，应变值逐渐减小；旋轮作用区出现一个周向拉应变环，该区域的拉应变值在成形薄壁区过程中逐渐减小，而在成形厚壁区过程中先增大后减小：旋轮前方存在一个法向拉应变环，随成形进程，该区域的拉应变值先增大后减小。进而研究获得了旋轮圆角半径和坯料半锥角对突变壁厚锥形件强力旋压成形的影响规律：随着随旋轮圆角半径的增加，在旋轮作用区产生的压应变环带的宽度增加，其应变值增加，有利于突变壁厚锥形件旋压过程中厚壁区金属的填充。随着坯料半锥角的增加，薄壁区的母线方向的拉应变值逐渐减小，而厚壁区母线方向的压应变值增加；已成形区产生法向压应变的区域和压应

变的值都在增加。因此，初始半锥角的增加对突变壁厚锥形件强力旋压成形是有利的。在突变壁厚锥形件强力旋压成形过程中的应力应变分布规律和旋轮圆角半径和坯料半锥角对突变壁厚锥形件强力旋压成形的影响规律的研究基础上，设计制造了相应的模具，进行了相应的工艺试验，得到了填充质量良好的突变壁厚锥形件强力旋压样件。

通过对德国LEICO公司的考察以及对其他国外公司的技术交流，对旋压技术在车轮行业的新发展作了介绍，从一个侧面反映了国外旋压技术的发展。随着我国高速公路和高速汽车的飞速发展，给车轮带来了新的机遇和挑战，如何实现车轮的轻量化、可靠性、高精度是摆在车轮行业面前的技术难题。为此，中国汽车工程学会车轮委员会于2001年3月组团去德国LEICO公司等国外企业进行了考察，结合我厂在国产化旋压机的进程中与其它国外公司的技术交流，就旋压技术

在车轮行业的新发展总结如下。

1 旋压技术在钢质车轮新发展：

在欧洲高速公路上奔驰的载重汽车和客车中，已很难再见到有内胎型钢车轮，几乎都是无内胎板材车轮，这点与我国恰好相反。

传统的型钢车轮轮辋，其原材料形状是由钢厂轧成的，再由车轮制造商通过卷园、焊接、扩整等工序加工而成。这种工艺效率高、精度低。

80年代二汽从德国引进了型钢轮辋旋压机，利用板材卷圆焊接后再旋压成型钢轮辋。这种工艺精度高、效率低，不适应大批量生产。目前型钢轮辋旋压随着这类产品的淘汰趋势而逐步消失。

传统的无内胎板材车轮都是通过滚压成型的，但不能实现等强度要求。在考察了德国HAYES-LEMMERZ、意大利GIANETTI和荷兰FONTIJNE等车轮公司后，结论是相同的，滚形是主流。尽管一些资料介绍有板材轮辋采取单滚或双滚旋压成型的例子，虽然能实现等强度变截面要求，但效率太低，不能适应大批量生产要求，使其应用受到限制。德国LEICO、西班牙DENN公司推出了一种适应大批量生产的旋压-滚形工艺生产轮辋，既能实现等强度要求，又能适应大批量生产。如上图:轮辋槽底和轮缘受力较大的部位厚，其它受力较小的部位薄。以7J×17轮辋为例，原材料厚度4.5MM，旋压后降至2.7MM，重量节约1KG。汽车质量每减轻100KG，就意味着汽车百公里节油0.2~0.4升，以每辆车5只轮子计减轻重量5KG，汽车百公

里节油10~20毫升。

旋压车轮的钢材也有较大变化，由于材料强度的差异，我们采取了加

厚原材料的方法来达到相同的疲劳寿命要求，结果同规格一只8.25×22.5车轮重量比法国米其林车轮增加3KG，在最近我厂所做的对比试验中，我们产品的寿命只是米其林车轮的一半。在车轮选材用材以及我国轧钢工业与国外先进厂家存在差距。见下表：

中、法常用旋压车轮材料对比表

2 旋压技术在铝质车轮新发展：

国内铝质车轮都是压铸后经机加工而成，产品集中在轿车车轮。国外17英寸以下轿车铝轮的生产以锻坯或坯经旋压成型已成为主流。近几年国外用锻造、旋压工艺制造了22.5英寸载重汽车无内胎车轮，以其造型美观、重量轻、强度高成为钢轮的强劲竞争点。以美国

ALCOA 公司为代表，如图1：

图1 ALCOA 公司无内胎车轮

近几年，一种新型结构的FULL-FACE车轮领导了轻型车轮造型潮流，它改变了传统车轮轮辋和轮辐的焊接位置，使外形更美观，受力更科学。铝轮和钢轮都有这种形式。工艺简图2：

图2 工艺简图

3 轮辐旋压设备新发展：

3.1 设备吨位趋大

在德国和意大利的车轮工厂看到正在使用中的LEICO旋压机，体积大、功率大、吨位大、效率高，且都是三旋轮120度均布，前后纵梁

框架封闭结构。如图3：

图3 LEICO旋压机

而我国正在使用的从国外引进的4台轮辐旋压机都是两旋轮布置，开式结构，相比之下显得很苗细，强度不足，结构也相对简单。主要技

术参数比较如下：

旋压机参数比较表

最大毛坯厚度(MM) 主电机功率(KW) 液压电机功率(KM) 纵向推力(KN) 横向推力(KN) 生产率(件/分钟) 总重量(T) 旋轮数

原国内引进600型旋压机15 150~185 60 300~350 200~270 1 22 2 LEICO ST265型旋压机18 258 113 667 400 2 65 3

3.2 主轴电机结构：

LEICO公司已全部采用交流伺服电机变频调速控制，电机体积小、功率大，功率的余量较大，保险系数大，提高生产效率，在使用原材料强度相对提高一个或二个牌号的情况下，效率仍提高一倍。取代了