汽车铝合金轮毂模具及数控加工设计

摘要：铝合金汽车轮毂是现代汽车的重要部件之一，现代汽车的快速发展，铝合金汽车轮毂由钢制轮毂转向铝合金制造轮毂，轮毂质量的提高和轮毂产量的提增更显模具质量的重要，轮毂厂家越来越注重汽车轮毂模具的设计和加工，但模具制造精度高，加工难度大，本文主要论述了铝合金汽车轮毂模具在数控编程加工过程中的刀具选取、工艺编排、刀路设置方面的运用策略，使数控加工程序得以优化，从而使质量和效率得以提高。

关键词：铝合金轮毂；数控加工；模具

中图分类号： TG519.1文献标识码： A

引言

铝合金汽车轮毂通常用压铸模具(即常说轮毂模具)生产。相应轮毂模具的加工，应充分考虑铝合金汽车轮毂的产品特点，进行合理的加工刀路设置，保证模具表面精度及尺寸精度。同时采用优化的NC程序提高模具的加工质量，缩短现场加工时间，提高设备利用率，减少刀具、机床的磨损。本文重点论述了铝合金汽车轮毂模具的加工工艺，并针对加工刀路的设置提出了工艺方案。

一、铝合金轮毂设计

（一）、轮毂相关的装配

轮毂的设计要根据装配的车型风格来设计，相应的轮毂造型供客户选择确定，还要考虑到装车时轮胎与轮毂的装配情况。设计过程中要准确把握轮毂各个装配之间的关系，否则将会发生装车干涉，或无法装车。

（二）、轮辋的设计

轮辋俗称轮圈，是车轮周边安装轮胎的部件。轮辋规格代号，其名义宽度和名义直径用英寸表示。轮辋分为正向轮辋和反向轮辋。轮辋的选用主要根据车轮的形状、轮缘深度、装车情况等参数来确定。

（三）、中间毂部分的设计

1、安装盘直径设计

安装面为车轮与车轴之间的连接面，安装盘直径的设计要考虑两个连接面之间的配合问题。设计时应使车轮的安装盘直径比车轴上的连接面小一点。

2、安装盘平面度设计

考虑安装面的防松和螺栓的受力情况，安装面无螺栓孔沉孔结构时，安装面平面应向内凹，一般分三种情况设计：（1）安装面的平面度不超过0.1mm，且不凸出；（2）从安装面边缘向中心孔内凹0.2°的斜面，或从安装面边缘到中心孔倒角内凹（0.13~0.38）mm；（3）安装面加一防松槽，深度0.5mm。

二、铝合金轮毂的优点

传统的轮毂一般材质都是钢制，钢制轮毂在生产成本上较铝合金材质的轮毂低，但铝合金轮毂较钢制轮毂具有很多优点，如：重量轻、散热快、安全性能高、驾驶性能好、外观多变美丽，更适应现代化整车的要求等。铝合金轮毂将会因其诸多的优点成为日后轻量化发展的必然趋势。如下对铝合金轮毂上述几方面的优点特性进行详细说明：

（一）、重量轻，更环保

铝合金轮毂与钢制轮毂最明显的区别是重量轻，同等轮毂载荷情况下，铝合金轮毂比钢制车轮轻30~40%，相应汽车自重，减轻燃油效率就可提高，尾气排放将减少。

（二）、散热快

一般汽车在道路行驶过程中，轮胎与地面都会发生一定程度上的摩擦从而产生相应的热量，同时制动盘和制动片之间的摩擦作用也会产生一定热量。这样长时间的高热量工作环境下，轮胎以及制动装置就会发生不同程度的老化、磨损，不仅影响汽车整体制动效率，同时也会增加交通事故危险，例如爆胎和汽车刹车失灵问题。常规的钢制轮毂散热效果不是非常快，造成热量不能及时性地散去。

三、铝合金汽车轮毂模具加工工艺分析

铝合金汽车轮毂模具(如图1所示)主要尺寸为:外形直径为中416mm，最大凹槽宽度为29mm，最小凹槽宽度9mm。材料H13钢。

由于轮毂模具尺寸较大，建议用直径大于30mm以上刀具，且尽量用合金圆鼻刀如φ30R5，这类刀具耐用，效率高。大小凹槽因宽度不够，若刀具无法下行，可换较小刀进行各局部清理残料，也可整体半精，如还有局部地区留料较多，需再局部清理残料，局部地区半精不好的，可以再局部半精一下，以确保精加工刀具受力均匀，以便提高模具表面加工质量，然后用较大球刀精加工上部分曲面，用小球刀精加工上部分较小内圆角曲面，下部分较陡曲面用中φ20R0.8这类合金圆鼻刀加工，加工方式用等高外形，这样效果极佳。

图1铝合金汽车轮毂模具实体图

根据设计好的铝合金轮毂模具，采用Pro/E提供了NC加工模块，设置好NC加工所需的各种参数，选择相应的铝轮顶模的加工工艺流程，制定好相应的加工工艺，需要考虑以下几点：

（1)毛坯的加工余量是否充分，批量生产时的毛坯余量是否稳定。数控加工时，工件的加工面均应有较均匀充分的余量；

（2)分析毛坯余量的大小及均匀性。不同类型的零件要选用相应的数控机床加工，以发挥数控机床的特点和效率。加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。

四、轮毂模具底模数控加工工艺设计

在铝轮毂模具的加工方面，一般是采用进口或国产的单轴立式或卧式数控机床，高精度CNC加工单元，切削液冷却。常用的方法主要是在MV-610机床SINUMERIK810D系统上进行数控铣削加工的NC编程及刀路仿真。

（一）、轮辋的机加余量设计

车轮轮辋机加余量的设计原则为：

（1）符合上下模及侧模的拔模要求，保证毛坯能容易脱模和减少毛坯变形；

（2）符合轮辋部位在凝固过程中的铝液补缩要求；

（3）符合轮辋的顺序凝固原理，从结构上能保证铝液从轮辋两端向轮辐顺序凝固；

（4）余量设计能够有利于铝液的平稳流动，减少紊流现象的出现；

（5）在一定程度上能消除毛坯变形误差带来的影响。车轮轮辋机加余量的设计，如表1所示。

表3轮辋的机加余量

（二）、车轮表面的机加余量设计

车轮表面机加余量的设计原则：

（1）机加余量能确保消除毛坯变形带来的影响；

（2）机加余量不能过大以减少铸造缺陷的外露；

（3）对辐条正面车亮面时，为避免应力集中和尖角腐蚀，角度A视R角的大小而定，一般为（30~50）°。车轮表面的机加余量设计，如表2所示。

表2车轮表面的机加余量

（三）、铝轮底模的加工工艺流程

模具底模是铝轮挤压铸造装备的关键零件，它的加工质量不仅决定该模具的装配质量，还关系到铝轮毛坯生产质量，最终影响到汽车的安全行驶。底模的主要加工技术要求为底模与侧模配合处的尺寸精度为h8，底模工作部分的表面粗糙度为Ra0.8，如果挤压面的表面质量要求较高时，其工作表面可取Ra0.2~0.8底模工作，表面不允许有任何的表面缺陷，如裂纹、发裂、剥落及各种孔洞底模导入处，端面与柱面交接处不允许有倒角或圆角，以免产生毛刺或合金液飞溅，各圆柱体的同轴度要求为Φ0.1mm，尺寸精度要求为IT7，全圆弧形表面粗糙度为Ra3.2mm，且不能有明显的接刀痕迹，底模在粗加工后最好进行一次去应力退火，半精加工后进行调质处理。

结束语

总而言之，通过对铝合金汽车轮毂模具数控加工方法及工艺的研究，表明采用CAD设计和CNC数控加工跳制造方式，可有效提高模具的质量、精度和生产效率。同时针对铝合金汽车轮毂模具的特点，进行合理的加工刀路设置，优化NC程序提高模具的加工质量，提高加工效率。

参考文献

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