车轮制作经验谈
文/周永红·吉凯恩车轮（连云港）有限公司
通过近36年的研发工作，笔者学习了许多不同领域的知识，不仅仅是在学校学的书本里的知识，还包括工作中得来的。这些知识的积累，使得笔者对创新有了更深的体会，那就是不论是做技术，还是管理，都需要将这许多知识揉搓、磨合，擦出火花，让这些想法再雕琢、打磨，生成创意，最后经过实践锤炼，转化为生产力，这样才能产生出有价值的方案。当然，知识需要积累，需要回顾，更需要总结。本文是笔者结合工作设计关于车轮制作的一些经验之谈，供同行参考借鉴。
合理利用塑性变形，消除弹性变形
车轮制作工艺就是一个不断与弹性变形、塑性变形作斗争的过程，有时要想方设法消除弹性变形，合理实现塑性变形，有时则要有效利用弹性变形，顺势而为。
案例 1 在开发13.5×4.5B滚型车轮时，轮辋轮辐压装后，胎圈座（控制轮胎径向圆跳动的轮廓）径向圆跳动公差值不大于1.2mm，合格；而轮缘（控制轮胎轴向窜动的轮廓）端面圆跳动公差值为1.5mm，超差0.3mm，达不到质量要求。通过设计两半式收缩模，将不合格轮辋轮缘撑宽近1mm，如图1所示，再复压，返修合格率达95%。剩余5%的不合格件，首先在车床上将轮缘撑宽，再次复压，如图2所示，全部返修合格。
通过这些手段，可将不合格品全部返修合格。但如果其他规格车轮也照葫芦画瓢，还是有问题的。如现有的12×4.0B车轮与正在开发的13.5×4.5B车轮是有区别的，材料厚度不同、直径不同、宽度不同、发生的塑性变形量也不同，13.5×4.5B车轮就刚好处在塑性变形与弹性变形之间，设计时将冷滚模宽度比产品的设计宽度宽0.5mm，也就是让轮辋成形时加宽，压配时加大塑性变形量，消除弹性变形，经过验证，一次交检合格率达100%。这就是一个消除弹性变形，合理实现塑性变形工艺突破的典型案例。
图1 撑轮辋受力
图2 压配
案例 2 轮辐零件图如图3所示，使用从500t油压机到1600t油压机对轮辐压形，轮辐平面度总是大于0.3mm，达不到工艺要求，主要原因是原材料本身平面度差。通过在轮辐成形模平面上设计一个反向的β角，再复合冲孔后，残余应力释放，平面反弹回来，500t油压机压形后，轮辐平面度就能达到0.3mm要求。别小看这么一个小小的反向β角设计，它能使轮辐平面压形由如图4所示的两向应力变成三向应力，如图5所示。没有β角时，轮辐压形平面度差，材料回弹，回弹到原材料本身平面度差的状态。
要想在两向应力下消除回弹，理论上只有大大提高压力机的吨位，才能使轮辐平面材料变薄并发生塑性变形，也就是说施加的压力必须超过材料的屈服强度后，才能很好地产生塑性变形，平面度才能满足0.3mm要求。设计反向β角后，轮辐压形时，轮辐平面上的任意一点都发生了改变（不在原来的位置上了），这时三向应力作用使得轮辐平面直接发生了塑性变形，改变了原材料平面度差的状态，实现了使用小吨位压力机达到高平面度公差值的压形要求。
图3 轮辐
图4 改进前轮辐压形两向应力
图5 设计反向β角后轮辐压形三向应力
焊接热变形只能减小，永远不可能消除
焊接热变形对两个以上钣金件，组装焊接合成后的部件的产品质量影响是永恒存在的，只能减小，永远不可能消除。
案例 3 在摩托车车轮钢圈2.15×10产品开发中，遇到了这样的问题：客户（主机厂）设计的制动毂与轮辐组装焊接合成的环焊缝是整圈满焊，如图6所示，转换图纸时也是如法炮制，结果在试制过程中，组装焊接合成后直接采用先车后拉工艺，即先车制动毂内孔直径至
100mm、公差值达0.1mm、宽度尺寸为Φ25mm，再拉花键后，有10%左右的钢圈其径向圆跳动公差值达不到不大于0.07mm的技术要求，总是在0.07～0.1mm之间。组装焊接合成后直接采用先车后拉工艺也是如此。通过分析研究，焊接后先做振动时效处理，再车再拉，达到技术要求。原因分析：①焊接热变形产生的残余应力在机械加工后释放，导致径向圆跳动超差。②不等厚的焊接（制动毂板厚3.5mm、轮辐板厚0.8mm）极易对薄壁件热影响区造成过烧、烧损等现象，在运行中突增脆裂的风险。③烧损与未烧损之间很难探测到。上述问题与客户进行了反复磋商，最终同意更改设计方案，将环焊缝改为在圆周上采用6等分均匀分布、弧长为35mm的分段焊接，以减少焊接热变形。经过试生产，径向圆跳动公差一次交检合格率达100%，台架试验，焊缝强度合格。
图6 改动前车轮钢圈示意图
案例 4 20-7.50V轮辋型车轮如图7所示，如果采用两把焊枪同时焊接两面环焊缝，或者是焊接完成一面紧接着焊接另一面焊缝，产品都会因受热变形造成要求的端面圆跳动和径向圆跳动公差值大于2mm。若焊接完成一面，等待冷却，再焊接另一面焊缝，端面圆跳动和径向圆跳动公差值就会小于2mm。实际加工过程中采用后面的焊接工艺，即可满足质量要求。
图7 20-7.50V型钢车轮
合理利用钣金产品成形后的特点，不要盲目改变
合理利用钣金产品成形后所形成的特点，顺势而为，而不是异想天开地改变它的特点，才能做到有的放矢。同时要学会运用庖丁解牛、三年不见全牛的思想，将一事物分解开来，勤于思考，善于总结。在问题错综复杂的关系中，敏锐地抓住关键因素，是快速解决技术问题的关键，也是寻找创新突破口的关键。
案例 5 轿车车轮特殊“型腔”结构：轮辋、轮辐装配后，在配合部位形成封闭的微小型腔，喷漆后易产生二次流痕，严重影响外观质量。“型腔”产生的根源是，轮辐在拉深中形成的轮辐外圆柱面横截面的轮廓是不规则曲线。这是典型拉深件的特点，仅仅想通过传统的拉深成形模消除“型腔”是不可能的。如果通过车削轮辐外圆消除“型腔”，既增加成本，又降低效率，关键是还影响产品的强度，不是最佳方案。
设计思路：将凸模一分为二，一部分保证花纹形状的功能不变，并设计有锥度，增加向外的推力作用，即为带锥度凸模；另一部分设计成活动的模块，使轮辐成形后，撑住轮辐内圆，将轮辐外圆表面与凹模面紧紧贴住，确保直线度。同时，在分离时能收的回来，实现凹、凸模分离。扩胀式分体模如图8所示。
其工作原理是：①拉延成形时，带锥度凸模在导向销的引导下正向向下运动，保证花纹不位移；②带锥度凸模的锥度使凸模胀块向外运动，当整个拉延成形完成时，凸模胀块也扩胀到位，这样轮辐整个外表面与凹模接触面贴得严严实实，不留一丝缝隙，也就保证了轮辐外圆柱面横截面的圆度；③当凹、凸模分离时，带锥度凸模通过压簧向上运动，使得凸模胀块在拉簧的作用下收回来，确保凹模带着轮辐与凸模胀块分开。这样生产的轮辐再装配后无“型腔”，也就没有二次流痕的困扰了。
图8 扩胀式分体模
结束语
总的来说，钣金制作的工艺、模具设计，要深入浅出，需要在继承的基础上创新。“深入”是要深入了解该产品的技术特性、工艺特点，并了解其技术发生、发展及现阶段国内外的状况；“浅出”则是需要用批判的思维去接受先人的技术，发挥天马行空想象，进而产生出各种各样的奇思妙想；而所谓的创新就是通过缜密的逻辑思维，找寻出合乎情理的方法，使其能够实实在在的落地，来实现这些奇思妙想。创新不仅需要有坚定的信念、攻坚克难的决心，还要有极强的耐受力。坚忍不拔是创新的标志，整个奋斗的过程是一种充满煎熬的痛苦，但当灵光一闪，刹那间有了答案，仿佛那一刻，天与地都似相通的，那是何等的快哉，正所谓痛并快乐着。
——选自《钣金与制作》2022年第6期