輕質(zhì)鑄造鋁合金輪轂熱處理變形測試分析

黃少兵，池慧，黃華貴，燕猛，項(xiàng)鵬飛，徐正琦

輕質(zhì)鑄造鋁合金輪轂熱處理變形測試分析

黃少兵1，池慧1，黃華貴2，燕猛2，項(xiàng)鵬飛2，徐正琦2

（1.中信戴卡股份有限公司 工程技術(shù)研究總院，河北 秦皇島 066011；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

精準(zhǔn)建立鑄造鋁合金輪轂各區(qū)域的T6熱處理變形狀態(tài)及其最佳檢測方法，對熱處理態(tài)輪轂進(jìn)行表征研究，探討鋁合金輪轂熱處理過程的變形規(guī)律，為輪轂工業(yè)生產(chǎn)和變形研究提供精確和適宜的變形測試方法。根據(jù)輪轂的結(jié)構(gòu)特征，將變形檢測區(qū)域分為外輪緣端面、輪輞、輪輻-輪心3個區(qū)域，分別使用三坐標(biāo)測量機(jī)、手持三維激光掃描儀和輪緣軸向高度檢測裝置對4種不同結(jié)構(gòu)的熱處理態(tài)輪轂進(jìn)行變形測試，并對測量結(jié)果進(jìn)行分析。鋁合金輪轂的熱處理變形程度與其自身的結(jié)構(gòu)、尺寸密切相關(guān)；外輪緣端面軸向變形主要表現(xiàn)為翹曲變形，呈雙波峰波谷的變形規(guī)律；距離外輪緣越遠(yuǎn)的環(huán)狀輪輞，受輪輻結(jié)構(gòu)影響的凹凸程度逐漸減小，橢圓形趨勢增大；輪輻-輪心為軸向凹陷變形；輪緣軸向高度檢測裝置的測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量結(jié)果基本一致，誤差為±5 μm。手持掃描儀適用于輪輞/輪輻等平坦曲面的變形測試及整體變形云圖化；輪緣軸向高度檢測裝置適用于工業(yè)化在線測試。所使用的測試工具和建立的測試方法可以較好地測試輪轂變形，闡明鋁合金輪轂熱處理變形規(guī)律，為后續(xù)輪轂的變形控制和變形測試提供測試基礎(chǔ)。

鋁合金輪轂；熱處理變形；端面變形；測試方法；非接觸測量

作為汽車的關(guān)鍵安保件、外觀件，鑄造鋁合金輪轂在滿足尺寸、力學(xué)性能、動態(tài)特性等應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，其外觀造型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等越來越復(fù)雜[1-4]。提升鑄造鋁合金輪轂綜合力學(xué)性能的T6熱處理[5-6]，疊加輪轂復(fù)雜多樣的非均勻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輕量化引起的結(jié)構(gòu)剛度降低，進(jìn)一步加劇了輪轂變形，導(dǎo)致成品率大幅降低[7-8]，因此，針對輕質(zhì)鑄造鋁合金輪轂進(jìn)行變形測試分析具有重要意義。

鑄造鋁合金輪轂變形主要來自鑄造及熱處理過程，其中熱處理變形占40%～50%，熱處理是溫度場、應(yīng)力場等多場耦合的動態(tài)過程，其淬火過程包含流體流動、沸騰傳熱、流體和固體對流換熱，不同輪轂特征結(jié)構(gòu)存在較大的冷卻差異進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)雜的變形[9-14]。趙旺初等[15]通過仿真分析了鋁合金輪轂淬火過程溫度場及熱應(yīng)力場的分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，距離輪輻最遠(yuǎn)的輪緣變形量最大。白幫偉等[16]在外輪緣軸向端面處采用“端面規(guī)+塞尺”的測試方法進(jìn)行單變量熱處理試驗(yàn)和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)外輪緣軸向變形與熱處理工藝參數(shù)、輪轂結(jié)構(gòu)、輪轂尺寸等有關(guān)。現(xiàn)有的研究成果并未詳細(xì)地闡述熱處理態(tài)輪轂各部分的變形狀態(tài)，以及變形與各結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)聯(lián)。因此，輪轂生產(chǎn)企業(yè)在無法明確變形規(guī)律的情況下，不得不采用增加毛坯用量的方法來控制變形，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

隨著科技的發(fā)展，以激光為代表的非接觸測量技術(shù)成為測試輪轂變形的重要工具[17-20]，如手持式三維激光掃描儀具有測試便捷、三維成像等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件整體掃描和變形分析；基于3D激光輪廓儀的在線測試裝置成為一種測試局部變形的優(yōu)異應(yīng)用方案。本文以4種不同結(jié)構(gòu)的鑄造鋁合金輪轂為研究對象，并根據(jù)輪轂的結(jié)構(gòu)特征，將變形測試區(qū)域分為輪緣端面、輪輞、輪輻-輪心3個區(qū)域，分別使用三坐標(biāo)測量機(jī)、手持三維激光掃描儀和基于3D激光輪廓儀的輪緣軸向高度檢測裝置對熱處理態(tài)輪轂進(jìn)行變形測試和結(jié)果分析，探討3種測試方法的適用情況及輪轂熱處理過程的變形規(guī)律，為鋁合金輪轂提供精確和適宜的變形測試方法。

1 輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括輪心、輪輻、外輪緣、輪輞、內(nèi)輪緣等部分。低壓金屬模具鑄造成型后采用T6熱處理工藝提高力學(xué)性能。時效后的輪轂分別以外輪緣和內(nèi)輪緣端面為基準(zhǔn)面進(jìn)行車削加工，而作為第一次加工裝卡平面——外輪緣端面的軸向變形特性對成品率有較高的影響；其輪心、輪輞的變形特性直接影響輪轂車削后的外觀、動平衡和綜合成品率。基于上述特點(diǎn)，本文將輪轂的測試部位分為3個部分：輪輞的徑向變形測試、外輪緣端面的軸向變形測試和輪輻-輪心的正面深度變形測試。

如圖2所示，本文選取4種不同型號輪轂，分別使用手持三維激光掃描儀、三坐標(biāo)測量機(jī)和輪緣軸向高度測試裝置對4種輪型的T6態(tài)輪轂進(jìn)行測試方法分析和變形狀態(tài)表征。其中對輪型I全域回轉(zhuǎn)面進(jìn)行車削加工，消除鑄造工序初始變形，輪型II、III和IV未進(jìn)行車削加工（含鑄造變形）。

圖2 變形測試輪型

2 輪轂變形測試方法

2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)

三坐標(biāo)測量機(jī)可實(shí)現(xiàn)被測工件表面的高精度測量，具有通用性強(qiáng)、測量范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天等行業(yè)[21]。三坐標(biāo)測量機(jī)通過測頭系統(tǒng)探測工件表面并返回表面上點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過三坐標(biāo)的軟件系統(tǒng)計算各類幾何形狀、尺寸。本文采用的ML121510橋式三坐標(biāo)測量機(jī)重復(fù)精度為1.5 μm，運(yùn)行速度為4.5 mm/s。將輪轂側(cè)向放置于專用卡具上，在安裝面上采集75個點(diǎn)，如圖3a所示，使用最小二乘法擬合為基準(zhǔn)面，以此為測量基準(zhǔn)，正對氣門孔為0°，順時針測量外輪緣端面變形量，見圖3b。由于輪型II、II、IV輪轂為鑄造工序輪轂，其輪輞外側(cè)邊模合型處存在4條軸向分模線，為了統(tǒng)一4種輪型在輪輞處的測量位置，選擇頂模所對應(yīng)的輪輞內(nèi)側(cè)作為輪輞徑向變形的測量位置，測量值為圖3c所示輪輞距離外輪緣位置處的半徑。

2.2 手持式三維激光掃描儀

手持式三維激光掃描儀采用激光三角掃描法進(jìn)行掃描成像，即通過點(diǎn)云無分層掃描自動生成三維實(shí)體圖形[22-23]。本文使用Handyscan 3D手持式掃描儀，其通過2個高精度CCD相機(jī)和激光光源之間的相對位置，以及投影和反射光線之間的夾角實(shí)現(xiàn)輪轂外輪廓三維重構(gòu)，掃描測量速率為480 000次/s，分辨率為0.05 mm，景深為250 mm，軟件為VXelements，最高精度為20 μm。首先按照Handyscan 3D操作手冊進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，然后在輪轂全域表面粘貼定位點(diǎn)，并掃描以確定各點(diǎn)之間的空間相對位置，之后對輪轂進(jìn)行全域掃描以獲得點(diǎn)云模型。對于較為復(fù)雜的溝槽、棱角等大曲率幾何特征，這些特征與周邊環(huán)境過渡，極易導(dǎo)致激光脈沖在不同的深度平面產(chǎn)生回波信號，綜合采用單線激光模式和多線激光模式，靈活調(diào)整掃描儀角度，進(jìn)行精細(xì)化掃描。圖4為熱處理后輪型I的掃描過程和三維點(diǎn)云模型。最后使用PloyWorks軟件，以輪轂安裝面為基準(zhǔn)面，以氣門孔為周向定位點(diǎn)，對比分析熱處理前后的掃描數(shù)據(jù)，獲取測量數(shù)值并實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的云圖化。

圖3 三坐標(biāo)測量位置示意圖

圖4 Handyscan 3D掃描過程及結(jié)果

2.3 輪緣軸向高度檢測裝置

本文研發(fā)了一款基于3D激光輪廓儀的輪緣端面軸向高度檢測裝置，如圖5所示。檢測裝置通過3D激光輪廓掃描儀、高精度回轉(zhuǎn)工作臺、基準(zhǔn)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等綜合實(shí)現(xiàn)輪轂端面高精度檢測。其中，激光輪廓儀型號為MV-DP2035-01H，采用激光三角反射式原理進(jìn)行測量，工作范圍60 mm，掃描速率為600 Hz，檢測分辨率為1.8 μm。回轉(zhuǎn)工作臺通過步進(jìn)電機(jī)控制，輪緣處線速度為30 mm/s，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型號為Y200RA400，與輪轂接觸的圓臺平面為磨削工藝加工的厚鋼板；基準(zhǔn)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)（水平調(diào)節(jié)螺絲）可以調(diào)整圓臺平面與3D激光輪廓傳感器平行，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)量塊標(biāo)定后，6處量塊位置高度差為10 μm。

圖5 輪緣高度檢測裝置及標(biāo)定

將內(nèi)/外輪緣端面放置于回轉(zhuǎn)工作臺上，通過3D激光輪廓掃描儀圓周方向均勻采集360個點(diǎn)，得到外/內(nèi)輪緣端面軸向高度采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含真實(shí)變形數(shù)據(jù)和端面基準(zhǔn)傾斜偏差數(shù)據(jù)。

圖6 離散非周期信號延拓為周期信號

圖7為外輪緣端面軸向采樣曲線和處理結(jié)果，在各相角下，原始采樣曲線對應(yīng)的數(shù)值與正弦曲線所對應(yīng)的數(shù)值作減法，得到輪緣端面軸向變形曲線。圖8為熱處理前輪型I輪轂的內(nèi)輪緣和外輪緣端面測試結(jié)果，通過分析可知，輪緣高度檢測裝置的測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量結(jié)果基本一致，誤差為±5 μm。輪緣軸向高度裝置具有檢測精度高、測試快速、制造成本低和在線檢測的優(yōu)點(diǎn)，增加通訊模塊后可與生產(chǎn)線串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在線檢測。

圖7 MATLAB波形分解結(jié)果

圖8 內(nèi)外輪緣端面檢測結(jié)果分析

3 輪轂變形測試方法對比分析

3.1 外輪緣等小區(qū)間曲面

圖9為熱處理前輪型Ⅰ的外輪緣端面測試結(jié)果。可知，Handyscan 3D測量的曲線局部凸起、凹陷明顯，且形態(tài)較三坐標(biāo)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，最大值為±40 μm。

圖9 外輪緣檢測結(jié)果對比

結(jié)合圖10的輪轂三維點(diǎn)模型可知，與周邊環(huán)境接觸的內(nèi)外輪緣極易導(dǎo)致激光脈沖在此區(qū)域產(chǎn)生信號突變[25]，導(dǎo)致重構(gòu)模型出現(xiàn)差異。綜合對比可知，針對內(nèi)/外輪緣等邊角類小尺寸曲面特征，手持三維激光掃描儀精度較低。

圖10 Handyscan 3D重構(gòu)模型

3.2 輪輞/輪輻等大范圍曲面

分別使用三坐標(biāo)測量機(jī)和Handyscan 3D對熱處理前輪型I的輪輞進(jìn)行測量，結(jié)果如圖11所示，針對輪輞小曲率連續(xù)回轉(zhuǎn)曲面，Handyscan 3D與三坐標(biāo)測量機(jī)的檢測結(jié)果差異為±10 μm，且曲線形態(tài)基本一致。結(jié)合圖10手持掃描儀的三維點(diǎn)云模型可知，由于輪輞和輪輻等大型曲面，不存在復(fù)雜幾何特征和回?fù)苄盘栭g的相互影響，檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確，因此手持掃描儀可以針對輪輞和輪輻等大型曲面和平坦曲面進(jìn)行變形測試。

圖11 輪輞曲面檢測結(jié)果對比

4 輪轂熱處理變形特性分析

4.1 外輪緣端面熱處理變形分析

外輪緣端面軸向檢測裝置測量的4種輪型結(jié)果如圖12所示。對比輪型I、輪型II和輪型IV可知，輪轂尺寸由17寸增大到19寸，外輪緣端面最大值由683 μm增大到1 596 μm，最大差異值為913 μm，曲線形態(tài)的橢圓趨勢逐步增大，其中17寸輪轂由于熱處理前進(jìn)行了車削加工，剔除了鑄造過程的影響，其變形量明顯小于輪型II、輪型III和輪型IV。對比同尺寸輪型II和輪型III可知，最大變形量分別為1 200和1 141 μm，基本一致，表明輪轂尺寸對外輪緣變形影響較大。

圖12 外輪緣熱處理變形分析

4.2 輪輞熱處理變形分析

Handyscan 3D測量的4種輪型的輪輞徑向變形結(jié)果如表1和圖13所示。輪型I全域回轉(zhuǎn)面車削加工消除了鑄造變形，其變形結(jié)果為熱處理工序產(chǎn)生的變形。隨著值的增大（距離外輪緣越遠(yuǎn)），曲線中的局部受輪輻結(jié)構(gòu)影響的凹凸程度逐漸減小，輪輞變形逐步增大且明顯地呈現(xiàn)出橢圓形趨勢。分析原因?yàn)檩嗇y結(jié)構(gòu)剛度隨著與輪輻之間距離的增大而逐步降低。輪型II、輪型III和輪型IV雖然包含鑄造變形，但是輪輞徑向變形趨勢與輪型I一致。

表1 輪輞徑向變形結(jié)果

Tab.1 Deformation results of outer rim subject to outer rim μm

以=160 mm位置處輪輞為例：對比輪型I、輪型II和輪型IV可知，輪轂尺寸由17寸增大到19寸，輪輞徑向變形最大值由621.2 μm增大到1 046.6 μm；對比輪型II和輪型III可知，同尺寸輪轂最大變形量分別為819.2 mm和984.3 mm。表明輪輞徑向變形受輪轂結(jié)構(gòu)及輪轂尺寸影響較大。

4.3 輪輻-輪心熱處理變形分析

三坐標(biāo)測量機(jī)和Handyscan 3D的測量基準(zhǔn)為輪轂安裝面，熱處理變形后輪輻形狀如圖14a虛線所示，但未清晰地表達(dá)出實(shí)際生產(chǎn)過程中輪輻正面的變形下陷導(dǎo)致車削量不足的現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確地描述輪輻從外輪緣側(cè)到輪心側(cè)偏離理論輪廓的程度，如圖14b所示，選擇輪輻長度的范圍，以輪輻外側(cè)的點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將手持式三維激光掃描儀測量出的熱處理后的輪輻輪廓進(jìn)行垂直平移，使其與輪輻車削軌跡線的點(diǎn)對準(zhǔn)，此時點(diǎn)的變化值為輪輻最大下陷量。鑒于4種輪型輪輻結(jié)構(gòu)差異較大且輪輻與輪心為連續(xù)體，因此以點(diǎn)為基準(zhǔn)，選擇螺栓孔凹臺處的點(diǎn)表示輪輻-輪心。

輪輻-輪心下陷變形和=160 mm處輪輞、外輪緣的最大變形結(jié)果如圖15所示。隨著輪轂尺寸增大，輪輻-輪心、輪輞和外輪緣變形量均逐步增大。為了保證輪轂服役強(qiáng)度，輪輻-輪心結(jié)構(gòu)的材料用量隨著輪轂尺寸的增大而增多，進(jìn)而導(dǎo)致熱處理過程中的固溶階段和淬火階段因重力和輪轂各部位不協(xié)調(diào)變形引起較大的輪輻-輪心變形，對比輪型II和輪型III可知，寬厚的輪輻結(jié)構(gòu)輪輻-輪心下陷量較小。

圖13 輪輞熱處理變形分析

圖14 輪輻-輪心變形分析位置

圖15 4種類型輪轂不同特征結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果

4.4 輪轂整體變形特性分析

4種輪型熱處理后的變形云圖，如圖16所示，外輪緣變形量均隨輪轂尺寸增大而增大。圖16a所示輪型I的熱處理最大變形位置處于內(nèi)輪緣和外輪緣，且內(nèi)輪緣和外輪緣軸向變形主要表現(xiàn)為翹曲變形，這是由于在淬火過程中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造輪轂溫度降低，其各部位存在不協(xié)調(diào)的收縮過程，尤其表現(xiàn)為輪輻和窗口斷面之間存在較大的作用力和反作用力，最終導(dǎo)致近作用力最外端的外輪緣產(chǎn)生較大的塑性變形。水作為淬火介質(zhì)與輪轂在換熱過程中，流體的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、各部位流體的流速差異等影響因素，使淬火后的整個輪轂“變橢”、輪緣局部翹曲。通過比較圖12外輪緣位置和圖11輪輞位置可知，外輪緣軸向翹曲變形最大位置與輪輞變橢的方向基本相同。

圖16 輪轂變形整體特性分析

5 結(jié)論

使用三坐標(biāo)測量機(jī)、手持三維激光掃描儀和輪緣軸向高度檢測裝置，依據(jù)輪轂結(jié)構(gòu)特征對T6態(tài)輪轂進(jìn)行變形測試和表征，測試方法表明：手持掃描儀適用于輪輞、輪輻-輪心凹陷及輪轂整體變形測試；輪緣軸向高度裝置適用于輪轂工業(yè)生產(chǎn)在線檢測。測試結(jié)果表明：外輪緣端面軸向發(fā)生翹曲變形，呈現(xiàn)橢圓趨勢；輪輞距離外輪緣越遠(yuǎn)，輪輻影響程度逐漸減小，輪輞變形逐步增大，明顯地呈現(xiàn)出橢圓形趨勢；最大變形量與輪轂的尺寸成正相關(guān)，整體變形量圓周方向?qū)ΨQ分布，表現(xiàn)為雙波峰波谷的變形特征；輪輻-輪心主要變形為軸向下陷。

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Analysis of Heat Treatment Deformation Measurement in Lightweight Cast Aluminum Alloy Wheel Hubs

HUANG Shaobing1, CHI Hui1, HUANG Huagui2, YAN Meng2, XIANG Pengfei2, XU Zhengqi2

(1. General Institute of Engineering and Technology Research, CITIC Dicastal Co., Hebei Qinhuangdao 066011, China; 2. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

The work aims to establish the deformation status of T6 heat treatment for each area of aluminum alloy wheel hub, and study the optimal measuring method and then characterize the heat-treated wheel hub, explore the deformation law of aluminum alloy wheel hub during heat treatment process, and provide accurate and suitable deformation measuring methods for wheel hub industrial production and deformation research. According to the structural characteristics of the wheel hub, the deformation measuring area was divided into three regions: outer rim flange, rim, and spoke-center. Three coordinate measuring machines (CMM), handheld three-dimensional laser scanners, and axial height detection devices were used to measure the deformation of four different structures of heat-treated wheel hubs and then the measurement results were analyzed. The deformation of the wheel hub was related to its own structural and wheel size. The axial deformation of the end face of the outer rim was mainly manifested as warping deformation, which showed the deformation law of double peaks and troughs. The greater the distance from the outer rim, the concave and convex degree of the rim was gradually reduced by the effect of the spoke structure, and the elliptical tendency increased. The spoke-center of the wheel was mainly depressed in the axial direction. The measurement results of rim axial height detection device were basically consistent with those of CMM, with an error of ±5 μm. The handheld scanner is suitable for deformation testing of flat curved surfaces such as wheel rims/spokes and overall deformation cloud mapping. The axial height detection device of rim flange is suitable for industrial online measurement. The measuring tools used and the established measuring methods can accurately test the deformation of wheel hubs, clarify the deformation law of aluminum alloy wheel hubs during heat treatment process, and provide a measuring basis for subsequent deformation control and testing of wheel hubs.

aluminum alloy wheel hub; heat treatment deformation; end face deformation; measuring method; non-contact measurement

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.010

TG156

A

1674-6457(2024)02-0079-08

2023-11-20

2023-11-20

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51974278）；河北省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（E2020203118）；秦皇島市科技支撐計劃項(xiàng)目（202101A341）

The National Natural Science Foundation of China (51974278); Youth Science Foundation of Hebei Natural Science Foundation(E2020203118); Qinhuangdao Science and Technology Support Project (202101A341)

黃少兵, 池慧, 黃華貴, 等. 輕質(zhì)鑄造鋁合金輪轂熱處理變形測試分析[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 79-86.

HUANG Shaobing, CHI Hui, HUANG Huagui, et al. Analysis of Heat Treatment Deformation Measurement in Lightweight Cast Aluminum Alloy Wheel Hubs[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 79-86.