一种镁合金方向盘骨架钢筋嵌入冷弯锁紧结构及方法与流程

1.本发明属于镁合金冷弯技术领域，涉及一种镁合金方向盘骨架钢筋嵌入冷弯锁紧结构及方法。


背景技术：

2.压铸镁合金方向盘骨架嵌入钢筋工艺在国际上只有高性能车上才考虑采用这种工艺，这种方向盘加工工艺可以提高汽车在高速驾驶和极端路况下驾驶有着良好吸震性和稳定性，这种压铸工艺的镁合金方向盘骨架有着单位密度大、安全系数高、疲劳强度高、使用寿命长的特点。是材料成型技术与加工力学技术相结合的综合体，它解决了过去的钢质方向盘重量大、减震性差、舒适性差、疲劳强度低等问题，同时也解决单一镁合金方向盘骨架虽然很轻但力学性能不足问题。
3.目前在国际上高性能跑车一般都采用碳纤维工艺的产品，但是成本太高。宝马系列镁合金方向盘骨架产品是由我厂和国外进口两家产品共线装车，但是进口产品并没有攻克解决这项难题，目前本发明率先攻克了这项工艺技术难题。


技术实现要素：

4.本发明目的是为镁合金方向盘骨架在钢筋嵌入后冷弯锁紧时，方向盘骨架辐条两翼双耳出现断裂问题提供一种解决方法。
5.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
6.为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
7.本发明是bmw镁合金方向盘骨架钢筋嵌入后，镁合金压力冷弯锁紧新技术，这项发明改变了镁合金方向盘骨架在嵌入钢筋后的最大应变力点，有效的解决了钢筋嵌入镁合金方向盘骨架后，冷压锁紧过程中镁合金方向盘本体辐条上的两翼双耳在受力变形后，出现局部应力集中导致的应力裂纹的现象。这项发明技术得到了德国宝马公司的高度认可，在德国慕尼黑工厂力学认证中心做30万次疲劳试验和高强度的冲击韧性等各项试验后，所有的安全性能都达到最优，方向盘机体完好无变形无裂纹并顺利通过德国宝马标准认证。
8.一种镁合金方向盘骨架钢筋嵌入冷弯锁紧结构，镁合金方向盘辐条槽与嵌入的钢筋装配间隙设置在1mm以内。
9.优选地，所述装配间隙最优选择是0.04mm。
10.优选地，镁合金方向盘内侧固定弯曲半径为3mm。
11.嵌入的钢筋直径是6mm，方向盘双耳的弯曲半径要和钢筋的半径3mm要相吻合；
12.优选地，所述钢筋的材质为镁合金。
13.一种镁合金方向盘骨架钢筋嵌入冷弯锁紧的方法，包括：
14.压铸模具改进：修改压铸模得到的装配间隙在0.04mm的装配尺寸。
15.修改压铸模的意义：原设计压铸模生产出的方向盘骨架在钢筋装入后有1mm的间隙所以在弯曲时方向盘双耳产生裂纹，原因间隙过大变形时在3.3分型面最厚处产生应力集中出现角变形产生裂纹，压铸模具修改后生产出的方向盘骨架在钢筋装入间隙为0.04mm在弯曲时就变成均匀的抛物线变形。
16.进一步地，压铆模具压爪改进：将压爪内90
°
平直表面改成r3与r10相切的曲面；
17.进一步地，镁合金方向盘最外层的材料接近拉裂时，镁合金方向盘骨架双耳内侧弯曲为最小弯曲；
18.公式：r
min
＝r/t；
19.式中：r
min
为镁合金方向盘骨架双耳内侧最小弯曲系数；
20.r为镁合金方向盘内侧固定弯曲半径；
21.t为镁合金方向盘弯曲位置双耳的厚度。
22.优选地，所述镁合金方向盘内侧固定弯曲半径为3mm，镁合金方向盘弯曲位置双耳的厚度为3.3mm时，
23.代入公式：
24.r
min
＝3mm/3.3mm＝0.909≈0.91
25.镁合金方向盘骨架双耳内侧最小弯曲系数取值为0.91。
26.注明：查表得：铝合金铸件的最小弯曲系数是1.0
‑
2.0，因铝合金的延伸率高于镁合金，所以当镁合金方向盘骨架弯曲系数在0.91时，想要3mm的弯曲半径是不可能的。
27.理论值厚度在3mm时最小弯曲半径不能小于3mm，如果小于3mm将会产生弯曲裂纹)，而镁合金方向盘双耳弯厚度为3.3mm，在理论上说弯曲半径不能小于r3.3mm.
‑‑‑‑
但实践证明镁合金方向盘骨架只要满足
①
修改压铸模使钢筋装入方向盘槽内的装配间隙变成0.04mm
②
压铆模具压爪工作表面改成r3与r10相切的曲面，表面粗糙度ra0.8确保方向盘骨架双耳在变形时有良好的流动性。
③
压力机持压时间2s(小于2s秒方向盘骨架双耳产生回弹锁紧力不足。大于方向盘骨架双耳2s秒生产效率低浪费时间)。具备这三个条件就可打破3mm理论值，3.3mm的厚度也能完成r3mm的弯曲变形而不会产生裂纹。
28.优选地，所述曲面表面粗糙度为ra0.8。
29.优选地，压力机工作时压力机下行速度优选为50mm/s秒；
30.优选地，压力机工作时压力机下行到终点停留时间优选为2s秒。
31.与现有技术相比本发明的有益效果是：
32.本发明有效的解决了有色金属与黑色金属冷装配时易出现断裂和变形的关键问题，实验效果极佳。整套工艺发明不仅仅是在镁合金方向盘骨架上的应用，同时这项技术有着生产周期短、快捷、方便、锁紧力稳定牢靠、不损伤方向盘，不变形等诸多优点。同时也可用于国内装备制造业镁合金、铝合金及有色金属的冷弯变形工艺，这项发明是镁合金方向盘与钢筋相结合的力学技术，填补了国内同行业空白。
附图说明
33.下面结合附图对本发明作进一步的说明：
34.图1为压铸镁合金方向盘骨架示意图；
35.图2为图1中的镁合金方向盘骨架双耳包钢筋弯曲处的放大图；
36.图3为φ6mm方向盘骨架嵌入s235钢筋示意图；
37.图4为压爪及压爪工作示意图；
38.图5为压入钢筋后方向盘骨架辐条双耳的端部处出现压痕过深并伴有压裂现象示意图；
39.图6为90
°
压爪工作时方向盘骨架形成角变形而断裂不能延伸示意图；
40.图7为改进后由r10和r3弧度相切组合过度压爪示意图；
41.图8为钢筋与方向盘骨架装配预压示意图；
42.图9为方向盘骨架压弯后剖面图；
43.图10为方向盘骨架受压变形受力点分析示意图；
44.图11为方向盘骨架压弯后减薄情况示意图；
45.图12为方向盘骨架压弯后延伸补偿量示意图；
46.图13为压铆最终完成示意图；
47.图14为镁合金方向盘骨架与钢筋的装配时钢筋嵌入5点锁紧示意图；
48.图中：1、压力机模具压爪；2、方向盘骨架双耳；3、嵌入φ6mm钢筋；4、压入钢筋后方向盘骨架侧面出现裂纹；5、端部压伤。
具体实施方式
49.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
51.下面结合附图对本发明作详细的描述：
52.钢筋嵌入工艺：参阅图1、图2、图3、图4，将镁合金方向盘骨架放入压弯模具中，手工将两只钢筋放入方向盘骨架的辐条槽内，启动压力机，机床动模下行，当模具压爪下行接触镁合金方向盘后，镁合金方向盘辐条双耳向内变形弯曲，当压爪下行到终点时辐条双耳弯曲结束，持压2s，钢筋嵌入过程结束。
53.钢筋在压入向盘骨架后出现的两个问题：
54.(1)压入钢筋后方向盘骨架分型面处出现了多条不规则的横向裂纹长度6
‑
12mm不等。
55.(2)压入钢筋后方向盘骨架辐条双耳的端部处出现压痕过深并伴有压裂现象，参阅图5。
56.裂纹分析：
57.(1)经过多次的调试和研究表明，bmw德国原设计有很大的缺陷，根据原有图纸方向盘骨架的钢筋内槽宽度为7mm，而钢筋外圆的直径却是6mm，从而导致钢筋在嵌入镁合金方向盘骨架槽内有1mm的间隙，由于间隙过大，镁合金方向盘骨架双耳压弯变形时在分型面处产生了应力集中的现象，导致产生裂纹。
58.(2)参阅图6，原来压弯模的压爪内工作面为90
°
直角平面没有弧度，双耳在压弯变形时不能以钢筋外侧曲率相吻合。因此出现压爪下行时辐条双耳局部承受的压弯力过大，所以出现了压伤的现象。
59.(3)压弯速度对材料应力集中区域的等效应力和应变分布影响较大。如：压力机下降速度过快也会使镁合金方向盘双耳在弯曲时产生应力集中，也是导致裂纹的关键要素。
60.本发明具体实施例：
61.一、压铸模具改进：
62.因镁合金方向盘骨架有8
‰
的收缩量，通过修改压铸模即得到钢筋嵌入镁合金方向盘的装配间隙在0.04mm的装配尺寸，即最佳装配间隙。
63.二、压爪改进：
64.参阅图7，根据辐条双耳外形的最终压弯曲率取点划线，手工制作一个钢质的样板，配修时将压爪取下，用风动工具配合着色压印法对压爪表面配修将压爪内90
°
平直表面改成改成r3与r10相切的曲面表面粗糙度ra0.8即可。目的是得到双耳在压弯时最小的滑动阻力并具有良好的流动性。
65.改进后的镁合金方向盘骨架与钢筋的装配间隙0.04mm，是最优的装配间隙。
66.参阅图10、图11、图12，通过实践验证辐条双耳压弯后8个采集点的减薄情况和延伸率的延伸补偿量。可以看出减薄量第5点最大是0.06mm,厚度效果很好，延伸率也是第5点最大，是13.9％与最大延伸率15％还有1.1％左右的数值效果很好，同时我们也可以看出减薄情况和延伸率补偿量的8个采集点以均匀的抛物线形式出现，表明压弯变形的最大应变力点分布均匀，有效地避免了应力集中，从根本上解决分型面裂纹的关键问题。
67.改进之后压入钢筋的方向盘骨架双耳处图片，可见双耳没有深度压痕，分型面处没有裂痕；参阅图13、图14。
68.镁合金方向盘骨架表面经过银光粉检测没有裂纹现象，做x光透视检测没有缺陷，做冲击试验和弯曲试验钢筋紧固无间隙，这表明钢筋锁紧力合理(过大的锁紧力会导致方向盘骨整体变形、压伤镁合金方向盘骨架造成报废，锁紧力过小钢筋窜动易脱落)实践证明工艺改进科学有效。
69.由于压铸镁合金的最小弯曲半径目前尚无国家标准或行业标准，在这里我们借鉴铝合金的物理及加工性能的相关参数判断，根据材料力学理论解释最小弯曲半径是金属弯曲时，在中性层外层的材料受拉应力而内侧的材料受压应力。拉应力的大小，主要取决于弯曲半径。弯曲半径越小，则外层材料的拉应力越大。也就是说：在镁合金方向盘骨架的外层
出现拉裂之前所得到的弯曲半径，称为最小弯曲半径。最小弯曲系数是衡量镁合金方向盘骨架变形程度的主要标志。
70.公式：r
min
＝r/t
71.式中：r
min
为(镁合金最小弯曲系数)
72.r为镁合金方向盘双耳内侧固定弯曲半径；
73.t为镁合金方向盘骨架双耳厚度；
74.镁合金方向盘骨架双耳的厚度为3.3mm，参阅图8、图9，则可以认为弯曲半径为3mm，材料厚度为3.3mm，带入通过公式(1)
75.得：r
min
(弯曲系数)＝r3(弯曲半径)/t3.3厚度＝0.909≈0.91
76.r
min
(弯曲系数)＝0.91即方向盘辐条双耳的实际弯曲半径系数是0.91，通过查表得出铝合金铸件的最小弯曲系数是1.0
‑
2.0，因铝合金的延伸率高于镁合金，又因铝合金的最小弯曲系数大于1.0，因此在理论上可以认为镁合金方向盘骨架要在0.91的系数下完成最小弯曲半径很难，但是在实际中通过保证以下条件：1、优质压镁合金方向盘骨架；2、合理装配间隙；3、提高辐条表面光洁度；4、调整压力机的压弯速度；5、合理地压爪内弧度。所以只要是条件都具备后最小弯曲半径即可得到了完美的实现。
77.压铸模定模型腔的辐条形状宽度一定要与钢筋的外形直径相匹配。关键在装配间隙和压爪的弧度的匹配，在压力机工作时压力机合理的下行速度，既是保证稳定的弯曲效果。其《板材弯曲最小相对弯曲半径计算方法探讨》一文中的最小弯曲半径系数在实际压弯过程中，只是一个理论参考数值，在实际生产应用中还需要更多的条件支持，最终数值以实际生产中采集。
78.本发明修改压铸模的装配间隙，修改压爪形状，调整合适的装配间隙及持压时间。
79.目前国内外对镁合金方向盘骨架的最小弯曲变形还没有相关标准，如果采用局部加热后在进行压弯锁紧裂纹即可以避免，但是辅助加热较为复杂增并加生产成本。问题是镁合金热弯曲后强度大会为降低，所以压紧变形后锁紧力就大为降低，不能满足压铆工艺要求因嵌入钢筋在震动后易出现间隙而脱落。所以也不是理想的加工方法。
80.已铸造的形式将钢筋铸到镁合金方向盘骨架内也可以是一种替代方案，但这种方向盘骨架重量要比后装配冷压入的骨架重1/3,这就违背了汽车轻量化的理念，所以国际上这种高性能方向盘一般都采用钢筋嵌入压紧工艺。
81.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。