鋁合金車輪制造技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

龐午驥，曹振偉，萬(wàn)金華

（1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，連云港 222005；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；3.江蘇珀然鍛造有限公司，連云港 223500）

技術(shù)工程

鋁合金車輪制造技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

龐午驥1，曹振偉2，萬(wàn)金華3

（1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，連云港 222005；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；3.江蘇珀然鍛造有限公司，連云港 223500）

概述了鋁合金車輪的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及常用材料，介紹了鋁合金車輪的主要制造技術(shù)，包括主要的鑄造工藝：重力鑄造、低壓鑄造、反壓鑄造和擠壓鑄造。重點(diǎn)介紹了鍛造旋壓工藝在鋁合金車輪制造中的應(yīng)用情況和發(fā)展前景，指出數(shù)值模擬技術(shù)在未來(lái)鋁合金車輪制造中將發(fā)揮的重要作用。

鋁合金車輪；制造技術(shù)；鑄造；鍛造旋壓；數(shù)值模擬

0 前言

近年來(lái)，汽車工業(yè)朝著輕量化方向發(fā)展，在汽車中使用輕金屬材料，成為減輕車身重量的有效措施。鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料在車輪制造中得到了廣泛應(yīng)用，鋁合金車輪與鋼制車輪相比具有自身重量輕、傳熱性能好、散熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能降低汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱載荷，提高汽車的安全系數(shù)。鋁合金車輪的大量使用符合材料高性能化、高質(zhì)量化、高效率化、低成本化、低負(fù)荷化的“三高兩低”的發(fā)展方向。目前鋁車輪的生產(chǎn)工藝主要有鑄造和鍛造兩種。

1 鋁合金車輪的常用材料

目前，鑄造鋁合金車輪主要有兩類：一類是不需要熱處理的，選用AlSi11或與之類似的合金；另一類是需要通過(guò)熱處理提高靜態(tài)力學(xué)性能以增加車輪壽命及塑性的，采用ZL101A或A356.2合金[1]。鍛造鋁合金車輪所用材料主要包括6061、6082、7075等，其中6061為應(yīng)用最廣泛的鍛造鋁合金。

2 鋁合金車輪的鑄造技術(shù)

目前鑄造鋁合金車輪約占到鋁合金車輪產(chǎn)品總量的95%，是最普遍的生產(chǎn)技術(shù)。鋁合金車輪的鑄造工藝主要有4種：重力鑄造、低壓鑄造、反壓鑄造和擠壓鑄造。世界上大部分鋁合金車輪采用低壓鑄造生產(chǎn)，是鋁合金車輪鑄造工藝中的主要技術(shù)，低壓鑄造鋁合金車輪占我國(guó)鑄造鋁合金車輪全部產(chǎn)量的80%以上。

2.1 重力鑄造

重力鑄造是最傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單，模具壽命長(zhǎng)，成本低，能夠經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行大批量生產(chǎn)。但依靠金屬溶液的自重充型，產(chǎn)品的致密性低，容易產(chǎn)生沙眼和孔洞等缺陷，表面性能較差，強(qiáng)度低?，F(xiàn)在只有極少數(shù)廠家采用該工藝制造鋁合金車輪，已經(jīng)逐漸被其他工藝取代，趨于淘汰。目前只有日本Em Kei（遠(yuǎn)輕）公司和部分國(guó)內(nèi)廠家采用這種工藝，產(chǎn)量?jī)H占其全部車輪產(chǎn)量的20%[2]。

2.2 低壓鑄造

低壓鑄造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相當(dāng)成熟，其一般工藝過(guò)程是首先裝配好金屬升液管和鑄型，并進(jìn)行密封然后通入氣體，接著將金屬液經(jīng)升液管壓入鑄型中，結(jié)晶后解除壓力，使未凝固的金屬液回流，最后打開(kāi)鑄型，取出鑄件[3]。該工藝成本比傳統(tǒng)的重力鑄造稍高，能夠在壓力下進(jìn)行結(jié)晶，得到均勻密度組織，并且具有較好的成形性和表面光潔度。但低壓鑄造在用于生產(chǎn)壁厚懸殊大、形狀復(fù)雜、尺寸較大的鋁合金車輪時(shí)容易產(chǎn)生一些鑄造缺陷。

2.3 反壓鑄造

反壓鑄造也被稱作為壓差鑄造，是在低壓鑄造基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的較為先進(jìn)的鑄造方法，利用壓力差將金屬充填進(jìn)模具，能夠得到更好的致密性和力學(xué)性能，提高材料的利用率，并且可以將氣體融入到合金中，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和耐磨性。但其設(shè)備過(guò)于龐大，操作比較復(fù)雜。反壓鑄造可以分為低反壓鑄造、中反壓鑄造和高反壓鑄造。其中高反壓模鑄（HCM）可以近乎達(dá)到鍛造的效果，德國(guó)BBS公司的RX/RY系列的鋁合金輪轂就是用高反壓模鑄法制造的[4]。

2.4 擠壓鑄造

擠壓鑄造集鑄造和鍛造特點(diǎn)于一體，也被稱為液態(tài)模鍛，是將熔融或半熔融狀態(tài)的金屬直接注入模具，形成外部形狀，接著施加高壓，發(fā)生塑性變形和高壓凝固，得到最終的制件。該工藝的擠壓比能夠達(dá)到1000MPa以上，得到的制件沒(méi)有縮孔、縮松等缺陷，工序簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)強(qiáng)度接近于鍛件，具有潛在的應(yīng)用前景。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，擠壓鑄造難以進(jìn)行生產(chǎn)，在一定程度上限制了擠壓鑄造的應(yīng)用領(lǐng)域。該工藝在國(guó)內(nèi)主要用來(lái)生產(chǎn)摩托車的鋁合金車輪，日本的UBE（宇部興產(chǎn)機(jī)械株式會(huì)社）對(duì)低壓鑄造技術(shù)的應(yīng)用最為成功[5]。

路洪洲等提出一種制造半固態(tài)鋁合金車輪的方法，該方法將“近液相線半連續(xù)鑄造方法”（nearliquidus semi-continuous casting，LSC）和半固態(tài)擠壓鑄造相結(jié)合，首先通過(guò)LSC制造出6063鋁合金半固體坯料，該坯料具有近球狀、非枝晶且晶粒細(xì)小的顯微組織結(jié)構(gòu)，然后半固態(tài)鋁合金坯料二次重熔后進(jìn)行擠壓鑄造，該方法對(duì)半固態(tài)鋁合金車輪的制造有一定的指導(dǎo)作用[6]。

3 鋁合金車輪的鍛造技術(shù)

傳統(tǒng)的鑄造鋁合金車輪技術(shù)工序較多、設(shè)備龐大、成本過(guò)高，并且產(chǎn)品容易有缺陷，質(zhì)量很難保證。鍛造-旋壓工藝制造的鋁合金車輪可以使鋁合金車輪的壁厚減薄，重量減輕，車輪尺寸越大，輕量化效果越顯著，沒(méi)有了鑄造工藝產(chǎn)生的氣孔、疏松等缺陷，力學(xué)性能大幅提高。

3.1 鍛造-旋壓復(fù)合工藝

鍛造-旋壓復(fù)合工藝的過(guò)程一般為：預(yù)鍛制坯→鍛造成形→精密旋壓→熱處理→機(jī)加工。旋壓工藝是在一定的溫度和壓力條件下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)與擠壓將輪轂進(jìn)行延展，在鍛造成形后，加入旋壓工藝，能夠在保證剛度的情況下使輪轂的壁厚大大減小，同時(shí)輪轂整體的動(dòng)平衡和材料致密度也較好，使輪轂更輕更耐用。美鋁車輪和運(yùn)輸產(chǎn)品部（AWTP）在蘇州開(kāi)設(shè)的鋁車輪工廠使用的就是這種工藝，生產(chǎn)出的鋁車輪強(qiáng)度是鑄造鋁車輪的4倍[7]。

3.2 珀然鍛造有限公司的鋁合金車輪鍛造工藝

圖1是江蘇珀然鍛造有限公司采用鍛造-旋壓復(fù)合工藝生產(chǎn)的6061鋁合金車輪。

圖1 鍛造6061鋁合金車輪各個(gè)工藝步驟完成后的車輪毛坯實(shí)物圖

他們的生產(chǎn)工藝包括：

6061鋁合金棒料采用鋸床鋸切成重量為50kg重的棒料，在溫度460～490℃的條件下預(yù)熱2～3h。

采用6000t壓力鍛造機(jī)進(jìn)行預(yù)鍛，鍛成碗口形狀，然后將鍛坯翻轉(zhuǎn)，通過(guò)12000t壓力反面鍛一次，鍛成桶狀。使材料有最大的流動(dòng)性，從而達(dá)到材料的最佳流線，輪轂的輪輞造型通過(guò)25t的旋壓機(jī)滾壓成形。

熱處理工藝為固溶溫度535±5℃，保溫2～3h，在15min內(nèi)淬火，水溫40～60℃，在水中冷卻120min時(shí)間。時(shí)效溫度為170±5℃，保溫9h。材料的機(jī)械性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度330 MPa，屈服強(qiáng)度300 MPa，延伸率12%以上。

與鑄造鋁車輪相比鍛造鋁車輪具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）重量輕，操縱性好，可減重30%左右；（2）纖維化的晶粒組織使強(qiáng)度更高，安全可靠，機(jī)械性能是鑄造的1.4倍左右；（3）散熱更佳，不易爆胎；（4）真圓度高，動(dòng)平衡佳；（5）一體成型，漂亮美觀；（6）經(jīng)濟(jì)省油，節(jié)能環(huán)保。

但由于該工藝成本高、工藝繁雜、投資大，還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)對(duì)于汽車輪轂產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，不論從鍛造鋁車輪自身的優(yōu)點(diǎn)，還是國(guó)家對(duì)于鍛造鋁車輪的政策來(lái)看，鍛造鋁車輪都有著巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景，越來(lái)越多的汽車制造廠商都會(huì)選擇鍛造鋁車輪。Wang等[8]利用觸變鍛造A356鋁合金車輪，熱處理后抗拉強(qiáng)度327.6MPa，屈服強(qiáng)度228.3MPa，伸長(zhǎng)率7.8%。

4 數(shù)值模擬在鋁合金車輪制造中的應(yīng)用

Sui等[9]建立低壓鑄造鋁車輪的仿真試驗(yàn)，對(duì)低壓鑄造鋁車輪的冷卻和保溫進(jìn)行數(shù)字仿真，確定了不同階段的冷卻時(shí)間，優(yōu)化了工藝參數(shù)，鑄造的鋁車輪經(jīng)檢測(cè)，證實(shí)能夠有效地減少孔隙率缺陷，為低壓鑄造鋁車輪的冷卻工藝提供了參考。張立娟[10]利用有限元數(shù)值模擬了鋁車輪旋壓毛坯在高溫下的受力情況，對(duì)比了模具改進(jìn)前后毛坯旋壓成形的結(jié)果，表明傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)不能避免車輪的旋壓變形，而新型模具設(shè)計(jì)能夠有效防止車輪變形。對(duì)新型模具進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了鋁合金車輪旋壓過(guò)程的端面變形問(wèn)題，為旋壓鋁合金車輪的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)作用。

楊棟[11]等對(duì)7075鋁合金的熱鐓粗過(guò)程進(jìn)行熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了溫度、應(yīng)變速率、變形量對(duì)晶粒顯微組織的影響，得到了7075鋁合金在熱變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中的晶粒度演化模型，使用該模型預(yù)報(bào)的晶粒尺寸與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，誤差最大不超過(guò)5.6%。

5 鋁合金車輪的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)鋁合金車輪的發(fā)展趨勢(shì)是根據(jù)車輪的使用環(huán)境和性能要求，選擇合適的制造工藝，縮短制造流程，進(jìn)一步降低成本，提高力學(xué)性能，充分利用數(shù)值模擬技術(shù)縮短研發(fā)周期，鍛造旋壓工藝將成為高性能鋁合金車輪制造的首選。

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Manufacturing Technology and Development Trend of Aluminum Wheel

PANG Wu-ji1，CAO Zhen-wei2，WAN Jin-hua3
(1.School of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116；3.Jiangsu Pomlead Forging Co.，Ltd.，Lianyungang 223500，China)

The characteristics，advantages and common materials of aluminum alloy wheels are summarized in this paper.The main manufacturing technologies of aluminum alloy wheels are introduced，including the main casting process:gravity casting，low pressure casting，back pressure casting and squeeze casting.The application situation and development prospect of the forging spinning process in aluminum alloy wheel manufacturing are mainly introduced，and the numerical simulation technology will play an important role in the future.

aluminum alloy wheel;manufacturing technology;casting;forging spinning;numerical simulation

TG292，TG319

A

1005-4898(2017)02-0004-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.01

江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目（BE2015100）。

龐午驥（1990－），男，江蘇鹽城人，學(xué)士，主要從事金屬材料成形技術(shù)研究。

2016－11－20