旋壓技術(shù)與車輪制造的應(yīng)用分析

袁水俊

摘 要：針對(duì)車輪的設(shè)計(jì)與制造而言，旋壓技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展起著重要的作用。采用旋壓工藝設(shè)計(jì)的鋁合金車輪，在同等強(qiáng)度的情況下，擁有更薄的壁厚，更輕的重量。目前新能源車發(fā)展如火如荼，輕量化意味著續(xù)航能力的提升以及材料和能源消耗的降低，這也進(jìn)一步呼應(yīng)國(guó)家目前推行的“能耗雙控”政策。本文結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)能耗雙控背景下的H型大尺寸車輪的旋壓技術(shù)應(yīng)用及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品所存在的問(wèn)題和相關(guān)解決方案進(jìn)行分析，并展望我國(guó)未來(lái)旋壓技術(shù)于車輪加工制造的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：旋壓技術(shù) 車輪制造 應(yīng)用分析

1 引言

我國(guó)現(xiàn)代化制造行業(yè)在生產(chǎn)效率和品質(zhì)工藝上都有了質(zhì)的飛躍。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升，私家車的數(shù)量大大增加。我國(guó)人民對(duì)車輛的需求日益增長(zhǎng)，不僅促進(jìn)了我國(guó)車輛制造行業(yè)的發(fā)展并且也有效帶動(dòng)了我國(guó)車輛制造、部件加工工藝的技術(shù)進(jìn)步。隨著國(guó)家能耗雙控等相關(guān)政策的持續(xù)推進(jìn)，“能耗雙控”與制造生產(chǎn)的矛盾愈發(fā)的受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輕量化，生產(chǎn)制造工藝的變革、能消的降低是我國(guó)汽車制造行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在“能耗雙控”發(fā)展要求的宗旨下，滿足終端客戶的大尺寸輪型的需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用旋壓技術(shù)的車輪具有重要意義。

對(duì)于鋁合金車輪而言，旋壓技術(shù)在常規(guī)轎車的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但對(duì)于歐美市場(chǎng)，尤其是汽車改裝市場(chǎng)，旋壓技術(shù)在大尺寸輪型的應(yīng)用的并不是很廣泛。近幾年隨著國(guó)外汽車改裝市場(chǎng)的大尺寸深lip市場(chǎng)需求的發(fā)展，主流的車輪尺寸已由原先的2010、2012提升至2412、2414、2614，乃至于2616。這種大尺寸，H型深輪輞的產(chǎn)品，采用旋壓技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用將會(huì)迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)。

2 旋壓技術(shù)簡(jiǎn)介及對(duì)于車輪設(shè)計(jì)制造的重要性分析

2.1 旋壓技術(shù)原理分析

旋壓技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展由來(lái)已久，它屬于通過(guò)回轉(zhuǎn)體的方式將毛坯材料進(jìn)行塑形的工藝。現(xiàn)如今一般學(xué)者認(rèn)為是由我國(guó)古代的陶瓷手工藝奠定了這門技術(shù)的基礎(chǔ)。而早期通過(guò)旋壓技術(shù)來(lái)對(duì)金屬材質(zhì)的毛坯進(jìn)行加工則是由歐洲國(guó)家進(jìn)行開(kāi)展的。他們率先應(yīng)用于對(duì)銅、錫之類的硬度較低的金屬進(jìn)行旋壓塑形，旋壓工藝初步應(yīng)用于金屬加工主要是用來(lái)做一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的容器。直到電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世為旋壓技術(shù)帶來(lái)了強(qiáng)有力的動(dòng)力支持，此后該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍工制造行業(yè)，艦船、槍炮零部件的加工制造。并逐漸推廣到工業(yè)生產(chǎn)和民用產(chǎn)品加工方面。

對(duì)于車輪行業(yè)而言，旋壓技術(shù)主要指 “低壓鑄造+旋壓”和“重力鑄造+旋壓”兩種工藝。主流是采用“低壓鑄造+旋壓”技術(shù)，采用的是輪輻部位鑄造，輪輞部位旋壓的方式進(jìn)行生產(chǎn)制造。

2.2 旋壓技術(shù)的分類

按照材料厚度的變化可以將其分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓。

普通旋壓技術(shù)加工的毛坯其厚度變化相對(duì)較小。技術(shù)的特點(diǎn)是在毛坯材料成型后對(duì)其外徑進(jìn)行改變。主要改變的是它的直徑而并非厚度。

強(qiáng)力旋壓，就是通過(guò)強(qiáng)有力的旋壓加工使得材料的厚度發(fā)生大幅度的變化，強(qiáng)力旋壓相比于普通旋壓而言對(duì)材料施加的壓力要大很多倍。主要應(yīng)用于對(duì)材料厚度的減小，通過(guò)加工使毛坯材料變得更加輕薄。

同時(shí)按照旋壓毛坯是否加需要加熱，又分為熱旋和冷旋，目前鋁合金車輪主要以熱旋的方式進(jìn)行生產(chǎn)。

2.3 旋壓技術(shù)對(duì)于大尺寸車輪加工的重要性分析

相比于傳統(tǒng)的低壓鑄造工藝而言，設(shè)計(jì)采取旋壓技術(shù)與低壓鑄造相結(jié)合的車輪有如下特點(diǎn)：

提高輪輞部位的合格率：通過(guò)擠壓成型的方式生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，解決了H型大尺寸輪輞的產(chǎn)品低壓鑄造工藝無(wú)法解決的輪輞疏松、亮面針孔問(wèn)題。H型輪輞的大尺寸的輪型，主要訂單狀態(tài)是電鍍、亮面等狀態(tài)，輪輞部位的改善能大幅提升產(chǎn)品涂裝的合格率，減少涂裝、亮面工序的返修次數(shù)。

提質(zhì)增效：輪輞的輕薄，使產(chǎn)品重量顯著降低，有效提升了車輛的輕量化程度，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。不難理解，在保障輪輞強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，更加輕薄的輪輞所需要耗費(fèi)鋁的原材料也就更少。在目前大宗商品飆漲、能源雙控的大背景下，鋁價(jià)已由2020年的1.4萬(wàn)/噸漲至2021年的將近2.4萬(wàn)/噸，鋁價(jià)漲幅約70%。鋁價(jià)高價(jià)位徘徊，能耗的限制，對(duì)車輪企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)壓力很大，以低壓鑄造2616輪輞18kg為例，采用旋壓技術(shù)后，輪輞重量能降1kg，材料鋁的材料利用率大幅提升，也意味著能耗將同步降低。當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)產(chǎn)品所節(jié)約的原材料在訂單數(shù)目極其龐大的匯聚下所能夠節(jié)省的資源消耗是非?？捎^的。

在如今能源的節(jié)約與輕量化需求日益凸顯的時(shí)代背景下。有效的降低生產(chǎn)成本無(wú)異于是對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益的提升，對(duì)于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展大有助益。能夠熟練應(yīng)用旋壓技術(shù)進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)加工的企業(yè)也必將在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提升自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)的發(fā)展壯大、占據(jù)更多的市場(chǎng)份額提供技術(shù)支撐。對(duì)于用戶和社會(huì)而言，輕量化的車身意味著在同等運(yùn)行情況下汽車的綜合油耗降低，續(xù)航里程的提升。在全球碳中和的大背景下，出口企業(yè)更多的采用輕量化技術(shù)，迎合了世界發(fā)展的方向。

3 旋壓技術(shù)與車輪設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用分析

3.1 輪轂制造工藝流程及問(wèn)題分析

通常采取旋壓技術(shù)進(jìn)行輪轂生產(chǎn)的工藝流程為：1.壓旋模毛坯;2.機(jī)加預(yù)車毛坯;3.旋模的裝模及烤饃;4.毛坯預(yù)熱;5.使用冷卻水和補(bǔ)足脫模劑進(jìn)行輔助作業(yè); 6.預(yù)熱爐、旋壓機(jī)、機(jī)器手聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)。7.按圖紙要求測(cè)量毛坯尺寸。

在旋壓過(guò)程中，要注意旋輪粘鋁的問(wèn)題，防止外輪輞表面出現(xiàn)凹坑、起皮的現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品預(yù)熱后冷卻的深度也有要求，切忌不得超過(guò)輻條的一半。進(jìn)行加工的過(guò)程要避免產(chǎn)品裝配部位發(fā)生磕碰傷，并注意按照一定的頻率對(duì)產(chǎn)品的輪輞尺寸等參數(shù)進(jìn)行檢查。

3.2 旋壓技術(shù)的應(yīng)用與對(duì)策分析

旋壓加工的過(guò)程，部分輪型出現(xiàn)毛坯預(yù)熱后與旋模無(wú)法貼緊的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)是旋后毛坯有黑皮，機(jī)加余量不足。尤其是H型輪輞的大尺寸毛坯更明顯，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)主要原因是毛坯加熱后，輪緣臺(tái)階設(shè)計(jì)放大了臺(tái)階尺寸對(duì)旋模的影響，導(dǎo)致毛坯無(wú)法與旋模配合不到位。為了避免此類問(wèn)題的發(fā)生，針對(duì)22寸及以下的產(chǎn)品，輪緣臺(tái)階結(jié)構(gòu)的深度控制在3mm-5mm以內(nèi)，22寸以上毛坯，在設(shè)計(jì)時(shí)把臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)改良成斜面結(jié)構(gòu)配合，就能夠有效解決預(yù)熱后旋壓貼緊問(wèn)題。

在產(chǎn)品強(qiáng)度試驗(yàn)科目中，按照SAEJ2530標(biāo)準(zhǔn)，徑向120萬(wàn)轉(zhuǎn)OK，采用2616尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輪輞起旋部位60萬(wàn)時(shí)產(chǎn)生漏氣導(dǎo)致試驗(yàn)NG。經(jīng)過(guò)分析后，將起旋部位外輪輞局部加厚，增加0.6mm的壁厚，第二次試驗(yàn)OK。針對(duì)旋壓車輪，設(shè)計(jì)時(shí)起旋部位需要預(yù)留毛坯余量，避免試驗(yàn)NG無(wú)法調(diào)整。

4 旋壓技術(shù)于車輪制造行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析

旋壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及重要意義上文已作出詳細(xì)說(shuō)明，我司目前旋壓機(jī)的極限尺寸是2616。目前能夠達(dá)到這個(gè)參數(shù)指標(biāo)的加工制造廠商為數(shù)不多。以2616尺寸的H型輪輞產(chǎn)品為例，常規(guī)的此類輪型鑄造輪輪輞部位重量約18kg，采用旋壓工藝后，二序輪輞壁厚由6.7mm降至5mm，輪輞部位重量約17kg，產(chǎn)品重量約降1kg;按照乘用車進(jìn)行分析，1個(gè)汽車裝配4個(gè)輪子，合計(jì)將減重4kg，以目前的市場(chǎng)價(jià)產(chǎn)品1kg成本約40元來(lái)估算（材料成本加熔煉添加合金費(fèi)用及加工費(fèi)約40元來(lái)計(jì)算），每輛車將降低160元的費(fèi)用。有效的節(jié)省成本，提高材料利用率，汽車的油耗也會(huì)隨之降低。同時(shí)旋壓工藝的產(chǎn)品，因?yàn)橹亓枯p，在市場(chǎng)上更受歡迎，售價(jià)更高。未來(lái)旋壓技術(shù)在2616這些大尺寸的應(yīng)用將會(huì)日益純熟，在輕量化生產(chǎn)發(fā)展要求的驅(qū)使下逐步確立此項(xiàng)技術(shù)的核心地位。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，法律法規(guī)的完善，國(guó)內(nèi)的改裝需求會(huì)逐步跟歐美發(fā)達(dá)國(guó)家接軌，未來(lái)我國(guó)的輪轂改裝行業(yè)將會(huì)持續(xù)走高。自08年以來(lái)，我國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，同時(shí)隨著居民生活水平的不斷提高，私家車已經(jīng)逐步成為大眾消費(fèi)品，我國(guó)私家車數(shù)目日益攀升。因此我國(guó)也將擁有最為龐大的汽車輪轂改裝、售后市場(chǎng)。有市場(chǎng)、有效益，自然會(huì)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。隨著我國(guó)“能源雙控”的深入推進(jìn)，部分產(chǎn)業(yè)效能低下、管理混亂、規(guī)模較小并且產(chǎn)品質(zhì)量較差的企業(yè)或?qū)⒚媾R自然淘汰、兼并、重組。這都是時(shí)代發(fā)展使然，在行業(yè)優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，能夠掌握核心技術(shù)的高產(chǎn)能技術(shù)企業(yè)將會(huì)迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展前景。

綜上所述，應(yīng)用旋壓技術(shù)所加工的車輪具有質(zhì)量小、強(qiáng)度有保障、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)尤為符合我國(guó)當(dāng)前汽車生產(chǎn)制造行業(yè)及相關(guān)車輪加工、售后行業(yè)的發(fā)展要求。更加智能化、輕量化的旋壓技術(shù)將成為相關(guān)企業(yè)發(fā)展的重要競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)用旋壓技術(shù)所加工的產(chǎn)品在“能耗雙控”和可持續(xù)發(fā)展的方針下將會(huì)越來(lái)越受到大眾的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

[1]李平，陳丹囝，王祝堂，等.鋁合金車輪生產(chǎn)與性能[J].輕合金加工技術(shù)，2011（11）：1-20.

[2]劉莉.復(fù)合材料在汽車制造中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2012（28）：110.

[3]王家勛，王海鵬. 旋壓技術(shù)在車輪輪轂產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展 [C]. 第十二屆全國(guó)旋壓技術(shù)交流年會(huì)暨旋壓學(xué)術(shù)委員會(huì)成立三十周年慶祝大會(huì)，2011.

[4]張慶玲. 鋁合金輪轂強(qiáng)力旋壓數(shù)值模擬技術(shù)研究 [J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008，13（08）：31-33

[5]周祿禹.基于有限元的鋁合金車輪結(jié)構(gòu)分析[D].上海：華東理工大學(xué)，2013.

[6]馮奇，范軍鋒，干頻，等.新能源汽車鎂合金零部件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].汽車工藝與材料，2010（11）：51-55.