乘用車鋁合金輪輞的制造工藝和質(zhì)量評(píng)價(jià)

肖 博，安惠楠

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300457)

0 引 言

近年來，伴隨大宗期貨持續(xù)走高，乘用車鋁合金輪輞的原材料(鋁錠)成本居高不下，導(dǎo)致鋁合金輪輞成本價(jià)格倍數(shù)增長，以乘用車常用的17 in (431.8 mm)鋁合金輪輞為例，2018年200多元/條，2022年已經(jīng)上漲至接近400元/條，接近增長1.5倍。

通過整理鋁合金輪輞的制造工藝種類，包含市場主流的鑄造、高端定制產(chǎn)品的鍛造等；鋁合金輪輞的強(qiáng)度評(píng)價(jià)，包含動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)、13°沖擊試驗(yàn)、內(nèi)輪緣變形強(qiáng)度試驗(yàn)、輪輞變型后彎曲試驗(yàn)、輪輞變型后徑向試驗(yàn)等；鋁合金輪輞的性能評(píng)價(jià)，包含輪輞剛度/輪轂剛度、質(zhì)量、通風(fēng)孔面積等；鋁合金輪輞的涂裝評(píng)價(jià)，包含顏色、外觀、硬度、附著力、耐沖擊性試驗(yàn)、耐痕跡性、耐水性、耐化學(xué)腐蝕性(耐水、耐酸、耐堿性)、耐酸性洗滌劑、抗揮發(fā)溶油、抗人工天氣腐蝕試驗(yàn)、抗室外天氣腐蝕試驗(yàn)、CASS試驗(yàn)、線性腐蝕試驗(yàn)TAC、邊緣導(dǎo)電試驗(yàn)、濕表面張力、SOC等；鋁合金輪輞的材料特性評(píng)價(jià)，包含化學(xué)成分、金相組織、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度等；鋁合金輪輞的實(shí)車評(píng)價(jià)，包含操縱穩(wěn)定性/乘坐舒適性、NV性能、空力性能等乘用車鋁合金輪輞的設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容，在挑戰(zhàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)造型的同時(shí)，極力壓縮鋁合金輪輞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期、持續(xù)縮短開發(fā)評(píng)價(jià)周期，以期達(dá)到降低開發(fā)費(fèi)用、新產(chǎn)品快速投入市場的目的。

1 鋁合金輪輞的制造工藝與特點(diǎn)

1.1 鑄造

1.1.1 鑄造工藝流程

原材料入庫(部分鋁合金輪輞供應(yīng)商的原材料為鋁錠，也有部分鋁合金輪輞供應(yīng)商的原材料為液態(tài)鋁湯)→溶解(原材料納入狀態(tài)為鋁湯的省略該步驟)→除氣→鑄造→X光檢測→熱處理→機(jī)加工→動(dòng)平衡檢測→氦漏檢測→涂裝→包裝→出庫。

1.1.2 鑄造種類

①重力鑄造：傾倒鑄造方式，從內(nèi)輪緣處開始，通過鋁湯自重填滿模具，輪轂部鑄造品質(zhì)優(yōu)良，輪輞部稍差，鑄造設(shè)備簡單，但鋁湯內(nèi)雜質(zhì)過濾的管理較困難。

②低壓鑄造：鋁合金輪輞的主要生產(chǎn)工藝方法，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，輪輞部位鑄造品質(zhì)優(yōu)良，輪轂部稍差，但是鑄造設(shè)備復(fù)雜，相比重力鑄造設(shè)備成本較高。

③旋壓鑄造：通過對(duì)產(chǎn)品輪輞部位進(jìn)行熱旋壓，使輪輞部位組織更致密，輪輞壁厚適度減薄，對(duì)比普通低壓產(chǎn)品，產(chǎn)品的力學(xué)性能有大幅提升，輕量化效果明顯。

1.2 鍛造

1.2.1 鍛造工藝流程

原材料入庫(鋁棒)→旋轉(zhuǎn)鍛造→初步鍛造→最終鍛造→切邊擴(kuò)孔→旋壓→機(jī)加工→動(dòng)平衡檢測→氦漏檢測→涂裝→包裝→出庫。

1.2.2 鍛造種類

①固態(tài)鍛造-模具成型：面向批量化生產(chǎn)的鍛造方式，設(shè)計(jì)通過模具成型，因此受制約較大，同時(shí)需要人工拋光皺褶處，各廠家有獨(dú)家專利。

②固態(tài)鍛造-機(jī)加工成型：面向少量生產(chǎn)的鍛造方式，設(shè)計(jì)通過機(jī)加工實(shí)現(xiàn)，因此受制約少(可實(shí)現(xiàn)負(fù)角造型)，但加工時(shí)間較長、成本較高。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

鑄造工藝在設(shè)計(jì)、剛度、成本方面具備優(yōu)勢，而鍛造工藝在輕量化、力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率)方面較為突出。因此，需要結(jié)合鋁合金輪輞開發(fā)項(xiàng)目實(shí)際情況，如整車市場定位要求的鋁合金輪輞成本控制、整車造型風(fēng)格要求下的鋁合金輪輞設(shè)計(jì)趨勢、整車運(yùn)動(dòng)性能分解到鋁合金輪輞的性能目標(biāo)設(shè)定、整車重心/簧下質(zhì)量要求下的鋁合金輪輞重量目標(biāo)設(shè)定等，根據(jù)開發(fā)項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)來選擇具體的鋁合金輪輞的制造工藝。

2 鋁合金輪輞的強(qiáng)度評(píng)價(jià)

鋁合金輪輞的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)、13°沖擊試驗(yàn)、內(nèi)輪緣變形強(qiáng)度試驗(yàn)、輪輞變形后彎曲試驗(yàn)、輪輞變形后徑向試驗(yàn)，對(duì)鋁合金輪輞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響，因而各企業(yè)通過歷年來車型臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及惡路耐久實(shí)際結(jié)果的匹配情況來設(shè)定其強(qiáng)化系數(shù)，原則上在滿足ISO和GB規(guī)定的強(qiáng)化系數(shù)和循環(huán)次數(shù)的前提下普遍更加嚴(yán)格，故對(duì)實(shí)現(xiàn)鋁合金輪輞的輕量化開發(fā)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新迭代尤為重要。

2.1 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)

參照GB 36581—2018[1]、GB/T 5334—2005[2]，試驗(yàn)要求參考表1。

表1 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)要求 Tab.1 Dynamic bending fatigue test requirements

判定標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果采用染色滲透或熒光法檢查，確認(rèn)輪緣和圓盤上無裂紋、無顯著變形、無螺母或螺栓過度松動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)

參照GB 36581—2018、GB/T 5334—2005，試驗(yàn)要求參考表2。

表2 動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)要求 Tab.2 Dynamic radial fatigue test requirements

判定標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果采用染色滲透或熒光法檢查，確認(rèn)輪緣和圓盤上無裂紋、無顯著變形、無螺母或螺栓過度松動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 13°沖擊試驗(yàn)

參照GB 36581—2018、GB/T 15704—2012[3]，試驗(yàn)要求參考表3。

表3 13沖擊試驗(yàn)要求 Tab.3 13° impact test requirements

判定標(biāo)準(zhǔn)：無穿透性裂紋、輪輻和輪輞不得分離、1 min內(nèi)胎壓100%，不允許漏氣。

2.4 內(nèi)輪緣變形強(qiáng)度試驗(yàn)

車輪總成置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)固定后，向內(nèi)輪緣側(cè)施加相應(yīng)力(F＝3×1.1×單輪最大負(fù)載)，致使輪輞內(nèi)輪緣處發(fā)生塑性變形。要求輪輞內(nèi)輪緣殘余變形量＜3 mm。

輪輞變形后，實(shí)施內(nèi)輪輞應(yīng)力測試，應(yīng)小于規(guī)定限值。

2.5 輪輞變形后彎曲試驗(yàn)

參照GB 36581—2018、GB/T 5334—2005，試驗(yàn)要求參考表4。

表4 輪輞變形后彎曲疲勞試驗(yàn)要求 Tab.4 Requirements for bending fatigue test after rim deformation

判定標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果采用染色滲透或熒光法檢查，確認(rèn)輪緣和圓盤上無裂紋、無顯著變形、無螺母或螺栓過度松動(dòng)現(xiàn)象。

2.6 輪輞變形后徑向試驗(yàn)

參照GB 36581—2018、GB/T 5334—2005，試驗(yàn)要求參考表5。

表5 輪輞變形后徑向疲勞試驗(yàn)要求 Tab.5 Radial fatigue test requirements after rim deformation

判定標(biāo)準(zhǔn)：試驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果采用染色滲透或熒光法檢查，確認(rèn)輪緣和圓盤上無裂紋、無顯著變形、無螺母或螺栓過度松動(dòng)現(xiàn)象。

3 鋁合金輪輞的性能評(píng)價(jià)

鋁合金輪輞的單品性能對(duì)整車操控穩(wěn)定性(如變線時(shí)后輪抓地感強(qiáng)，有安定感等)、乘坐舒適性(如對(duì)簧下沖擊的過濾很平穩(wěn)，搖晃感大，高頻振動(dòng)少，乘坐質(zhì)感好等)、NV性能影響重大，通常情況下，在只改變鋁合金輪輞的實(shí)車主觀評(píng)價(jià)中，整車在高速下的操控穩(wěn)定性、低速下的乘坐舒適性及規(guī)定特性路面的NV特性會(huì)發(fā)生明顯變化?？樟π阅軐?duì)整車的風(fēng)阻系數(shù)影響較大，為實(shí)現(xiàn)更低的空氣阻力，在保證制動(dòng)卡鉗冷卻性能的前提下，應(yīng)盡可能降低鋁合金輪輞的通風(fēng)孔面積，同時(shí)提高外周部平坦率。

全涂裝涂裝工藝流程：熱處理→干燥→底漆/底粉噴涂→干燥→色漆噴涂→干燥→清漆噴涂→干燥→冷卻。

切削光輝涂裝工藝流程：熱處理→干燥→底漆/底粉噴涂→干燥→色漆噴涂→干燥→機(jī)械加工→前處理→干燥→清漆噴涂→干燥→冷卻。

3.1 輪輞和輪轂剛度

影響整車性能：操控穩(wěn)定性、NV性能(振動(dòng) 噪聲)。

3.2 質(zhì)量

影響整車性能：乘坐舒適性。

3.3 通風(fēng)孔面積

影響整車性能：制動(dòng)器(制動(dòng)卡鉗)冷卻、空力(風(fēng)阻系數(shù))。

4 鋁合金輪輞的涂裝評(píng)價(jià)

鋁合金輪輞的顏色、外觀、硬度、附著力、耐沖擊性試驗(yàn)、耐痕跡性、耐水性、耐化學(xué)腐蝕性(耐水、耐酸、耐堿性)、耐酸性洗滌劑、抗揮發(fā)溶油、抗人工天氣腐蝕試驗(yàn)、抗室外天氣腐蝕試驗(yàn)、CASS試驗(yàn)、線性腐蝕試驗(yàn)TAC、邊緣導(dǎo)電試驗(yàn)、濕表面張力、SOC等涂裝評(píng)價(jià)對(duì)單品的外觀、耐腐蝕等影響重大，各鋁合金輪輞供應(yīng)商都擁有自己的涂料供應(yīng)商、涂層設(shè)定/配比的技術(shù)見解，同時(shí)，由于鋁合金輪輞的日常工作環(huán)境相對(duì)惡劣，各主機(jī)廠對(duì)鋁合金輪輞的涂裝評(píng)價(jià)極為重視。

4.1 顏色

試驗(yàn)條件：目視確認(rèn)。

目標(biāo)要求：無明顯色差。

4.2 外觀

試驗(yàn)條件：目視確認(rèn)。

目標(biāo)要求：表面無膨脹、起泡、剝落、裂紋、白化、漆薄、起皺等現(xiàn)象。

4.3 硬度

試驗(yàn)條件：三菱鉛筆硬度。

目標(biāo)要求：HB以上。

4.4 附著力

試驗(yàn)條件：用美工刀等2 mm劃格間距。

目標(biāo)要求：100%無脫落。

4.5 耐沖擊性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：室溫條件下，以300 g的砝碼重量、40 cm高度在同一位置沖擊試驗(yàn)漆板3次，然后用規(guī)定膠帶測定沖擊處漆膜的剝落情況。

目標(biāo)要求：無裂紋和剝落現(xiàn)象。

4.6 耐痕跡性

試驗(yàn)條件：室溫條件下，以100 g重量的碎石、400 kPa的壓力、50 g/s的注射率、20°的角度進(jìn)行試驗(yàn)。

目標(biāo)要求：規(guī)定腐蝕等級(jí)以上。

4.7 耐水性

試驗(yàn)條件：溫度40℃，240 h。

目標(biāo)要求：沒有諸如發(fā)泡、剝落、起皺、顏色和光澤的過度變化及膜層軟化等缺陷，進(jìn)行漆膜附著力檢驗(yàn)，要求100%無脫落。

4.8 耐化學(xué)腐蝕性(耐水、耐酸、耐堿性)

試驗(yàn)條件：耐水變色，溫度(55±1)℃，4 h；耐酸變色，溫度(20±2)℃，24 h；耐堿變色，溫度(55± 1)℃，4 h。

目標(biāo)要求：耐水變色，ΔE≤0.8；耐酸變色，ΔE≤1.5；耐堿變色，ΔE≤1.5。

4.9 耐酸性洗滌劑

試驗(yàn)條件：規(guī)定酸性洗滌劑。

目標(biāo)要求：沒有明顯腐蝕和褪色。

4.10 抗揮發(fā)溶油

試驗(yàn)條件：溫度(20±2)℃，24 h。

目標(biāo)要求：漆層無膨脹、皺紋、剝落現(xiàn)象；顏色、光澤和涂層方面無明顯變化。

4.11 抗人工天氣腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：750 MJ輻照能量，輻照度170 W/m2，300～400 nm的氙燈，S硼型的內(nèi)外濾管，63℃黑板溫度，35℃試驗(yàn)箱溫度，50%RH相對(duì)濕度，樣品表面不噴淋水、輻照時(shí)間102 min的輻照片段；45℃試驗(yàn)箱溫度，90%RH相對(duì)濕度，樣品表面噴淋水、輻照＋噴淋時(shí)間18 min的輻照＋噴淋片段。

目標(biāo)要求：60°光澤保持≥85%，ΔE≤3.0；無裂紋和剝落現(xiàn)象。

4.12 抗室外天氣腐蝕試驗(yàn)

4.12.1 12個(gè)月

試驗(yàn)條件：一般評(píng)價(jià)用條件即可。

目標(biāo)要求：60°光澤保持≥85%，ΔE≤3.0。

4.12.2 18個(gè)月

試驗(yàn)條件：一般評(píng)價(jià)用條件即可。

目標(biāo)要求：無裂紋和剝落現(xiàn)象。

4.13 CASS試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：5%NaCl，pH 3.1～3.3，溫度(49± 1)℃，1.0～2.0 mL/h噴鹽量，0.25 g/L，CuCl2·2H2O，72 h/240 h。

目標(biāo)要求：在切割面處不得出現(xiàn)單側(cè)3 mm以上缺陷；窗口邊緣部腐蝕寬度不得出現(xiàn)3 mm以上缺陷；其他區(qū)域不得出現(xiàn)缺陷。

4.14 線性腐蝕試驗(yàn)TAC

試驗(yàn)條件：一般評(píng)價(jià)用條件即可。

目標(biāo)要求：要求8個(gè)周期，在切割面處不得出現(xiàn)2 mm以上缺陷；窗口邊緣不得出現(xiàn)2 mm以上缺陷；其他區(qū)域不得出現(xiàn)缺陷。

4.15 邊緣導(dǎo)電試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：一般評(píng)價(jià)用條件即可。

目標(biāo)要求：窗口邊緣部分(設(shè)計(jì)正面和背面)不允許有電流通過。

4.16 濕表面張力

試驗(yàn)條件：用棉簽蘸取專用plasmatreat表面張力測試墨水涂覆于貼平衡塊位置，室溫條件下，均勻涂覆后2 s觀察涂覆墨水收縮狀態(tài)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖片 判定。

目標(biāo)要求：28 mN/m以上。

4.17 SOC

試驗(yàn)條件：由認(rèn)定資質(zhì)的評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)實(shí)施。

目標(biāo)要求：禁用含鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚、六溴環(huán)十二烷、全氟辛烷磺酸、石棉等有害物質(zhì)，符合國家要求。

5 鋁合金輪輞的材料特性評(píng)價(jià)

鋁合金輪輞的化學(xué)成分、金相組織、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度等材料特性評(píng)價(jià)對(duì)鋁合金輪輞的強(qiáng)度/性能影響重大，同時(shí)，鋁合金輪輞供應(yīng)商對(duì)鋁湯溫度的管理(保溫、冷卻)都保有技術(shù)見解，對(duì)鋁合金輪輞成型過程中的材料特性控制是各企業(yè)的核心機(jī)密。

5.1 化學(xué)成分

目標(biāo)要求：Si，6.5～7.5；Mg，0.2～0.4；Cu≤0.20；Zn≤0.10；Fe≤0.30；Mn≤0.10；Ni≤0.10；Ti≤0.20；Pb≤0.10；Sn≤0.10；Cr≤0.10。

5.2 金相組織

目標(biāo)要求：熱處理后共晶Si 為球狀及橢圓狀。

5.3 抗拉強(qiáng)度

部位：輪輻、輪輞、內(nèi)輪緣、外輪緣。

目標(biāo)要求：≥255 MPa。

5.4 屈服強(qiáng)度

部位：輪輻、輪輞、內(nèi)輪緣、外輪緣。

目標(biāo)要求：≥180 MPa。

5.5 延伸率

部位：輪輻、輪輞、內(nèi)輪緣、外輪緣。

目標(biāo)要求：≥5%。

5.6 硬度

部位：輪輻、輪輞、內(nèi)輪緣、外輪緣。

目標(biāo)要求：HB72～97。

6 鋁合金輪輞的實(shí)車評(píng)價(jià)

鋁合金輪輞的單品性能對(duì)整車直線穩(wěn)定性(如車身剛性感增強(qiáng)，有安定感等)、N附近橫擺響應(yīng)(如車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)答性/響應(yīng)快速等)、方向盤手感回應(yīng)(如流暢并且直接，增益感容易感知，N附近摩擦感強(qiáng)，轉(zhuǎn)向盤微小操作困難等)、橫擺角速度增益(如橫擺角速度增益較高，變線后半段線性/容易操控等)、后輪抓地感(如變線時(shí)后輪抓地感強(qiáng)，有安定感等)、側(cè)傾姿態(tài)(如車輛向前傾，側(cè)傾姿態(tài)良好等)等操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)及平穩(wěn)感(側(cè)傾幅度較大，跳動(dòng)平穩(wěn)等)、搖晃感(如乘員身體搖晃幅度較大，收束感慢等)、傳達(dá)到小腿/大腿的抖動(dòng)感(如路面輸入后的收束感好，衰減感好等)、臀部/腰部/腳部的抖動(dòng)感(如對(duì)簧下沖擊的過濾很平穩(wěn)，搖晃感大，高頻振動(dòng)少，乘坐質(zhì)感好等)、通過凸起物時(shí)的沖擊感(如上坎時(shí)壓縮行程適度，下坎時(shí)拉伸行程小導(dǎo)致沖擊感強(qiáng)烈等)等乘坐舒適性影響重大，通常情況下，實(shí)施只變更鋁合金輪輞的實(shí)車主觀評(píng)價(jià)。

操縱穩(wěn)定性：直線穩(wěn)定性、N附近橫擺響應(yīng)、方向盤手感回應(yīng)、橫擺角速度增益、后輪抓地感、側(cè)傾姿態(tài)等主觀評(píng)分要求值以上。

乘坐舒適性：平穩(wěn)感、搖晃感、傳達(dá)到小腿/大腿的抖動(dòng)感、臀部/腰部/腳部的抖動(dòng)感、通過凸起物時(shí)的沖擊感等主觀評(píng)分要求值以上。

其中，NV性能中的固有頻率、面外扭轉(zhuǎn)剛度及空力性能中的通風(fēng)孔面積、外用部平坦率為技術(shù)保密數(shù)據(jù)，在此不予以公開。

7 總 結(jié)

面對(duì)鋁合金輪輞的原材料——鋁錠大幅上漲的成本壓力，在滿足設(shè)計(jì)要求、輪輞強(qiáng)度、性能開發(fā)目標(biāo)的前提下，如何能夠通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低重量成為至關(guān)重要的開發(fā)課題。如輪輻背腔沉降孔、外輪緣隨形窗口、輪轂中心部減料、拔模角最適化等輕量化方案，通過反復(fù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、CAE-臺(tái)架試驗(yàn)精度提升等途徑，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)“最優(yōu)解”。以“最合理”的鋁合金輪輞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)成強(qiáng)度、性能目標(biāo)要求，最大程度降低設(shè)計(jì)冗余量，在降低簧下質(zhì)量的同時(shí)提升整車操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性。