汽車鋁合金輪轂鑄造技術(shù)之研究

王長(zhǎng)軍，曾凡偉

(成都銀河動(dòng)力有限公司,四川 成都 610000)

輪轂是汽車的重要組成部分，其質(zhì)量的安全性、制造工藝的精良程度等，將直接影響輪轂的性能以及汽車的安全性能。因此，工藝技術(shù)不斷發(fā)展至今，從原有的重力鑄造逐漸發(fā)展出低壓鑄造、鍛造等水平越來越高的技術(shù)手段，對(duì)汽車制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生更加積極的推動(dòng)作用。輪轂是汽車重要的承重結(jié)構(gòu)，在力學(xué)作用下，其結(jié)構(gòu)品質(zhì)的好與壞將直接影響汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性。出于此等考慮，輪轂鑄造技術(shù)在不斷的發(fā)展、演變，至今鋁合金、鎂合金等材質(zhì)輪轂相繼被研發(fā)成功，且都具有一定的優(yōu)異性能體現(xiàn)。尤其是鋁合金輪轂其性能條件更佳，本文也主要對(duì)鋁合金輪轂鑄造進(jìn)行深入分析，為該技術(shù)有效應(yīng)用提供支持。

1 汽車鋁合金輪轂鑄造技術(shù)概論

汽車鋁合金輪轂鑄造技術(shù)在近些年得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)就該技術(shù)的應(yīng)用原理、類型、鑄造流程及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等內(nèi)容進(jìn)行較為詳細(xì)的敘述，以便更好地了解該技術(shù)，為推動(dòng)技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1.1 技術(shù)應(yīng)用原理

汽車輪轂構(gòu)成主要與兩點(diǎn)有關(guān)，一是需要與車體連接，二是需要與車胎連接。車體連接部分車軸、車輪，需要考慮輪輻及偏距的問題。車胎連接部分則設(shè)計(jì)槽底、胎圈座以及氣門孔等，起到支撐輪胎的作用。具體鑄造過程中，需要充分考慮鑄造需求以及當(dāng)前的實(shí)際鑄造條件等，合理選擇適當(dāng)?shù)蔫T造流程，如重力鑄造、低壓鑄造、鍛造等，尤其考慮輪轂對(duì)輪胎穩(wěn)定性影響，特別強(qiáng)調(diào)在眾多技術(shù)選擇的情況下，要格外注意加強(qiáng)擠壓鑄造成型、鍛造法應(yīng)用。

除此之外，在技術(shù)應(yīng)用流程方面，應(yīng)注意對(duì)鑄造材料、各參數(shù)設(shè)置以及加熱處理，這些都是輪轂鑄造過程中，影響鑄造質(zhì)量的關(guān)鍵，需要予以有效保障。

1.2 汽車鋁合金輪轂特點(diǎn)

汽車鋁合金輪轂的特點(diǎn)具體可以從兩方面進(jìn)行詳細(xì)敘述，一是優(yōu)點(diǎn)方面：鋁合金輪轂質(zhì)量輕，行駛過程中，能夠降低汽車能源消耗，降低環(huán)境污染；鋁合金輪轂導(dǎo)熱性能較弱，不會(huì)因汽車制動(dòng)產(chǎn)熱、導(dǎo)熱致使爆胎情況出現(xiàn)，降低安全事故發(fā)生的可能性；鋁合金輪轂可以在與子午線輪胎相配合的情況下，進(jìn)一步降低汽車振動(dòng)、緩沖帶來的影響，整體提升汽車舒適度；該材質(zhì)工藝的輪轂具有較好的流動(dòng)性、張力特點(diǎn)，經(jīng)過拋光后，其外形更加美觀，尤其是其表面在抗腐蝕處理技術(shù)支持下，外觀保持時(shí)效較長(zhǎng)。二是缺點(diǎn)方面：鋁合金輪轂相對(duì)鋼制輪轂硬度低，生產(chǎn)、使用過程中容易出現(xiàn)砂眼、裂紋情況，影響其安全性能；鋁合金輪轂價(jià)格較高，且若在無內(nèi)胎汽車制造中使用，容易導(dǎo)致內(nèi)氣不足問題產(chǎn)生。整體來看，鋁合金輪轂的適用性加強(qiáng)，這也是其于當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境中較為廣泛被應(yīng)用的原因。

1.3 鑄造流程

鋁合金輪轂制造過程中，主要由以下幾個(gè)步驟完成：第一步，需要分析鑄造工藝，具體分析過程應(yīng)該結(jié)合鑄造需求及現(xiàn)有條件進(jìn)行，繪制圖紙、設(shè)計(jì)磨具等，還需在確定好鑄造工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)建參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置；第二步，需要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙等，完成澆筑、加熱處理等工作，待澆筑完成后，檢查鑄件、試加工、修正磨具、試生產(chǎn)等，以全面評(píng)審形成工藝文件；最后對(duì)整個(gè)鑄造過程進(jìn)行總結(jié)，將所涉及的文件進(jìn)行歸檔[1]。

1.4 技術(shù)類型

現(xiàn)階段，最主要的鋁合金輪轂鑄造技術(shù)有重力鑄造、低壓鑄造以及鍛造等，下面內(nèi)容中就重力、低壓以及鍛造進(jìn)行詳細(xì)敘述，以進(jìn)一步明確相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)關(guān)鍵技術(shù)、質(zhì)量控制建議提出等，奠定基礎(chǔ)。

1.4.1 重力鑄造

重力鑄造是一種傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，“金屬液在地球重力作用下注入鑄型”，具體包括砂型澆鑄、熔模鑄造以及金屬型澆鑄等。其中金屬型澆鑄是汽車鋁合金輪轂鑄造的主要方式，也是窄義理解上的重力鑄造。

1.4.2 低壓鑄造

低壓鑄造是當(dāng)前最為常用也是最為常見的一種新型鑄造技術(shù)，將鑄型置于密封坩堝上方，其內(nèi)通入壓縮空氣，于熔融金屬表面造成低壓力(約為0.06兆帕-0.15兆帕)，以使其能夠由升液管至輪轂型腔、控制凝固。之后去除空氣壓力，澆口套處或者升液管內(nèi)剩余的鋁合金熔液會(huì)再次流回坩堝。待其坯件徹底冷卻，使鑄型上模與下模脫離并上升至指定高度，將其取出。對(duì)于施加的空氣壓力，需要在提前設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)的情況下進(jìn)行，以保證輪轂微觀結(jié)構(gòu)密度，具有較好的力學(xué)性能，此法可以很大程度節(jié)省材料，降低廢品率。

鋁合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)需要注意澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以免合金熔液氧化產(chǎn)生氧化夾渣或者鉆孔缺陷。如依據(jù)輪轂中心孔及對(duì)稱薄壁壓鑄件等特點(diǎn)，適當(dāng)選擇中心澆口方式。除此之外，還要注意排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由于型腔為封閉式，沖型時(shí)的排氣問題不可忽視，以免影響鋁液沖型。而冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則需要注意上模分流錐、安裝盤等位置以及輪輞、輪輻連接的地方，均需要設(shè)置水冷管，以達(dá)到迅速冷卻鋁液的目的。

待輪轂?zāi)＞叱尚秃螅枰獙?duì)模具表面做抗腐蝕處理，如壓鑄模具鋼H13，運(yùn)用了淬火、回火以及滲氮處理等后，其耐鋁液腐蝕性不強(qiáng)，而在其表面制備了陶瓷涂層后，明顯改善了其耐腐蝕性，整體提高了模具的使用壽命。

1.4.3 鍛造

鍛造是目前輪轂鑄造技術(shù)水平最高的工藝類型，一般利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其塑性變形具備機(jī)械性能、相應(yīng)形狀及尺寸，最終形成鍛件。雖然鍛造工藝具有較好的鑄造效果，如優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)、保存金屬流線等，但是該工藝技術(shù)所需生產(chǎn)設(shè)備精良程度要求較高，且成品率相對(duì)較低，制造成本高，目前除一些高端車型會(huì)運(yùn)用此法鍛造輪轂外，普遍采用最多的還是低壓鑄造方法，相對(duì)成本低、性能優(yōu)良，且制作過程簡(jiǎn)單[2]。

1.5 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相較于其他材質(zhì)的輪轂鑄造技術(shù)，鋁合金輪轂鑄造主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：首先是節(jié)能、簡(jiǎn)便優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)，這與鋁型材的材質(zhì)特點(diǎn)有直接關(guān)系，其本身重量較輕，能夠在減輕車身重量的前提下，對(duì)汽車制動(dòng)過程產(chǎn)生積極影響，降低能量消耗、提高加速性能，且對(duì)環(huán)境的污染降低。其次具有性能優(yōu)良優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)與輪胎的高精度分離的情況下，表現(xiàn)出較好的減震性能，且具備良好的散熱性能，可以有效避免行駛高溫引起爆胎問題，整體表現(xiàn)出良好的舒適體驗(yàn)。

1.6 應(yīng)用必要性分析

在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中，隨著生活水平、生活質(zhì)量的逐步提升，人們對(duì)日常生活、出行等更加注重品質(zhì)享受。而且綠色環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，在尋找適當(dāng)材料滿足以上舒適體驗(yàn)需求以及環(huán)保性需求的過程中，鋁合金輪轂鑄造技術(shù)被研發(fā)并被廣泛應(yīng)用起來，以其特有的輕便、環(huán)保以及美觀、減震延長(zhǎng)汽車使用壽命等優(yōu)勢(shì)特征，成功征服消費(fèi)者，搶占了絕大部分汽車輪轂鑄造市場(chǎng)[3]。

中共預(yù)備黨員的確定是通過入黨預(yù)審答辯，答辯的主要流程有五點(diǎn)：第一，知我陳述，自我陳述共分為三個(gè)部分，包括“一名黨員一面旗幟”即主要陳述對(duì)黨員基本要求的理解以及自己入黨后努力方向；“三個(gè)體現(xiàn)”即體現(xiàn)水平、體現(xiàn)奉獻(xiàn)、體現(xiàn)覺悟，陳述入黨前的表現(xiàn)；“三自精神”即自我認(rèn)同、自我警示、自我發(fā)展，陳述對(duì)黨員要求的理解。第二，知識(shí)考察，答辯人將現(xiàn)場(chǎng)回答黨的基本知識(shí)相關(guān)問題。第三，提問與答辯，答辯委員將針對(duì)入黨積極分子的理論知識(shí)，陳述內(nèi)容等提出問題，由答辯人當(dāng)場(chǎng)做答。第四，民主測(cè)評(píng)，在場(chǎng)相關(guān)人員將無記名投票形式，對(duì)答辯人進(jìn)行民主測(cè)評(píng)。第五，委員表決，在場(chǎng)答辯委員經(jīng)過會(huì)商后無記名投票表決，并做相應(yīng)點(diǎn)評(píng)。

2 汽車鋁合金輪轂鑄造關(guān)鍵技術(shù)

汽車鋁合金輪轂鑄造關(guān)鍵技術(shù)，主要可以從其鑄造流程角度出發(fā)，對(duì)關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹，以明確最終的應(yīng)用情況，進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，為汽車制造業(yè)提供更加可靠的保障。

2.1 強(qiáng)化保壓分析

保壓是具體鑄造工藝的重要階段，保壓時(shí)間長(zhǎng)短取決于鑄件凝固狀態(tài)。若持續(xù)加壓已不能夠進(jìn)一步起到凝固作用時(shí)，需要做卸壓處理。此時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短則與型腔體積相關(guān)，通常情況下為固定值。沖型壓力加載一般線性，以進(jìn)一步提高輪轂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高成本率。而由于一些鑄件形狀復(fù)雜，實(shí)際鑄造而成的輪轂，質(zhì)量未能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，且成品率也﹤70%。因此，為切實(shí)保證能夠提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量及成品率，還需進(jìn)一步對(duì)保壓過程進(jìn)行分析，在確保電流穩(wěn)定的情況下，強(qiáng)化對(duì)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的分析，完善工藝相關(guān)流程。

2.2 關(guān)鍵材料、鋁合金參數(shù)

鋁合金鑄造最關(guān)鍵的材料即鋁型材，合理地選擇鋁型材，并確定最終的合金配比參數(shù)，能夠在很大程度上保證后續(xù)鑄造質(zhì)量。具體還需要明確鑄造方式，在方式確定基礎(chǔ)上，按照相應(yīng)流程，完成參數(shù)設(shè)計(jì)、型材選擇以及加工鑄造。鑄造主材及輔材配比應(yīng)該科學(xué)，以材料清單的方式將其完全呈現(xiàn)出來，為中和鋁型材的軟性基礎(chǔ)，通常會(huì)選擇硬度高的合金輔材，如鎂(Mg)、銅(Cu)或者鋅(Zn)等，具體還需依據(jù)各金屬材質(zhì)的實(shí)際性能優(yōu)勢(shì)而定。過程中，檢驗(yàn)鋁合金化學(xué)成分、元素形態(tài)等，以合理優(yōu)化合金配比，保證鋁合金輪轂的強(qiáng)度、力學(xué)性能。

2.3 鑄件澆鑄

鑄件澆鑄是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，應(yīng)該明確鑄件尺寸標(biāo)準(zhǔn)、選取正確澆鑄方法。如16寸鋁合金輪轂鑄造過程中，需要依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，以HB963中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)來選擇，零件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照Ⅱ類進(jìn)行，最終的輪轂尺寸驗(yàn)收應(yīng)該以CT12級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。澆鑄方法需依據(jù)各鑄造工藝進(jìn)行合理比較，如重力鑄造、低壓鑄造以及鍛造等技術(shù)對(duì)澆鑄的要求不同，具體還需結(jié)合實(shí)際的工藝選擇而定。

2.4 澆鑄尺寸

鋁合金輪轂的澆鑄尺寸確定非常關(guān)鍵，具體包括確定、加工制作模型尺寸，型腔尺寸、壁厚以及排氣系統(tǒng)等。鋁合金輪轂鑄造模分為上、下以及側(cè)模三部分，通常情況下，上、下模采用熱作模具鋼，側(cè)模則選擇型號(hào)為35CrMo或者是QT400模具鋼。型腔尺寸需要依據(jù)加工余量、冷卻順序確定，型腔上部厚度要合理，上下部增厚偏差應(yīng)小于1毫米。鑄件壁厚是把控冷卻強(qiáng)度的關(guān)鍵，如最后的冷卻部位應(yīng)為中間鑄口部位，該部分為最薄的輪轂邊緣部件，能夠起到良好的冷卻凝固作用。在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，最應(yīng)注意的是排氣槽、排氣塞質(zhì)量，模芯周圍應(yīng)設(shè)置V型的排氣槽，深度約為0.9毫米左右(上下偏差不超過0.1毫米)，間距需控制在5毫米以內(nèi)。模芯組件、分流錐等的設(shè)計(jì)應(yīng)該注重科學(xué)性，排氣槽可增設(shè)0.4毫米，推桿間隙設(shè)置在0.1毫米-0.2毫米之間，以保證能夠合理配合排氣塞工作，保證排氣效果、有序澆鑄[4]。

2.5 加熱處理

在實(shí)際進(jìn)行鋁合金加熱處理時(shí)，需要依據(jù)合金材料特性，對(duì)其變形原因進(jìn)行有效分析，方便采取更加具有針對(duì)性的措施，防止淬火變形問題產(chǎn)生，提高鑄造質(zhì)量。對(duì)加熱處理的工序進(jìn)行有效分析，以保證其科學(xué)性、有效性。首先注意固溶溫度，保證后續(xù)工序的順利開展。其次把控合金成本，對(duì)固溶溫度進(jìn)行有效把控(一般保持在535℃上下)，最大限度保持合金性能，避免高溫引起氧化反應(yīng)。最后，淬火時(shí)間的把控最為關(guān)鍵，一般保持在30秒左右，能夠避免溫度低導(dǎo)致合金縮變問題產(chǎn)生。淬火水溫應(yīng)控制在60℃左右，以保證材料結(jié)構(gòu)、性能，保證合金質(zhì)量。

3 汽車鋁合金輪轂鑄造質(zhì)量控制

汽車鋁合金輪轂鑄造過程中，最重要的是質(zhì)量控制問題，在對(duì)輪轂鑄造的原理、必要性以及輪轂特點(diǎn)、鑄造關(guān)鍵技術(shù)等，進(jìn)行了較為詳細(xì)的了解后，現(xiàn)就鑄造質(zhì)量控制問題，給出以下幾點(diǎn)可行性建議，以確保最終的鋁合金輪轂鑄造質(zhì)量能夠滿足汽車生產(chǎn)質(zhì)量需求，保證汽車制造業(yè)有序發(fā)展。

3.1 工藝質(zhì)量控制

針對(duì)鑄造質(zhì)量的控制，首先從環(huán)節(jié)質(zhì)量控制角度出發(fā)，對(duì)鑄造各環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控問題進(jìn)行明確。如采用低壓鑄造技術(shù)時(shí)，應(yīng)該注意模具的制作過程，對(duì)干燥壓縮空氣的注入及保壓進(jìn)行合理把握，冷卻管道的開啟順序、時(shí)間等都是影響模具質(zhì)量的關(guān)鍵。除此之外，對(duì)于模具具備溫度的控制也極為關(guān)鍵，具體過程需要保證模具溫度穩(wěn)定，以保證輪轂結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部組織緊密。具體可在冷卻通道通入冷卻介質(zhì)，如水、水霧等，控制其流量及開啟、保持時(shí)間。進(jìn)一步驗(yàn)證冷卻效果時(shí)，可以在模具不同位置設(shè)置熱電偶，監(jiān)控溫度變化情況。

若選擇旋壓鑄造工藝，則需要注意旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、擠壓作用的控制。常用的方法有板坯劈開式旋壓、管材輪輞旋壓以及預(yù)鑄件毛坯強(qiáng)力旋壓。具體鑄造過程中，需要對(duì)預(yù)鑄件毛坯做預(yù)加熱處理，提升旋壓效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量。注意旋壓前保證毛坯表面清潔、光滑且無飛邊，或可通過預(yù)車加工保證表面清潔程度。旋壓過程中，需對(duì)輪輞形狀做切片確認(rèn)，保證后道機(jī)加工尺寸。注意保證輪輞質(zhì)量，避免產(chǎn)生較大缺陷，影響最終的成品。

3.2 因素控制

影響鋁合金輪轂質(zhì)量的因素有很多，其中最為關(guān)鍵的是技術(shù)工藝、人員技能、素質(zhì)及鑄造設(shè)備、質(zhì)量控制意識(shí)等。對(duì)于技術(shù)工藝的選擇，應(yīng)該嚴(yán)格按照生產(chǎn)需求及可行性分析結(jié)果確定，以保證工藝選擇合理。而人員技能以及綜合素質(zhì)方面，則需要對(duì)其進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)、合理選拔，并以適當(dāng)?shù)拇鎏嵘糇∪瞬?，在其所具備傳統(tǒng)鑄造技術(shù)應(yīng)用技能的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行“再加工”培訓(xùn)，使其能夠不斷提升自身的技術(shù)應(yīng)用水平，確保技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量。設(shè)備是鑄造技術(shù)的重要構(gòu)成元素，專業(yè)設(shè)備支持下，技術(shù)效能才能得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步更新設(shè)備、技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行集成化管理，以保證為鑄造過程提供保障。整個(gè)過程中以宣傳教育方式，不斷對(duì)人員進(jìn)行質(zhì)量控制宣貫，以提升其質(zhì)量安全保障意識(shí)[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，鋁合金輪轂鑄造過程相對(duì)以往鋼制輪轂，其性能優(yōu)異性非常明顯，無論是在安全穩(wěn)定方面，還是在輕便程度上，都優(yōu)于鋼制輪轂。汽車輪轂鑄造過程，需充分考慮其結(jié)構(gòu)的支撐作用強(qiáng)弱，在力學(xué)分析基礎(chǔ)上，還要對(duì)鑄造材料、鑄造流程以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)等進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，以確保最終的鑄造質(zhì)量能夠滿足汽車行駛、安全穩(wěn)定需求。具體還需從上述內(nèi)容中提到的鑄造原理入手，結(jié)合目標(biāo)需求導(dǎo)向，對(duì)鑄造過程進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，以需求促進(jìn)技術(shù)發(fā)展，以技術(shù)水平提升帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展，使汽車制造業(yè)能夠在技術(shù)不斷推動(dòng)下，向著節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)不斷邁進(jìn)。