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机械制造加工工艺合理化的机械设计制造李三清

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：李三清

[导读] 摘要：车辆轻量化和环保的要求趋势下，未来汽车的车轮向轻量化的方向发展。

        浙江捷盛石化工程有限公司
        摘要：车辆轻量化和环保的要求趋势下，未来汽车的车轮向轻量化的方向发展。为此，本文注重对汽车铝合金车轮的锻造加工研究，探讨先进的铝合金车轮旋转辗锻工艺，更好地提升汽车铝合金车轮产品的生产效率和成形质量。
        关键词：汽车；铝合金；车轮；铸造；加工
        近年来，汽车工业朝着轻量化方向发展，在汽车中使用轻金属材料，成为减轻车身重量的有效措施。铝合金作为结构材料在车轮制造中得到了广泛应用，铝合金车轮与钢制车轮相比具有自身重量轻、传热性能好、散热效率高等优点，同时也能降低汽车制动时产生的热载荷，提高汽车的安全系数。目前铝车轮的生产工艺主要有铸造和锻造两种。
        1、铝合金车轮的常用材料
        目前，铸造铝合金车轮主要有两类：一类是不需要热处理的，选用Al Si11或与之类似的合金；另一类是需要通过热处理提高静态力学性能以增加车轮寿命及塑性的，采用 ZL101A 或 A356.2 合金。锻造铝合金车轮所用材料主要包括 6061、6082、7075等，其中6061为应用最广泛的锻造铝合金。
        2、铝合金车轮的铸造技术
        目前铸造铝合金车轮约占到铝合金车轮产品总量的95%，是最普遍的生产技术。铝合金车轮的铸造工艺主要有4种：重力铸造、低压铸造、反压铸造和挤压铸造。世界上大部分铝合金车轮采用低压铸造生产，是铝合金车轮铸造工艺中的主要技术，低压铸造铝合金车轮占我国铸造铝合金车轮全部产量的80%以上。
        2.1 重力铸造
        重力铸造是最传统的铸造技术，工艺简单，模具寿命长，成本低，能够经济地进行大批量生产。但依靠金属溶液的自重充型，产品的致密性低，容易产生沙眼和孔洞等缺陷，表面性能较差，强度低。现在只有极少数厂家采用该工艺制造铝合金车轮，已经逐渐被其他工艺取代，趋于淘汰。目前只有日本ENKEI （远轻）公司和部分国内厂家采用这种工艺，产量仅占其全部车轮产量的20%。
        2.2 低压铸造
        低压铸造技术已经发展相当成熟，其一般工艺过程是首先装配好金属升液管和铸型，并进行密封然后通入气体，接着将金属液经升液管压入铸型中，结晶后解除压力，使未凝固的金属液回流，最后打开铸型，取出铸件。该工艺成本比传统的重力铸造稍高，能够在压力下进行结晶，得到均匀密度组织，并且具有较好的成形性和表面光洁度。但低压铸造在用于生产壁厚悬殊大、形状复杂、尺寸较大的铝合金车轮时容易产生一些铸造缺陷。
        2.3 反压铸造
        反压铸造也被称作为压差铸造，是在低压铸造基础上发展起来的较为先进的铸造方法，利用压力差将金属充填进模具，能够得到更好的致密性和力学性能，提高材料的利用率，并且可以将气体融入到合金中，进一步提高强度和耐磨性。但其设备过于庞大，操作比较复杂。反压铸造可以分为低反压铸造、中反压铸造和高反压铸造。其中高反压模铸（HCM）可以近乎达到锻造的效果，德国 BBS 公司的 RX/RY 系列的铝合金轮毂就是用高反压模铸法制造的。

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        2.4 挤压铸造
        挤压铸造集铸造和锻造特点于一体，也被称为液态模锻，是将熔融或半熔融状态的金属直接注入模具，形成外部形状，接着施加高压，发生塑性变形和高压凝固，得到最终的制件。该工艺的挤压比能够达到1000MPa以上，得到的制件没有缩孔、缩松等缺陷，工序简单，产品的组织结构和力学强度接近于锻件，具有潜在的应用前景。但是对于结构复杂的产品，挤压铸造难以进行生产，在一定程度上限制了挤压铸造的应用领域。该工艺在国内主要用来生产摩托车的铝合金车轮，日本的UBE （宇部兴产机械株式会社）对低压铸造技术的应用最为成功。路洪洲等提出一种制造半固态铝合金车轮的方法，该方法将“近液相线半连续铸造方法”（near-liquidus semi-continuous casting，LSC）和半固态挤压铸造相结合，首先通过 LSC 制造出 6063 铝合金半固体坯料，该坯料具有近球状、非枝晶且晶粒细小的显微组织结构，然后半固态铝合金坯料二次重熔后进行挤压铸造，该方法对半固态铝合金车轮的制造有一定的指导作用。
        3、铝合金车轮成形技术分析
        汽车车轮的安全性要求极高，铝合金车轮以其自身的优势得到了广泛的使用，其成形技术主要包括以下几种：
        3.1、低压铸造法。这是介于高压铸造和重力铸造之间的一种浇注工艺，它是在压力的作用条件下，将液态金属高速充填于型腔之内，并使之快速凝固而形成一定形状的铸件。这种生产方法可以人工调节和控制工艺参数，能够在金属液结晶和凝固的过程中快速补缩，具有铸件组织致密，机械性能和力学性能良好，尺寸精准等特点，适用于壁厚、大小、高度、结构不同的铸件。然而其缺陷在于：轮辐与轮辋交接处的壁厚较厚，难以得到金属液的补缩而造成缺陷。
        3.2、液态模锻法。它利用金属铸造凝固成形时易流动的特点，消除金属液凝固收缩过程中生成的缩孔等缺陷，是一种新兴的金属成形工艺，基本满足车轮使用要求，然而其质量不如锻造铝合金车轮的质量，它会受到工件形状、合金成分、应力等因素的影响，出现沿晶断裂等缺陷。
        3.3、锻造法。它是对铸造的盘状或棒状坯料进行塑性变形，可以闭合铝合金材料的内部孔隙，增强铝材料的致密度，提升锻件的力学性能。具体来说，锻造铝合金车轮的生产工艺流程为：下料——预锻——终锻——切边扩孔——旋压——热处理——机加——抛光电镀。在上述生产工艺流程之中，预锻和终锻归属于制坯工序。相较而言，锻造铝合金车轮比铸造铝合金车轮具有更轻的质量、更高的强度和环保性能。
        4 铝合金车轮的发展趋势
        从认识到铝合金在汽车行业的发展性，并进行大力使用的过程中，我国的汽车行业也在不断地壮大和前进。随着汽车行业的日益发展，来自国内和国外的竞争必然也会越来越强烈。在面对技术上的困难，制造商必须开发一个高性能的、成本低的、有利于大规模生产的技术，提高我国铝合金轮毂的市场竞争力从产量和品质；相同的外观，不同的需求，人们不断地寻求对美的追求，通过合理的设计，高度的个性外观，颜色丰富多彩的需求也逐渐成为了发展趋势。铝合金轮毂的未来发展趋势是根据对环境和使用性能要求，选择合适的工艺，减轻车轮重量，缩短生产流程，进一步降低成本，提高机械性能，充分利用数值模拟技术来缩短开发周期，锻造旋压工艺将成为高性能铝合金车轮制造的首选。
        5.总结
        综上所述，汽车铝合金车轮采用锻造技术和方法，可以较好地减轻汽车的自重，利用铝合金材料在高温压缩时的稳态流变特性，依照旋转辗锻工艺的工作原理和流程，使铝合金车轮零件连续局部成形，较好地实现了大型锻件的小吨位精密加工，简化了生产加工流程，极大地提升了汽车铝合金车轮锻件的成形质量和效率，为我国汽车零部件企业带来了广阔的市场提升空间。