1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y 課 程 設 計 論 文 汽車鋁合金輪轂的制備工藝學院名稱： 材料科學與工程學院 專業班級： 復合材料與工程0802 姓名、學號 指導教師： 二一一年十二月目 錄一、緒論2二、鋁合金輪轂的優勢32.1、重量輕，節能降耗32.2、振動小，駕乘更舒適32.3、散熱性好32.4、尺寸精度高, 整車行駛性能好32.5、美觀漂亮3三、汽車鋁合金輪轂的設計要求33.1、汽車鋁合金輪轂結構設計要求33.2、汽車鋁合金輪轂的性能要求43.3、汽車鋁合金輪轂的成形方法43.3.1、鑄造法43.3.2、鍛造法43.3.3、半固態模鍛法53.3.4、

2、旋壓法5四、汽車鋁合金輪轂生產工藝流程54.1、汽車鋁合金輪轂的設計開發流程54.2、汽車鋁合金輪轂的生產工藝流程7五、鋁合金輪轂的制造技術85.1、普通鋁合金輪轂的生產工藝85.2、鍛造鋁合金輪轂的生產工藝85.3、鑄造和熱處理85.4、機加工85.5、打磨拋光95.6、涂裝95.7、檢驗與包裝9六、汽車鋁合金輪轂的各種制備工藝96.1、鑄造法96.1.1、金屬型重力鑄造法96.1.2、金屬型低壓鑄造法96.1.3、壓力鑄造法106.1.4、擠壓鑄造法106.1.5、鍛造法106.1.5.1、常規鍛造法106.1.5.2、鑄造鍛造法116.1.5.3、半固態模鍛法116.2、鍛造法116.3

3、、汽車鋁合金輪轂旋壓法126.3.1、鋁合金輪轂冷旋工藝126.3.2、鋁合金輪轂熱旋工藝13七、鋁合金車輪發展與前景137.1國際鋁合金車輪發展現狀137.1.1、汽車車輪的全球占有量137.1.2、國際鋁合金車輪的企業競爭態勢147.2、國內鋁合金車輪現狀147.2.1、國內鋁合金車輪市場占有量147.2.2、國內鋁合金車輪企業競爭態勢147.3鋁合金車輪發展趨勢15八、結束語15九、參考文獻15摘要：鋁汽車輪轂與鋼汽車輪轂相比有許多優越性，雖然應用歷史不久，但發展速度很快，前景廣闊。本文詳細介紹鋁合金輪轂的優點、合金品種、構造、性能與質量要求、市場占有份額及本公司的鋁合金輪轂生產工藝。關

4、鍵詞：鋁合金輪轂、制造工藝、發展前景一、緒論隨著汽車行業的迅猛發展，現代汽車節能降耗要求的不斷高漲，安全和環保法規日趨嚴格，汽車輕量化的要求更為迫切。由于鋁合金車輪的廣泛使用，其美觀、大氣、多變的外形設計也為汽車增色不少。目前，中國汽車市場上，轎車鋁合金車輪使用率至少已達到轎車市場總量的70%以上。而據有關方面統計，2003年這一比例為50%左右。鋁合金質量輕、強度高、成形性好、價格適中、回收率高，對降低汽車自重、減少油耗、減輕環境污染與改善操作性能等有著重大意義，已成為汽車工業的首選材料。輕合金輪轂在汽車輕量化進程中扮演了越來越重要的角色, 特別是鋁合金輪轂以其美觀、質輕、節能、散熱快、耐腐

5、蝕、加工性好等特點,正逐步取代鋼質輪轂而成為最佳選擇。目前鋁合金輪轂的成形方法主要有鑄造法、鍛造法和旋壓法等, 本文對鋁合金輪轂各種成形工藝的研究和應用情況進行綜述, 從拷慮輪轂質量和制造成本等問題的角度, 著重探討了各種鋁合金輪成形工藝。二、鋁合金輪轂的優勢 汽車鋁合金化是解決世界汽車工業面臨的能源、環境、安全等問題的有效措施, 而輪轂的鋁合金化則是汽車鋁合金化應用中的重要方面。使用鋁合金輪轂代替傳統的鋼制輪轂有以下優點：2.1、重量輕，節能降耗鋁輪轂與鋼輪轂相比，重量可減輕30%40%；在車速為90120km/h時，油耗可堿少0.0138L/10Okm。以奧迪轎車為例，鋁輪轂重量減輕39.

6、5%；在90120km/h車速時，油耗可減少0.05L/10Okm。而在城市行駛時，可減少油耗0.04/10Okm，每十萬公里節油4050L。2.2、振動小，駕乘更舒適使用鋁輪轂能改善轎車的行駛性能，減輕振動。這是因為鋁的減振性能優于鋼，而且鋁車輪采用數控設備加工，平衡性能優于鋼。鋼車輪采用熱軋鋼帶或冷軋鋼帶旋壓焊接而成，平衡性能差，特別是高速性能不好，鋁輪轂很好地解決了這一問題。根據研究，鋁車輪比鋼車輪的振動程度減輕12%。奧迪轎車采用鋁車輪后，由于重量輕，從起步到100km/h速度的加速時間減少了0.3秒。2.3、散熱性好車輪的熱源由兩部分產生，一是剎車產生的熱；二是車胎與路面的摩擦。特別

7、是高速行駛的情況下，車輪溫度很高，增加爆胎的危險性。由于鋁的導熱性大大優于鋼，而且輪轂表面的設計有利于散熱，因此使用鋁輪轂可減少積熱，減少爆胎的機會，提高安全性。2.4、尺寸精度高, 整車行駛性能好通常情況下, 傳統鋼制輪轂的徑向和軸向允許跳動值為1mm, 普通鋁合金輪轂的控制范圍在0.5mm以內, 高檔鋁合金輪毅為0.3mm以內, 輪轂的高精度有利于提高車輛起動和變速的靈敏度。2.5、美觀漂亮 輪轂的美觀程度對于汽車整車的形象有著很大的影響。現今的汽車輪轂設計是汽車造型設計中一個不可遺漏的重點，并且輪轂造型直接關系著汽車車身設計的品味和檔次。因此，如何進行輪轂的造型設計，如何設計出有風格特色

8、和審美情趣的輪轂成為輪轂制造廠和設計者們關心的問題。鋁合金輪轂的生產工藝與鋼輪轂不同, 其外觀設計精美，造型多樣化，可以做到車轂合一，盡顯完美，提高整車的審美觀，而且還可以設計加工成各種花紋結構，通過表面處理形成不同的色澤或通過電鍍形成鍍層，最大限度地滿足各類使用者的審美要求。三、汽車鋁合金輪轂的設計要求為了滿足使用功能和市場的需求, 鋁合金輪轂在結構上有整體式和多件組合式等多種結構設計；在外觀造型上有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等多種造型設計。出于安全的原因, 在鋁合金輪轂的外觀造型和結構設計時必須要以滿足安全和使用功能的要求為前提。對于普通乘用車而言, 整體式鋁合金輪轂足以滿足其性能要求

9、。3.1、汽車鋁合金輪轂結構設計要求與輪胎的胎圈接觸, 支撐維持輪胎半徑方向的輪輞部分。 汽車輪轂的結構如下表所示：汽車輪轂與車體連接部分偏 距輪 輻與車胎連接部分槽 底氣門孔輪 緣胎圈座保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。安裝輪胎氣門嘴的孔。為方便輪胎裝拆, 在輪輞上留有一定深度和寬度的凹坑。輪輞中心面到輪輻安裝面的距離。有正偏距、零偏距、負偏距。 之分與車軸車輪實施安裝連接,支撐輪輞的車輪部分3.2、汽車鋁合金輪轂的性能要求鋁合金輪轂的種類、結構較多, 其要求因車種,車型而異, 但強度與精度兼備是最基本的共同要求。通過市場調研得知, 車輪轂應具備以下性能:1) 材質、形狀和尺寸正確合理, 能充分

10、發揮輪胎的功能, 與輪胎互換, 具有國際通用性；2) 行駛時, 縱、橫向振擺小, 失衡量與慣性矩小；3) 在輕量化的前提下, 具有足夠的強度、剛度和動態穩定性；4) 與軸、輪胎的可分離性好；5) 具有優良的耐久性；6) 其制造工藝能達到產品質量穩定、成本低、多品種、可大規模生產等要求。3.3、汽車鋁合金輪轂的成形方法目前鋁合金輪轂的生產方法主要有鑄造法、鍛造法、沖壓法和旋壓法等。我國的鋁合金輪轂制造仍以低壓鑄造為主, 一些先進的制造工藝還未采用。但鋁合金輪轂的制造技術在不斷的發展, 為了提高其性能, 現在向擠壓鑄造(液態模鍛) 成形、半固態模鍛成形方向發展的趨勢。3.3.1、鑄造法鑄造法生產鋁

11、合金輪轂具有適應性強、花色品種多樣、生產成本較低等優點, 所以鑄造法仍是生產鋁合金輪轂最普遍的方法, 在目前全世界生產的鋁合金輪轂中, 鑄造的占80%以上。其工藝方法有重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造和擠壓鑄造等。3.3.2、鍛造法鍛造是鋁輪轂應用較早的成形工藝之一, 具有強度高、抗蝕性好、尺寸精確、加工量小等優點，一般情況其重量僅相當于同尺寸鋼輪的1/2或更低一些。鍛造鋁輪轂的晶粒流向與受力的方向一致, 其強度、韌性與疲勞強度均顯著優于鑄造鋁輪轂。同時, 性能具有很好地再現性, 幾乎每個輪轂具有同樣的力學性能。鍛造鋁輪轂的典型伸長率為12%17%，因而能很好地吸收道路的震動和應力。通常鑄造輪轂具

12、有相當強的承受壓縮力的能力, 但承受沖擊、剪切與拉伸載荷的能力則遠不如鍛造鋁輪轂,鍛造輪轂具有更高的強度重量比。另外, 鍛造鋁輪轂表面無氣孔, 因而具有很好的表面處理能力, 不但能保證涂層均勻一致, 結合牢靠, 而且色彩也好。鍛造鋁輪轂的最大缺點是生產工序多, 生產成本比鑄造的高得多。3.3.3、半固態模鍛法半固態模鍛是鍛造的一種, 介于固態成形和液態成形之間的嶄新工藝。零件在模內收縮較小, 機械加工量減少, 半固態模鍛件表面平整光滑、內部組織致密, 晶粒細小, 力學性能高于壓鑄和擠壓鑄造件, 成形不易裹氣, 宏觀氣孔和顯微疏松比常規鑄件中的少得多, 成形溫度低, 模具壽命長等許多獨特的優點。

13、在國外主要應用在汽車鋁合金零件制造方面, 被稱為21 世紀新一代新興的金屬成形技術。國內對這種技術的研究起步較晚, 實際應用得很少。3.3.4、旋壓法旋壓成形的輪轂可以保持金屬的致密度和整個輪轂的動平衡, 輪轂在具有足夠剛度的同時, 能大大減少材料的厚度, 使輪轂變得更輕、更耐用。與普通低壓鑄造的鋁合金輪轂相比, 同尺寸的輪轂重量可減少15%。輪轂旋壓的主要變形方式有普通旋壓和強力旋壓( 變薄旋壓) , 輪轂旋壓的主要生產方法有管材輪輞旋壓、板坯劈開式旋壓和預鑄( 鍛) 件毛坯強力旋壓等。目前采用低壓鑄造技術生產的輪轂產品無法滿足大尺寸、高負荷以及高端產品市場的需求, 采用鍛造技術生產的輪轂成

14、本較高。鋁合金輪轂旋壓成形具有不受尺寸制約、產品美觀、性能良好、安全性高、節省材料等優點, 是新穎的成形技術并且發展勢頭良好。四、汽車鋁合金輪轂生產工藝流程4.1、汽車鋁合金輪轂的設計開發流程 隨著家用轎車品種的增加和價格的下調, 汽車正在成為當今中國老百姓消費的熱點產品。對汽車的要求也開始從實用和認知向汽車的審美功能過渡。人們不僅要求汽車的性能優良, 駕駛操作方便,還要求汽車外觀符合自己的審美品位和身份定位。然而, 輪轂的美觀程度對于汽車整車的形象有著很大的影響, 如果企業沒有自己設計開發輪轂的能力,是很難在市場上長久立足的。因此輪轂的設計開發是企業發展的關鍵所在, 汽車鋁輪轂進行設計開發的

15、主要方法和流程如下圖所示。4.2、汽車鋁合金輪轂的生產工藝流程由于低壓鑄造是最基本和較經濟的生產方法,所以目前低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產的首選,日本的豐田汽車公司、東京輕合金制作所和美國福特汽車公司等企業均采用此工藝生產鋁合金輪轂,國內的鋁合金輪轂制造企業也多數采用此生產工藝。通過分析獲得高質量的汽車鋁合金輪轂的生產過程, 選用合理的生產工藝。如下圖所示。五、鋁合金輪轂的制造技術5.1、普通鋁合金輪轂的生產工藝普通鋁合金輪轂主要的生產和檢驗工藝流程是: 配料鋁合金熔煉鋁液AlSr 變質+AlTiB 細化處理光譜鋁液成分分析鋁液Ar2 氣精煉除氣鋁液熱分析+密度分析低壓鑄造毛坯毛坯X 射線探傷

16、淬火+時效連續式熱處理( 材料金相及力學性能分析抽查) 鉆孔車加工立式動平衡檢驗( 徑向跳動及三坐標尺寸檢驗抽查) 清洗氦氣氣密性檢驗打磨拋光前處理烘干噴涂底粉加熱固化噴涂水性漆加熱固化噴涂透明粉加熱固化( 尺寸、鹽霧、耐候、碎石、漆膜厚度、十字劃格、力學性能、沖擊、彎曲疲勞、徑向疲勞等試驗抽查) 最終檢驗包裝入庫。5.2、鍛造鋁合金輪轂的生產工藝鍛造鋁合金輪轂主要的生產工藝流程是: 下料( 材料金相及力學性能分析抽查) 鍛坯加熱預鍛成形鍛熱處理( 材料金相及力學性能分析抽查) 粗加工旋壓成形鉆孔車加工立式動平衡檢驗( 徑向跳動及三坐標尺寸檢驗抽查) 清洗氦氣氣密性檢驗打磨拋光前處理 烘干 噴

17、涂底粉 加熱固化 噴涂水性漆加熱固化噴涂透明粉加熱固化( 尺寸、鹽霧、耐候、碎石、漆膜厚度、十字劃格、力學性能、沖擊、彎曲疲勞、徑向疲勞等試驗抽查)最終檢驗包裝入庫。5.3、鑄造和熱處理低壓鑄造是一項要求極高的生產工藝技術,它是在密閉的狀態下用大約0.1MPa 的壓力把金屬液壓進模具, 這樣有利于保持恒溫和排除雜質,保證鑄件內沒有氣孔且金屬密度均勻、強度高,從而有效地克服了陳舊的重力鑄造輪轂方法所造成的鑄造缺陷。在鑄造過程中, 采用多種嚴格的鋁合金配方(AlSi7Mg、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg等) 、嚴格控制微量元素及雜質的含量(Fe0.15%) 、采用Al - 10S

18、r 變質、采用Al - 5Ti - 1B 細化處理、Ar2 氣精煉除氣處理工藝, 每一爐合金液都要在經過溫度、光譜分析、熱分析、密度當量分析等項驗證合格后方可投入使用, 從而確保了材料及力學性能的一致性; 設計獨特的“斜插式”低壓鑄造模具, 通過帶有模具溫度控制的全自動鑄造設備的精密冷卻控制, 確保高效率地鑄造出尺寸精確高品質的鑄件, 并且輪轂的表面光滑細膩；隨后的連續式熱處理過程( 淬火+時效)，確保能夠生產制造出高品質的毛坯；鑄件要100%經過X 射線探傷檢測, 合格的毛坯作為下一步深加工的坯件備用。為了減輕工人的勞動強度, 毛坯均采用自動傳輸系統輸送。5.4、機加工機加工采用先進的CNC

19、 全自動加工生產單元加工輪轂, 生產線自動上下工件, 采用自動傳輸系統向各個生產工位輸送工件, 加工過程是“干切”。加工時采用獨特的螺栓孔定位夾緊系統和先鉆后車的生產工藝順序, 車床一次裝夾即可完成輪轂內外部的加工, 車床主軸轉速達3000rpm, 這不但提高了生產效率, 而且還提高了中心孔的精度、螺栓孔的位置精度, 確保了輪轂的同軸度精度和動平衡性能這兩項行駛動力學中最重要的性能。“干切”技術是環保型的干式機加工技術, “干切”這種干式機加工技術避免了過去機加工時切削液的回收處理系統和廢液排放問題, 也避免了切削液對機床的腐蝕, 確保了對環境的保護, 使得鋁屑的熔化回收更加簡潔方便、回收率高

20、, 降低了制造成本。當然,“干切”這種干式機加工方式對刀具的要求比較高,為了避免刀具積屑, 刀具要采用壓縮空氣冷卻。為了增加輪轂外觀的精致感, 有些產品使用金剛石刀具精加工輪轂的正外表面( 輪輻表面) , 可使輪轂具有獨特而明亮的金屬表面的光澤, 產品外觀表現的更加精致高雅。5.5、打磨拋光為了確保輪轂的外觀質量, 每一個加工過的輪轂都要在去毛刺機上經過打磨后, 再由工人進行精心的打磨拋光, 將工件的鑄造表面打磨拋光的光滑平整, 有的產品還要經過獨特的“球體拋光”, 以確保輪轂外在質量與內在質量更加完美的結合和統一, 體現出產品的精致。5.6、涂裝輪轂是在先進和環保的涂裝自動生產線采用高級靜電

21、噴槍和高速(20000rpm 以上)旋杯噴槍進行噴涂, 涂層厚度均勻、色彩光澤均勻,不但噴涂質量好, 而且節省涂料。涂料采用汽車廠認可的環保型粉質和水性涂料。輪轂在噴涂之前先進行前處理, 使之形成一層化學轉化膜, 這樣可以提高涂料的附著性能, 前處理是采用環保型的無鉻化處理。涂層的噴涂順序是: 噴底粉- - 噴水性漆- - 噴透明粉, 每噴一層涂層都要進行一次加熱固化處理, 并進行相關的性能試驗。少量也有噴兩層或一層的, 但效果稍差一些。5.7、檢驗與包裝 成品進行最終檢測，主要是gt測輪轂的表面質量是否符合客戶要求，各種附件是否齊全等。其后對成品進行包裝，對OEM用戶采用木托架的大包裝，而對

22、最終零售用戶單只紙箱包裝。六、 汽車鋁合金輪轂的各種制備工藝6.1、鑄造法鋁合金輪轂的鑄造法成形具有適應性強、品種多樣、生產成本較低的優點, 已經成為生產鋁合金輪轂最普遍的方法, 在全世界的鋁合金輪轂中,采用鑄造法生產的占80%以上.6.1.1、金屬型重力鑄造法常壓下, 液體金屬靠重力作用充填金屬鑄型而獲得鑄件的一種鑄造方法, 也是一種古老的鑄造方法。由于金屬液在金屬鑄型中冷卻速度較快, 因而鑄件比砂型鑄造的組織致密, 該法工序簡單, 設備投資少, 生產成本較低, 適用于中小規模生產。但此方法生產的鋁輪轂內部質量較差, 縮孔縮松嚴重, 澆注過程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件,有時也會卷入氣體

23、而形成氣孔缺陷, 同時金屬液的收得率也較低。國外鋁輪轂生產此工藝已趨于淘汰, 但國內有一些廠家仍在采用此工藝。6.1.2、金屬型低壓鑄造法低壓鑄造是用干燥、潔凈的壓縮空氣將保溫爐中的鋁液自下而上通過升液管和澆注系統平穩地上壓到鑄造機模具型腔中, 保持一定壓力(一般為20 60 kPa)直到鑄件凝固后釋放壓力。因在壓力下充型和凝固, 所以充填性好, 鑄件縮松少,致密性高。該法中, 坩堝表面的氧化膜不會被破壞, 與其它鑄造方法比較, 氣孔和夾渣缺陷少, 產品內部質量好。由于低壓鑄造利用壓力充型和補充, 大大簡化了澆冒系統的結構, 使金屬液收得率大大提高, 一般可達90%, 而金屬型重力鑄造僅40%

24、60%。目前低壓鑄造已成為鋁輪轂生產的首選工藝, 日本的豐田汽車公司、東京輕合金制作所、美國福特汽車公司的W iru廠和Amcast工業有限公司的WW heelTek分公司等均采用此工藝生產鋁輪轂, 國內的鋁合金輪轂制造企業多數也采用此工藝生產, 現有數十家企業用低壓鑄造工藝生產鋁合金汽車及摩托車輪轂。低壓鑄造法的缺點是鑄造時間較長, 加鋁料、更換模具費時間, 設備投資大, 低壓鑄造機使用的升液管成本較高且易損壞。但是較采用其它鑄造方法生產的同類產品重量減少了15%, 機加工切削量由原來的23mm減少到0.75mm,輪轂價格降低了10%。6.1.3、壓力鑄造法壓力鑄造使液態金屬在高壓作用下以極

25、高的速度充填型腔, 并在壓力作用下凝固而獲得鑄件。該工藝生產的鑄件組織致密, 力學性能好,強度和表面硬度較高, 鑄件的尺寸精確、表面光潔。但傳統壓鑄工藝生產的鋁輪轂最大的缺點是不能通過熱處理來進一步提高性能, 由于液體金屬充型速度極快,型腔中氣體很難完全排除, 常以氣孔形式存留鑄件中,這些鑄件孔隙中氣體在熱處理過程中會發生膨脹, 使得鑄件“起泡”。為使壓鑄件也能適用于汽車保安件, 近年來出現無氣孔壓鑄新工藝, 最有代表的是充氧壓鑄法。充氧壓鑄法是使壓室和壓型型腔內的金屬液相間的空間充氧置換, 并在高速高壓下進行壓鑄, 當液體金屬充填時, 一方面排氣槽排出氧氣, 另一方面噴散的鋁液與未排出的氧氣

26、發生反應, 形成氧化鋁小微粒, 這種A l2O3質點顆粒細小, 約在1m以下, 其質量占鑄件總質量的0.1%0.2%,不影響力學性能和加工性能, 并分散在鑄件內部, 使鑄件內不產生氣孔。用充氧壓鑄法生產的鑄件, 可進行固溶處理和焊接。與傳統壓鑄法相比, 充氧壓鑄具有以下特點:消除或減少了壓鑄件內部氣孔, 提高了鑄件致密度；充氧壓鑄件比普通壓鑄件鑄態強度可提高10%,伸長率增加30%50%。并可對充氧壓鑄件進行熱處理進一步提高力學性能, 熱處理后強度能提高30% 以上,伸長率增加80%100%,屈服極限及沖擊韌性也有顯著提高；充氧壓鑄件可在200300的環境中工作；充氧壓鑄對合金成分燒損甚微；充

27、氧壓鑄需附加充氧控制裝置,給壓鑄型充氧不但消耗氧氣, 也會增加壓鑄循環時間, 這將使充氧壓鑄件比普通壓鑄件的成本要高10%15%。但對質量要求較高的鑄件,采用充氧壓鑄后降低了鑄件廢品率和減少了質量控制費用, 綜合起來考慮, 成本反而可以降低。6.1.4、擠壓鑄造法擠壓鑄造也稱為液態模鍛, 是一種集鑄造和鍛造特點于一體的新工藝, 該工藝是將一定量的金屬液體直接澆入敞開的金屬型內, 通過沖頭以一定的壓力作用于液體金屬上, 使之充填、成形和結晶凝固, 并在結晶過程中產生一定量的塑性變形。擠壓鑄造充型平穩, 沒有湍流和不包卷氣體, 金屬直接在壓力下結晶凝固, 所以鑄件不會產生氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷

28、, 且組織致密、晶粒細化, 力學性能比低壓鑄造件高產品既有接近鍛件的優良力學性能, 又有精鑄件一次精密成形的高效率、高精度, 且投資大大低于低壓鑄造法。擠壓鑄造特別適合于生產汽車工業中的安全性零件, 汽車鋁輪轂是一種要求較高的保安件, 金屬型重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造工藝生產的產品雖能滿足使用要求, 但整體質量比擠壓鑄造鋁輪轂相差一個檔次。6.1.5、鍛造法 分常規鍛造法、鑄造鍛造法和半固態模鍛法。6.1.5.1、常規鍛造法 鍛造是鋁輪轂應用較早的成形工藝之一。鍛造鋁輪轂具有強度高、抗蝕性好、尺寸精確、加工量小等優點, 一般情況其重量僅相當于同尺寸鋼輪的1 /2或更低。鍛造鋁輪轂的晶粒流向與

29、受力的方向一致, 其強度、韌性與疲勞強度均顯著優于鑄造鋁輪轂。同時, 性能具有很好地再現性, 幾乎每個輪轂具有同樣的力學性能。鍛造鋁輪轂的典型伸長率為12%17%,因而能很好的吸收道路的震動和應力。通常鑄造輪轂具有相當強的承受壓縮力的能力, 但承受沖擊、剪切與拉伸載荷的能力則遠不如鍛造鋁輪轂。鍛造輪轂具有更高的強度重量比。另外, 鍛造鋁輪轂表面無氣孔, 因而具有很好的表面處理能力, 不但能保證涂層均勻一致, 結合牢靠, 而且色彩也好。鍛造鋁輪轂的最大缺點是生產工序多, 生產成本比鑄造的高得多。6.1.5.2、鑄造鍛造法 該法是將鑄造件作為鍛造工序的坯料使用, 對其進行塑性加工形變, 由于將鍛造

30、作為零件最終成形的程序, 因此可以消除鑄造缺陷, 改善制品的組織結構, 使產品的力學性能比鑄件大大提高, 同時又充分發揮鑄造工藝在成形復雜方面的優勢, 使形狀復雜的產品鍛造工序減少, 材料利用率大大提高, 生產成本降低。該技術生產鋁輪轂, 其性能完全可以達到鍛件的力學性能指標, 生產成本卻可以比普通鍛造件下降30% 。目前, 該工藝自1996年9月成功地應用到批量生產中以來, 已被多家日本公司采用經濟效果良好。國內在鑄造鍛造成形工藝方面雖有一些研究和應用, 但還未見應用到鋁輪轂的生產中。6.1.5.3、半固態模鍛法 20世紀70年代初美國麻省理工學院M. C. Flem ings教授等開發出的

31、一種新型的金屬加工工藝 半固態金屬成形工藝。由于金屬凝固過程中, 固相率達到20% 左右時, 枝晶就形成連續網絡骨架, 失去宏觀流動性, 在此過程中施以強烈攪拌, 可使常規凝固時易于形成的樹枝晶網絡骨架被打碎而成為分散的顆粒懸浮在剩余液相中, 這種經攪動制備的合金一般稱為非枝晶半固態坯料, 這種半固態坯料在固相率達到50% 60%時仍具有很好的流動性, 可以采用常規的成形工藝如壓鑄、模鍛、擠壓等實現金屬的成形。所謂半固態模鍛, 就是將半固態坯料加熱到有50%左右體積液相的半固態狀態后一次模鍛成形, 獲得所需的接近尺寸成品零件的工藝, 這是一種介于固態成形和液態成形之間的嶄新工藝。 半固態模鍛具

32、有許多獨特的優點: 零件在模內收縮較小, 易于近終化成形, 機械加工量減少, 半固態模鍛件表面平整光滑、內部組織致密, 晶粒細小, 力學性能高于壓鑄和擠壓鑄造件; 成形不易裹氣, 宏觀氣孔和顯微疏松比常規鑄件中的少得多; 成形溫度低, 模具壽命長。近10年來, 半固態成形技術在國外獲得了廣泛的應用,已逐步成為各先進工業國家競相發展的一個新領域, 被專家學者稱為21世紀新一代新興的金屬成形技術。預計在相當長的一段時期內, 半固態成形的主要市場是汽車工業, 應用最成功和最廣泛的是汽車鋁合金零件。美國已建成數家鋁合金半固態模鍛工廠。國內對這種技術的研究起步較晚, 實際應用得很少。以上對輪轂的制造方法

33、作了具體介紹, 總體來看,原有的基礎上進行技術創新和發展新的加工成型技術是必然趨勢。 壓力鑄造雖然效率高, 成本低, 但鑄件不宜進行熱處理, 采用真空壓鑄工藝生產的輪轂具有一定的競爭力；金屬型鑄造法工藝最成熟, 具有良好的力學性能,但加工余量大, 澆注時容易產生疏松和裂紋缺陷等, 應用最為廣泛; 低壓鑄造法鑄件合格率高, 但鑄機和模具造價較高, 且設計麻煩, 具有一定市場, 適合大尺寸輪轂；擠壓鑄造法鑄件力學性能好, 但擠壓機較大, 模具較為復雜和貴重, 制造和維修費用較高, 擁有一定的市場；鍛造法輪轂輕量化, 具有良好的綜合性能, 制造成本較高, 但是, 從長遠來看, 是一種經濟的輪轂, 發

34、展空間很大。6.2、鍛造法 鍛造法是應用較早的鋁合金輪轂成形工藝之一。鍛造鋁合金輪轂的強度、韌性以及疲勞強度均顯著優于鑄造鋁合金輪轂, 并且還具有抗腐蝕性好、尺寸精確、加工量小、性能再現性強等優點. 但是鍛造鋁合金輪轂的生產工序繁復, 并且生產成本比鑄造要高得多 .鍛造鋁輪轂是使用8000t 鍛壓設備來制造的。鍛造工藝過程是將經過高溫預熱的圓柱型合金原料坯件( 250mm、長度以產品而定) , 在鍛壓設備上經過預鍛、成形鍛, 直接將坯件壓制成輪轂毛坯形狀, 與非鍛造工藝生產的普通低壓鑄造鋁輪轂相比, 該工藝提高了材料的致密度、細化了晶粒, 可使輪轂的強度提高3 倍, 同尺寸的輪轂重量可減輕20

35、%以上。該技術還可以與旋壓技術并用, 主要用于賽車、跑車、越野車、大型客車、載重車等輪轂的生產。材料主要采用6000 系列變形鋁合金棒料, 鍛坯的生產過程為: 下料鍛坯加熱預鍛成形鍛熱處理。鍛造鋁合金輪轂近幾年發展比較迅速, 目前鍛造鋁合金輪轂產量的75% 左右是美國鋁業公司生產的, 2004 年, 中國第一條鍛造鋁合金汽車輪轂生產線在戴卡輪轂制造有限公司投產使用, 成為世界上技術最先進的鍛造鋁合金輪轂生產線。6.3、汽車鋁合金輪轂旋壓法 旋壓工藝技術是在特定的溫度和壓力下, 通過持續的旋轉運動和擠壓作用, 將輪轂的輪輞部位的結構不斷地在滾動過程中延展。該工藝保持了金屬的致密程度和整個輪轂的動

36、平衡, 使輪輞變的更薄更輕更耐用。旋壓出的輪轂在保持足夠強度的同時, 能大大減少材料的厚度, 與普通低壓鑄造鋁輪轂相比, 同尺寸的輪轂重量可減輕約15%。這項技術主要用于賽車、跑車、越野車等輪轂的生產, 與鍛造技術并用主要用于賽車、跑車、越野車、大型客車、載重車等輪轂的生產, 也可對鑄造毛坯采用旋壓工藝進行后加工。6.3.1、鋁合金輪轂冷旋工藝 輪轂的旋壓技術起初一直局限于普通旋壓這種變形方式. 普通旋壓僅適合加工塑性較好和較薄的材料, 尺寸準確度不易控制, 對操作者的技術水平要求較高, 而且變形過程復雜, 理論研究的發展滯后. 20世紀中葉, 旋壓技術由普通旋壓發展到強力旋壓, 并迅速擴大了

37、應用范圍 . 與普通旋壓相比, 強力旋壓時坯料的凸緣部分不產生收縮變形, 因而不會產生起皺現象. 輪轂的強力旋壓成形是在普通筒形件強力旋壓工藝的基礎上發展起來的, 采用強力旋壓制造汽車輪轂的輪輞部分,其輪輞的各項性能指標大幅提高, 從而可以減少輪轂材料用量, 實現產品輕量化. 隨著金屬塑性成形技術的發展和完善, 旋壓在汽車輪轂的加工生產中得到日益廣泛的應用. 國外17 英寸( 43.18cm) 以下轎車的鋁合金輪轂以鍛坯或鑄坯經旋壓成形已經成為主流生產模式. 與世界發達國家相比, 我國在這方面的研究相對滯后.近年來我國對于鋁合金輪轂的旋壓成型工藝取得了一定的研究進展，科研工作者通過對鋁合金輪轂

38、強力旋壓過程中旋輪形狀、旋輪進給率、壁厚減薄率、多旋輪之間的錯距等工藝參數對成形效果的影響進行了研究, 對表面失穩、旋裂等缺陷的成因進行了分析, 為鋁合金輪轂強力旋壓的工藝參數優化提供了有效的方法和依據。通過對6061鋁合金旋壓變形性能的分析, 論述了對稱式碟形輪轂在PT30501CNC 雙輪臥式強力旋壓機上進行旋制的工藝實施過程及效果, 通過選取合理的工藝參數, 解決了旋壓過程中出現的堆積、起皮和破裂等缺陷。通過對A356 鋁合金輪轂輪輞部位存在的一些細小彌散分布的孔洞進行掃描電鏡分析, 發現了這些缺陷是凝固過程中形成的縮松,在系統地分析該種縮松形成機理的基礎上給出了預防措施。采用剛塑性有限

39、元軟件DEFORM- 3D 對鋁合金輪轂的旋壓成形過程進行數值模擬, 考察了不同的減薄率、進給率和主軸轉速等主要工藝參數對成形過程的影響規律, 分析得出一組比較合理的工藝參數, 并且通過旋壓試驗驗證了分析結果, 為旋壓鋁合金輪轂的實際生產提供了理論指導。建立了汽車輪轂旋壓的變形力學模型, 采用DEFORM- 3D 軟件對輪轂旋壓的整個成形過程進行有限元數值模擬, 得到了各道次下的應力應變分布效果圖及相應的曲線圖, 進而分析了變形區的應力應變分布規律, 為有效地進行工藝研究、優化工藝參數提供了方法和依據。 旋壓技術的水平在很大程度上取決于旋壓成形設備, 目前美國和德國在旋壓設備的發展及應用上處于

40、領先地位. 旋壓設備的生產制造, 比較著名的有德國的萊弗爾得公司、波柯公司, 美國的迪金斯公司、MFM Elect rologic、Lake Geneva Spindust ries, 加拿大的HYDROSPIN、AMS。此外, 西班牙的DENN 公司是目前世界上最有代表性、產品系列最全的專業旋壓機生產廠家之一. 燕山大學是國內最早研究旋壓工藝及設備的單位之一。該單位早在20 世紀80 年代就提出了一步無胎冷旋新工藝, 并研制了我國第一臺無胎冷旋旋壓機和槍管成形旋壓機, 獲得了成功應用；2005年進行了鋁合金車輪立式旋壓機的開發, 2006 年末該臺旋壓機成功地用于我國自行研發的鍛造車輪生產線

41、中, 這是我國首臺具有CNC 控制的車輪立式旋壓機。此外, 近年我國京航空制造工程研究所在總結以往研制經驗的基礎上, 推出新一代的國產CNC 強力旋壓機床, 實現了國產旋壓機的升級換代。6.3.2、鋁合金輪轂熱旋工藝 以“質量接近鍛造輪轂, 成本接近鑄造輪轂為目標”, 日本在20 世紀90 年代末將旋壓工藝用于鑄造輪轂坯料的成形加工,開發了鋁合金輪轂鑄坯熱旋壓新工藝(以下簡稱“鑄旋新工藝”) .如圖所示是采用鑄旋新工藝生產汽車輪轂的工藝流程. 該工藝的關鍵環節在于: 采用低壓鑄造獲得形狀和性能合理且能滿足外觀需求的輪轂鑄坯, 緊接著對此鑄坯的輪輞部分進一步施加熱旋壓成形. 該工藝將低壓鑄造、旋

42、壓成形緊密結合于同一熱加工過程中, 不僅綜合了低壓鑄造和旋壓成形各自的優勢, 而且可以獲得1+ 1 2的效果. 事實證明, 鑄旋新工藝大幅提高了車輪的整體強度和耐腐蝕性, 而機械加工余量大幅減少, 車輪使用壽命和安全性顯著提高, 有利于車輛減重節油, 車輪生產成本下降. 鑄旋新工藝以其諸多強勁的優勢逐漸成為鋁合金輪轂加工生產的一個重要發展方向. 2006 年, 燕山大學開發了我國第一臺車輪熱旋旋壓機并成功地應用于車輪生產線;2007 年5 月, 國內第一條車輪鑄旋生產線在戴卡輪轂制造有限公司投產, 年生產能力達30萬件。 我國的科研工作者通過顯微組織觀察發現, 熱旋壓塑性變形可以彌合微細的疏松

43、缺陷, 從而提高了輪轂的力學性能.從熱旋壓成形工藝需求出發, 對輪轂旋壓裝備的使用方法進行分析, 提出旋壓機的模具潤滑方式由毛坯背腔潤滑更改為模具表面潤滑, 并且采用立式三旋輪120布置方式, 同時增加尾頂和旋輪的驅動裝置, 該設計分析為旋壓設備的制造及改進趨勢指出了方向.通過對簡化的鋁合金輪轂熱旋壓工藝進行初步研究, 分析了其成形性和缺陷并進行了相應的數值模擬, 為工藝優化提供了方法和依據.七、 鋁合金車輪發展與前景7.1國際鋁合金車輪發展現狀7.1.1、汽車車輪的全球占有量 作為汽車零部件行業的一部分，汽車輪轂行業的發展與汽車行業發展緊密相關。汽車輪轂需求主要來自OEM市場，零售市場相對較

44、少，約占OEM市場的1/5。從全球看，汽車行業是個成熟的市場，過去9年（19992005）全球汽車產量的復合增長率（CAGR）只有3.6%，2007年全年汽車產量7310萬輛，年增長率近年來首次超過5%。到2007年全球鋁輪轂的份額超過60%。按照世界汽車總產量及鋼輪轂和鋁輪轂的配置情況估算，全球汽車輪轂OEM市場約為3.4億只（其中美洲1.2億只，歐洲1.1億只，亞太地區1億只左右），市場價值約80億美元（其中：鋁輪轂約45億美元，鋼制輪轂約35億美元）。參照全世界汽車產量年均3%增長率，鋁輪轂年均6%的增長率，預計2010年世界鋁輪轂需求量可達2.38億只，2020年世界鋁輪轂需求量達到3

45、.21億只。隨著發展中國家轎車工業的加速發展以及汽車鋁化率不斷提高的趨勢，鋁輪轂國際市場前景廣闊。7.1.2、國際鋁合金車輪的企業競爭態勢 國外的鋁合金車輪生產企業原來大都集中在歐洲、美國，日本、德國等發達國家，國際鋁合金車輪制造業在20世紀70年代得到快速發展。如北美輕型車鋁車輪，1987年只占19%，到2001年已占58.5%；日本轎車裝車率超過45%；歐洲超過50%。全球范圍看，比較典型的車輪企業有美國的海斯.萊莫斯公司、超級工業國際公司、ARE公司，德國的羅那公司BBC公司，SRS公司，日本的托皮公司，ENKETT公司、日立、豐田等公司，這些老牌企業很多都是跨國集團公司，隨著世界經濟結

46、構的調整，他們把生產廠向外轉移。鋁合金車輪生產已大幅度的向發展中國家轉移，特別是亞洲地區，鋁合金車輪生產企業已星羅密布，且大都具有相當的規模和水平。歐美的鋁輪轂廠家目前都處在破產邊緣，如Hayes Lemmerz 已經在2009年5月11日申請破產，其他企業也面臨同樣的危機，美國主要是SUPERIOR 和Hayes Lemmerz，兩家公司度日維艱。最知名的德國BBS，2008年銷售額只有不足8千萬歐元，下降了40%，虧損巨大。7.2、國內鋁合金車輪現狀7.2.1、國內鋁合金車輪市場占有量 隨著我國汽車市場的快速發展，不斷引進技術，鋁合金車輪的制造和應用也迅猛發展起來。中國現在已成為全世界的汽

47、車鋁輪轂制造中心，中國的汽車鋁輪轂產量飛速增長，2001年中國汽車鋁輪轂出口數量為350萬只，2003年度出口近1000 萬只，2008年出口達到3500萬只，八年時間增長到10倍。2008年國內產量大約3500萬只，其中OEM銷量大約為3000萬只，庫存大約150萬只，售后市場大約150萬只。根據近年我國轎車工業及鋁輪轂產業發展狀況推測，20042010年鋁輪轂年均增長率達到20%，零售市場2004年至2010年年均增長率達到5%，出口市場年均增長率達15%，以此計算，2010年汽車鋁輪轂的國內總需求量在3800萬只左右。7.2.2、國內鋁合金車輪企業競爭態勢 國內競爭格局對企業的國際競爭力

48、產生重大影響，國內競爭使企業不斷更新產品、提高生產效率，形成于之相適應的戰略結構，以取得持久獨特的優勢地位。中國有近百家鋁輪轂廠家，但是真正有實力的廠家不多。規模比較大的鋁輪轂廠通常都具有外資背景。臺資背景的大多以出口為主，并且主要出口日本市場，如六和機械有豐田的股份。港資背景通常都和大企業合作，以OEM市場為主攻方向。內資企業大規模的也是主攻OEM市場，小的則主攻售后市場。中信戴卡背靠超級大企業中信集團，敢于大規模投入是中信戴卡成功的關鍵。萬豐奧特起步比較早，2006年上市，融資是其發展壯大的強力支持。今飛機械是國企改制而來，資金方面也比較充足，摩托車輪轂所占的比例很大，今飛與印度廠家有合資

49、企業。華泰在2001年起家時也有外資背景，外資在最初的深圳工廠有60%的股份。目前華泰遍地開花，更直接并購國外生產線。立中則背靠擁有鋁礦的立中集團，且在新加坡上市，發展潛力巨大。中南鋁車輪技術實力強，和日資合作使其在產品品質方面比較優秀。上海友發則是友發集團成員，主攻售后市場，也在新加坡上市。無錫振發是印度尼西亞企業，也在印尼上市。7.3鋁合金車輪發展趨勢 為了適應汽車更安全、更節能、降低噪聲、污染物排放不斷加嚴的要求，鋁合金車輪正在向大直徑、輕量化、寬輪輞、高強度、更美觀等方向發展。以北美鋁合金車輪市場為例，在前些年，輪轂直徑還是以1314英寸為主，現在的主流市場則是以1516英寸，甚至17英寸。16英寸車輪所占市場份額最大、增長也最快，從1997年占車輪市場38.3%，到1999年上升到45%，2001年已占到57.7%。其次是15、17英寸車輪，占總市場份額分別為27.62%和11.77%。18、19、20英寸大直徑車輪市場上也有出現。