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模具知識

鋁合金輪轂生產工藝及其優點

2021-10-29378人次瀏覽
  輪轂,別名輪圈,即輪胎內廓用以支撐輪胎的圓桶形、中心裝配在軸上的部件。常見的汽車輪轂有鋼質輪轂及鋁合金質輪轂。鋼質輪轂的強度高,常用于大型載重汽車;但鋼質輪轂質量重,外形單一,不符合如今低碳、時尚的理念,正逐漸被鋁合金輪轂替代。
  市場上的輪轂按照材質可以分為鋼輪轂和合金輪轂兩大類。鋼質輪轂最主要的優點就是制造工藝簡單,成本相對較低,而且抗金屬疲勞的能力很強,也就是我們俗稱的便宜又結實。但鋼質輪轂的缺點也相對比較突出就是外觀丑陋,重量較大,慣性阻力大,散熱性也比較差,而且非常容易生銹。相對來說,合金材質輪轂正好可以彌補這樣的問題,較輕的重量,慣性阻力小,制作精度高,在高速轉動時的變形小,有利于提高汽車的直線行駛性能,減輕輪胎滾動阻力,從而減少油耗。合金材質的導熱性能是鋼的三倍左右,散熱性好,對于車輛的制動系、輪胎和制動系統的熱衰減都能起到一定的作用。   
  市場上的原廠車的合金輪轂都以鋁合金為主。   
  與鋼質汽車輪轂相比,鋁合金輪轂的優點有哪些?   
  1、省油。平均每個鋁合金輪轂比相同尺寸的鋼輪轂輕2kg,一臺轎車用5個便省了不起10kg重量。根據日本實驗,5座的轎車重量每減輕1kg,一年約或節省20L汽油。而美國汽車工程師學會發表的研究報告指出,鋁合金輪轂雖然比一般鋼輪轂貴,但每輛汽車跑到2萬km時,其所節省的燃料費便足吣抵回成本。   
  2、增加發動機壽命。發動機負荷與發動機的壽命呈負相關,負荷越大壽命越短。因鋁合金輪轂比鋼輪轂輕,所以可以延長發動機壽命。   
  3、散熱好。鋁合金的熱傳導系數為鋼的3倍,散熱效果好。長途高速行駛之時,也能使輪胎保持在適當的溫度,使剎車鼓及輪胎不易老化,增加壽命,降低爆胎的機會。   
  4、精度高。鋁合金輪轂的真圓精度高達0.05mm,運轉平衡性能佳,有利于消除方向盤抖動現象。   
  5、堅固耐用。鋁合金輪轂抗沖擊力、抗張力及熱力等各項強度較鋼輪轂要高。這也是鋁合金在國防工業、航空工業扮演重要的角色原因之一。   
  6、美觀。一般鋼輪轂因生產所限,形式單調呆板,缺乏變化;鋁合金輪轂則有各式各樣的設計,加上光澤、顏色效果好,從而提高了汽車的價值與美感。   
  鋁合金輪轂生產工藝   
  重力鑄造   
  金屬型重力鑄造是指在常壓下,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,這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,生產效率高,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,有時也會卷入氣體而形成氣孔缺陷,同時金屬液的收得率也較低。大部分整車廠現已拒絕該工藝生產的車輪,在鋁輪轂制造行業有逐漸被邊緣化的趨勢。   
  低壓鑄造   
  低壓鑄造是將鑄型放在一個密閉的爐子上面,型腔的下面用一個管(叫升液管)和爐膛里的金屬液相通。如果在爐膛中金屬液面上加入帶壓力的空氣,金屬液會從升液管中流入型腔。待金屬液凝固以后,將爐膛中的壓縮空氣釋放,未凝固的金屬從升液管中流回到爐中??刂屏魅霠t膛空氣的壓力、速度,就可以控制金屬流入型腔中的速度和壓力,并能讓金屬在壓力下結晶凝固。這種工藝特點是鑄件在壓力下結晶,組織致密,機械性能好,金屬利用率高。   
  低壓鑄造工藝目前在中國大陸已經相當成熟,適合少人化生產管理,已經被所有整車廠認可是當前中國大陸鋁合金輪轂制造業的主流工藝,產品主要銷往OEM和海外零售市場。   
  采用低壓鑄造工藝制造的鋁合金輪轂,由于輪輻是最后冷卻凝固的,所以部分特殊造型輪轂的輪輻易出現縮松等質量問題,而輪輞部分由于最早結晶則強度較好。   
  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,且組織致密、晶粒細化,機械性能比低壓鑄造件高。產品既有接近鍛件的優良機械性能,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。缺點是液態模鍛的產品與傳統鍛造產品一樣,需要銑削加工來完成輪輻的造型。   
  日本已有相當部分的汽車鋁輪轂采用擠壓鑄造工藝生產,豐田汽車公司擁有十幾臺全自動擠壓鑄造設備,每臺設備不到2min即可生產一件鋁輪轂,從澆注金屬液到取出鑄件整個過程都由計算機來控制,自動化程度非常高。國內也在廣東建造了一個現代化的擠壓鑄造汽車鋁合金輪轂廠,已生產多種規格和型號的汽車鋁輪轂,經鑒定產品質量達到了國外同類產品先進水平。目前世界各國都把擠壓鑄造作為汽車鋁輪轂生產的方向之一。   
  鑄造旋壓   
  鑄旋分“低壓鑄造+旋壓”和“重力鑄造+旋壓”兩種工藝。目前韓系車企對鋁輪轂的成型工藝有全面采用“低壓鑄造+旋壓”的趨勢,其它車系也有部分產品對此工藝有需求,該工藝是鑄旋工藝中的主流工藝,做OEM產品的企業大部分都是采用的這種工藝;同時還有少部分做海外零售市場的企業采用“重力鑄造+旋壓”的工藝,從理論上講這種工藝是行的通的,它真正把重力鑄造和旋壓兩種工藝的長處結合到了一起,產品品質得到了提升,但是由于毛坯是重力鑄造工藝生產的,因此這種工藝的經濟性非常不好,生產成本很高??傊?,鑄旋的產品,由于輪輻部分是鑄造出來的,它具有與鑄造工藝生產出來的產品具有相同的優缺點;而輪輞部分是旋壓出來的,因此氣密性較好。鑄旋產品理論上可以減重,但實際應用上效果不明顯。   
  常規鍛造   
  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。   
  鑄造鍛造法   
  它是將鑄件作為鍛造工序的坯料使用,對其進行塑性加工的方法。由于將鍛造作為零件最終成形的工序,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,同時又充分發揮了鑄造工藝在成形復雜件方面的優勢,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。用鑄造鍛造技術生產鋁輪轂,其性能完全可以達到鍛件的力學性能指標,但生產成本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。目前大陸只有少數幾個企業(主要在臺灣六和系統)在采用這種工藝,設備和技術來自保加利亞。   
  半固態模鍛工藝   
  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,其中美國的AEMP(Alumax Enginered metal Process)公司與Superior工業公司合作于1992年在阿肯色州建成了全球首家半固態模鍛鋁合金汽車輪轂廠。用半固態模鍛代替低壓鑄造生產ZL101鋁合金車輪轂,不僅能減少機械加工量和提高生產率,而且還可以提高機械性能,減輕質量。   
  鍛造旋壓   
  比較高端的成形工藝,目前國內只有10%左右企業采用該工藝進行生產,產品主要供應國內外的大巴、貨車及高端轎車市場。優點是產品內在質量好、產品強度高質量輕;缺點是設備造價高,傳統鍛造工藝制造的產品輪輻造型只能靠銑削加工來完成,金屬利用率低且生產效率也不高。鍛造分傳統鍛造和碾鍛,碾鍛可以直接鍛出輪輻的造型。

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