汽车铝合金车轮机加工研究

刘磊

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇岛 066011）

0 引言

汽车产业产业链条长，技术要求高，体现了国家的经济实力和技术创新水平。与发达国家相比，我国的汽车零部件产业还相对薄弱。随着我国经济的快速发展，汽车工业正在朝着轻量化方向发展。车轮作为汽车的重要部件，需要具有非常高的安全性，而铝合金锻造车轮可以显著减轻汽车的重量，并提高汽车的运行稳定性、行驶稳定性和安全性。

1 铝合金车轮成型技术分析

铝合金轮毂因其自身的优势而被广泛使用，其成型技术主要有以下几方面。

1.1 低压铸造法

这是在高压铸造和重力铸造之间的浇铸过程，是在压力下以高速将液态金属填充到模具中并迅速固化以形成一定形状的铸件。这种生产方法可以手动调节和控制工艺参数，并且可以快速进入熔融金属的结晶和凝固过程。其具有铸造结构紧凑，机械性能好，尺寸精确的特点，适用于厚度，尺寸，高度和结构不同的铸件。然而，其缺点在于，轮辐和轮辋之间接头的部分相对较厚，并且难以获得熔融金属的供应，导致了缺陷。

1.2 液体锻造方法

为了消除在熔融金属的凝固和收缩期间发生的收缩和其他缺陷，需要有效利用金属铸件在凝固期间易于流动的特性。这是一种新兴的金属成型工艺，可以满足车轮的使用要求，但其质量不如锻造铝合金车轮的质量。其质量会受工件几何形状，合金成分，应力等因素影响，并且会出现诸如晶间裂纹等缺陷。

1.3 锻造法

主要是使铸盘或棒坯发生塑性变形，从而堵塞铝合金材料的内部孔，增加铝材料的密度，并改善锻造的机械性能。锻造铝合金轮毂的生产过程包括落料、预锻件、最终锻件、修边、铰孔、纺丝、热处理、机加工、抛光和电镀。在上述生产过程中，预锻件和最终锻件属于钢坯制造过程。相比之下，锻造铝合金轮毂比铸造铝合金轮毂更轻，具有更高的强度和更好的环境性能。

1.4 重力铸造

重力铸造是最传统的铸造技术，具有工艺简单、模具使用寿命长、成本低的特点，能够进行批量生产。但是，它依赖于金属溶液的自重填充方法，产品致密性低，容易出现沙眼和孔洞等缺陷，表面性能差，强度低。当前，只有少数制造商使用此工艺来制造铝合金轮毂，这种工艺已逐渐被其他工艺所替代。

1.5 反压铸造

反压铸造，也称为压差铸造，是基于低压铸造开发的更先进的铸造方法。利用压差将金属填充到模具中可以实现更好的致密性和机械性能，并提高利用率。可以将气体掺入合金中，以进一步提高其强度和耐磨性。但是，这种技术使用的设备太大，操作复杂。高反压铸造几乎可以达到锻造的效果，德国BBS的RX/RY系列铝合金轮毂就是通过高反压铸制造的。

2 汽车铝合金轮毂的特性分析

2.1 出色的散热性能

在正常情况下，汽车行驶时会产生大量热源，这主要是由制动器或轮胎与地面之间的摩擦引起的。特别是在高速行驶时，车轮本身的温度始终呈现上升趋势，这大大增加了轮胎爆炸的可能性。铝合金轮毂的散热性能是普通钢轮毂的3倍左右，并且其结构设计也有助于散热。即使在恒定的制动条件下，汽车轮胎的温度也可以控制在一定范围内，从而保证行车时的安全。

2.2 有效提高车辆的行驶性能

铝合金车轮的使用可以在车轮与轮胎之间实现一定程度的有效分离，从而相应地减少跳动和振动现象，降低了汽车的重心。主要原因是铝合金的振动性能明显高于钢的振动性能，铝合金车轮制造过程中，厂家会使用可以确保良好平衡性的数控设备。但是，钢制轮毂在制造过程中主要通过焊接来精加工，因此不能有效地确保平衡，特别是不能有效地提高高速性能。铝合金轮毂的使用可以有效地解决钢轮毂存在的问题，研究表明，铝合金轮毂的振动程度要比钢轮低10%左右。

3 汽车铝合金轮毂铸造的重要性

在汽车生产过程中，汽车铝合金车轮的铸造工艺对生产非常重要。在汽车车轮的生产中使用铝合金具有节能、减排、简单、轻便等特点，而铝合金的轻量化特性直接影响车辆的制动能量需求。铝合金车轮的使用可以提高汽车的加速功能，可以减少汽车的汽油消耗，达到环保的目的。汽车铝合金轮毂具有散热快，减震性能强的特点。铝合金材料与轮胎的分离度高，减少了振动，有助于增加使用者的驾驶便利性，提高车辆的使用寿命。铝合金轮铸坯的低强度便于材质拉深和材料加工，使车轮轮毂的形状多样化，提高了用户的视觉效果，促进了工艺的优化和性能的提高。

4 汽车铝合金车轮旋转锻造成形过程分析

4.1 铝合金材料的选用

在汽车铝合金轮毂旋转锻造成型过程中，使用最广泛的是6000系列铝合金，该材料在高温环境下具有良好的机械加工性能，因此可以承受拉拔和深冲等大变形操作。其疲劳强度和耐腐蚀性极佳。通过向铝中添加适当比例的镁，硅，铜等，合金6061可以具有高韧性，加工无变形，结构紧凑且易于抛光的特点。

4.2 铝合金轮毂锻造工艺

我国目前锻造铝合金轮毂的生产工艺一般是通过使用6000t和8000t通用锻造压力机对铝合金坯料进行预锻和最终锻造，然后对高温加热的圆柱形铝合金棒材进行锻造，锻造成一个形状粗糙的汽车车轮。主要的锻造工艺过程是下料、预先锻造、最终锻造。

锻造铝合金车轮重量轻，消耗的材料少，可减轻车辆重量约600公斤。锻造之后，铝合金轮的受力方向与纤维流动方向一致，具有出色的强度，疲劳强度和韧性。锻造过程破坏了金属内部的柱状晶体结构，并将铸造结构转变为锻造结构。结构上，与传统铸造铝合金轮毂相比，具有无与伦比的优势，可以更好地保证车轮的成型质量。同时，锻造铝合金轮毂具有很强的抗冲击、抗剪切和抗拉伸载荷的能力，可以更好地吸收行驶中的振动和冲击，避免了收缩，松动等缺陷，可以大大改善车轮的性能。

4.3 汽车铝合金轮毂的旋转锻造工艺特性

车轮旋转锻造成型工艺明显优于传统的模锻工艺，其特点具体体现在以下几个方面。

（1）实现小吨位设备的精密生产。这种加工技术的工作噪音相对较小。压机上模的轴线与主轴之间的的夹角有效地确保了铝合金棒材成型过程中金属流动的合理性，并使工件的成型力最小化。

（2）确保铝合金轮毂前部未加工区域的表面质量和性能。在通过旋转锻造形成的坯料变形期间，铸棒芯部中的金属被翻转到车轮的前部。其变形较大，其致密的结构可以更好地保证铝合金车轮前表面的质量和机械性能。

（3）简化了车轮成型过程。旋转锻造工艺不需要模锻，并且使用铸造铝合金棒成形，极大地简化了车轮成型工艺并降低了加工成本。

4.4 汽车铝合金轮毂旋转锻造机的工作原理

汽车铝合金车轮旋转锻造机的内部组件包括摆头、滑块、缸体、车体、机械传动系统等。工作原理是先预热旋转锻模，然后通过卡盘将其与主轴设备连接。放置在型腔中的热坯料进入旋转运动，坯料和下模与下主轴一起旋转。当上模沿轴向移动时，在旋转锻造过程中，坯料呈现出连续的局部压缩和变形状态，并逐渐产生较大的累积变形。

5 铝合金车轮低压铸造技术分析

基于压铸技术开发的铝合金轮毂低压铸造法主要是在密闭容器中熔化金属，并依靠气压或液体表面上的可压缩惰性气体将液态金属通过立管压入型腔，使其在压力下缓慢固化。然后，降低液体表面上的压力，使得提升管中的未凝固的液态金属液体落回到炉中。在铸造铝合金轮毂的过程中，由于铸造质量高，结构紧凑，使用低压铸造技术可以大大降低制造成本。现阶段，低压铸造技术已被国内外汽车制造商广泛采用，据不完全统计，有90%以上的车轮加工采用了低压铸造。铝合金轮毂低压铸造技术可以大大提高产品的性价比，并确保高质量。

为避免缩孔和孔隙而采取的控制措施如下：液体提升系统需要合理的设计，包括液体提升管，绝缘套和浇铸系统等。因此，在设计液体提升系统的过程中，有必要通过组合诸如模具和设备之类的各种元件，尽可能地缩短坩埚内部的金属液位与浇口之间的距离，然后增大直径，延长绝缘套绝缘层的厚度。最后，有必要相应地增加立管的直径，以避免立管的过早固化。常规的铁浇口衬套有很多缺陷，不宜使用。因此，可以使用整体结晶性好，综合能耗低，不粘铝和隔热性能好的陶瓷浇口衬套。

6 结语

综上所述，铝合金轮毂未来的发展趋势是根据轮毂的使用环境和性能要求选择合适的制造工艺，缩短制造时间，进一步降低成本，提高机械性能，并充分利用数值模拟技术的优势。锻造旋压工艺将是制造高性能铝合金轮毂的首选。轮毂是汽车系统中非常重要的一部分，对工艺的要求很高。随着时间的推移，会出现更多新的工艺技术。采用铝合金车轮的锻造成型工艺，可以大大提高车轮的制造质量，从而可以保证汽车的安全性。