课程设计（论文）-汽车铝合金轮毂的制备工艺.doc

j i a n g s u u n i v e r s i t y 课 程 设 计 论 文 汽车铝合金轮毂的制备工艺学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料与工程0802 姓名、学号 韩 冬 3080706036 指导教师： 唐 华 二一一年十二月目 录一、绪论2二、铝合金轮毂的优势32.1、重量轻，节能降耗32.2、振动小，驾乘更舒适32.3、散热性好32.4、尺寸精度高, 整车行驶性能好32.5、美观漂亮3三、汽车铝合金轮毂的设计要求33.1、汽车铝合金轮毂结构设计要求33.2、汽车铝合金轮毂的性能要求43.3、汽车铝合金轮毂的成形方法43.3.1、铸造法43.3.2、锻造法43.3.3、半固态模锻法53.3.4、旋压法5四、汽车铝合金轮毂生产工艺流程54.1、汽车铝合金轮毂的设计开发流程54.2、汽车铝合金轮毂的生产工艺流程7五、铝合金轮毂的制造技术85.1、普通铝合金轮毂的生产工艺85.2、锻造铝合金轮毂的生产工艺85.3、铸造和热处理85.4、机加工85.5、打磨抛光95.6、涂装95.7、检验与包装9六、汽车铝合金轮毂的各种制备工艺96.1、铸造法96.1.1、金属型重力铸造法96.1.2、金属型低压铸造法96.1.3、压力铸造法106.1.4、挤压铸造法106.1.5、锻造法106.1.5.1、常规锻造法106.1.5.2、铸造锻造法116.1.5.3、半固态模锻法116.2、锻造法116.3、汽车铝合金轮毂旋压法126.3.1、铝合金轮毂冷旋工艺126.3.2、铝合金轮毂热旋工艺13七、铝合金车轮发展与前景137.1国际铝合金车轮发展现状137.1.1、汽车车轮的全球占有量137.1.2、国际铝合金车轮的企业竞争态势147.2、国内铝合金车轮现状147.2.1、国内铝合金车轮市场占有量147.2.2、国内铝合金车轮企业竞争态势147.3铝合金车轮发展趋势15八、结束语15九、参考文献15摘要：铝汽车轮毂与钢汽车轮毂相比有许多优越性，虽然应用历史不久，但发展速度很快，前景广阔。本文详细介绍铝合金轮毂的优点、合金品种、构造、性能与质量要求、市场占有份额及本公司的铝合金轮毂生产工艺。关键词：铝合金轮毂、制造工艺、发展前景一、绪论随着汽车行业的迅猛发展，现代汽车节能降耗要求的不断高涨，安全和环保法规日趋严格，汽车轻量化的要求更为迫切。由于铝合金车轮的广泛使用，其美观、大气、多变的外形设计也为汽车增色不少。目前，中国汽车市场上，轿车铝合金车轮使用率至少已达到轿车市场总量的70%以上。而据有关方面统计，2003年这一比例为50%左右。铝合金质量轻、强度高、成形性好、价格适中、回收率高，对降低汽车自重、减少油耗、减轻环境污染与改善操作性能等有着重大意义，已成为汽车工业的首选材料。轻合金轮毂在汽车轻量化进程中扮演了越来越重要的角色, 特别是铝合金轮毂以其美观、质轻、节能、散热快、耐腐蚀、加工性好等特点,正逐步取代钢质轮毂而成为最佳选择。目前铝合金轮毂的成形方法主要有铸造法、锻造法和旋压法等, 本文对铝合金轮毂各种成形工艺的研究和应用情况进行综述, 从拷虑轮毂质量和制造成本等问题的角度, 着重探讨了各种铝合金轮成形工艺。二、铝合金轮毂的优势 汽车铝合金化是解决世界汽车工业面临的能源、环境、安全等问题的有效措施, 而轮毂的铝合金化则是汽车铝合金化应用中的重要方面。使用铝合金轮毂代替传统的钢制轮毂有以下优点：2.1、重量轻，节能降耗铝轮毂与钢轮毂相比，重量可减轻30%40%；在车速为90120km/h时，油耗可碱少0.0138l/10okm。以奥迪轿车为例，铝轮毂重量减轻39.5%；在90120km/h车速时，油耗可减少0.05l/10okm。而在城市行驶时，可减少油耗0.04/10okm，每十万公里节油4050l。2.2、振动小，驾乘更舒适使用铝轮毂能改善轿车的行驶性能，减轻振动。这是因为铝的减振性能优于钢，而且铝车轮采用数控设备加工，平衡性能优于钢。钢车轮采用热轧钢带或冷轧钢带旋压焊接而成，平衡性能差，特别是高速性能不好，铝轮毂很好地解决了这一问题。根据研究，铝车轮比钢车轮的振动程度减轻12%。奥迪轿车采用铝车轮后，由于重量轻，从起步到100km/h速度的加速时间减少了0.3秒。2.3、散热性好车轮的热源由两部分产生，一是刹车产生的热；二是车胎与路面的摩擦。特别是高速行驶的情况下，车轮温度很高，增加爆胎的危险性。由于铝的导热性大大优于钢，而且轮毂表面的设计有利于散热，因此使用铝轮毂可减少积热，减少爆胎的机会，提高安全性。2.4、尺寸精度高, 整车行驶性能好通常情况下, 传统钢制轮毂的径向和轴向允许跳动值为1mm, 普通铝合金轮毂的控制范围在0.5mm以内, 高档铝合金轮毅为0.3mm以内, 轮毂的高精度有利于提高车辆起动和变速的灵敏度。2.5、美观漂亮 轮毂的美观程度对于汽车整车的形象有着很大的影响。现今的汽车轮毂设计是汽车造型设计中一个不可遗漏的重点，并且轮毂造型直接关系着汽车车身设计的品味和档次。因此，如何进行轮毂的造型设计，如何设计出有风格特色和审美情趣的轮毂成为轮毂制造厂和设计者们关心的问题。铝合金轮毂的生产工艺与钢轮毂不同, 其外观设计精美，造型多样化，可以做到车毂合一，尽显完美，提高整车的审美观，而且还可以设计加工成各种花纹结构，通过表面处理形成不同的色泽或通过电镀形成镀层，最大限度地满足各类使用者的审美要求。三、汽车铝合金轮毂的设计要求为了满足使用功能和市场的需求, 铝合金轮毂在结构上有整体式和多件组合式等多种结构设计；在外观造型上有宽轮辐、窄轮辐、多轮辐、少轮辐等多种造型设计。出于安全的原因, 在铝合金轮毂的外观造型和结构设计时必须要以满足安全和使用功能的要求为前提。对于普通乘用车而言, 整体式铝合金轮毂足以满足其性能要求。3.1、汽车铝合金轮毂结构设计要求与轮胎的胎圈接触, 支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。 汽车轮毂的结构如下表所示：汽车轮毂与车体连接部分偏 距轮 辐与车胎连接部分槽 底气门孔轮 缘胎圈座保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。安装轮胎气门嘴的孔。为方便轮胎装拆, 在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。轮辋中心面到轮辐安装面的距离。有正偏距、零偏距、负偏距。 之分与车轴车轮实施安装连接,支撑轮辋的车轮部分3.2、汽车铝合金轮毂的性能要求铝合金轮毂的种类、结构较多, 其要求因车种,车型而异, 但强度与精度兼备是最基本的共同要求。通过市场调研得知, 车轮毂应具备以下性能:1) 材质、形状和尺寸正确合理, 能充分发挥轮胎的功能, 与轮胎互换, 具有国际通用性；2) 行驶时, 纵、横向振摆小, 失衡量与惯性矩小；3) 在轻量化的前提下, 具有足够的强度、刚度和动态稳定性；4) 与轴、轮胎的可分离性好；5) 具有优良的耐久性；6) 其制造工艺能达到产品质量稳定、成本低、多品种、可大规模生产等要求。3.3、汽车铝合金轮毂的成形方法目前铝合金轮毂的生产方法主要有铸造法、锻造法、冲压法和旋压法等。我国的铝合金轮毂制造仍以低压铸造为主, 一些先进的制造工艺还未采用。但铝合金轮毂的制造技术在不断的发展, 为了提高其性能, 现在向挤压铸造(液态模锻) 成形、半固态模锻成形方向发展的趋势。3.3.1、铸造法铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点, 所以铸造法仍是生产铝合金轮毂最普遍的方法, 在目前全世界生产的铝合金轮毂中, 铸造的占80%以上。其工艺方法有重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造等。3.3.2、锻造法锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一, 具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致, 其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时, 性能具有很好地再现性, 几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%17%，因而能很好地吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力, 但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂,锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外, 锻造铝轮毂表面无气孔, 因而具有很好的表面处理能力, 不但能保证涂层均匀一致, 结合牢靠, 而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多, 生产成本比铸造的高得多。3.3.3、半固态模锻法半固态模锻是锻造的一种, 介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。零件在模内收缩较小, 机械加工量减少, 半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密, 晶粒细小, 力学性能高于压铸和挤压铸造件, 成形不易裹气, 宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多, 成形温度低, 模具寿命长等许多独特的优点。在国外主要应用在汽车铝合金零件制造方面, 被称为21 世纪新一代新兴的金属成形技术。国内对这种技术的研究起步较晚, 实际应用得很少。3.3.4、旋压法旋压成形的轮毂可以保持金属的致密度和整个轮毂的动平衡, 轮毂在具有足够刚度的同时, 能大大减少材料的厚度, 使轮毂变得更轻、更耐用。与普通低压铸造的铝合金轮毂相比, 同尺寸的轮毂重量可减少15%。轮毂旋压的主要变形方式有普通旋压和强力旋压( 变薄旋压) , 轮毂旋压的主要生产方法有管材轮辋旋压、板坯劈开式旋压和预铸( 锻) 件毛坯强力旋压等。目前采用低压铸造技术生产的轮毂产品无法满足大尺寸、高负荷以及高端产品市场的需求, 采用锻造技术生产的轮毂成本较高。铝合金轮毂旋压成形具有不受尺寸制约、产品美观、性能良好、安全性高、节省材料等优点, 是新颖的成形技术并且发展势头良好。四、汽车铝合金轮毂生产工艺流程4.1、汽车铝合金轮毂的设计开发流程 随着家用轿车品种的增加和价格的下调, 汽车正在成为当今中国老百姓消费的热点产品。对汽车的要求也开始从实用和认知向汽车的审美功能过渡。人们不仅要求汽车的性能优良, 驾驶操作方便,还要求汽车外观符合自己的审美品位和身份定位。然而, 轮毂的美观程度对于汽车整车的形象有着很大的影响, 如果企业没有自己设计开发轮毂的能力,是很难在市场上长久立足的。因此轮毂的设计开发是企业发展的关键所在, 汽车铝轮毂进行设计开发的主要方法和流程如下图所示。4.2、汽车铝合金轮毂的生产工艺流程由于低压铸造是最基本和较经济的生产方法,所以目前低压铸造已成为铝合金轮毂生产的首选,日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所和美国福特汽车公司等企业均采用此工艺生产铝合金轮毂,国内的铝合金轮毂制造企业也多数采用此生产工艺。通过分析获得高质量的汽车铝合金轮毂的生产过程, 选用合理的生产工艺。如下图所示。五、铝合金轮毂的制造技术5.1、普通铝合金轮毂的生产工艺普通铝合金轮毂主要的生产和检验工艺流程是: 配料铝合金熔炼铝液alsr 变质+altib 细化处理光谱铝液成分分析铝液ar2 气精炼除气铝液热分析+密度分析低压铸造毛坯毛坯x 射线探伤淬火+时效连续式热处理( 材料金相及力学性能分析抽查) 钻孔车加工立式动平衡检验( 径向跳动及三坐标尺寸检验抽查) 清洗氦气气密性检验打磨抛光前处理烘干喷涂底粉加热固化喷涂水性漆加热固化喷涂透明粉加热固化( 尺寸、盐雾、耐候、碎石、漆膜厚度、十字划格、力学性能、冲击、弯曲疲劳、径向疲劳等试验抽查) 最终检验包装入库。5.2、锻造铝合金轮毂的生产工艺锻造铝合金轮毂主要的生产工艺流程是: 下料( 材料金相及力学性能分析抽查) 锻坯加热预锻成形锻热处理( 材料金相及力学性能分析抽查) 粗加工旋压成形钻孔车加工立式动平衡检验( 径向跳动及三坐标尺寸检验抽查) 清洗氦气气密性检验打磨抛光前处理 烘干 喷涂底粉 加热固化 喷涂水性漆加热固化喷涂透明粉加热固化( 尺寸、盐雾、耐候、碎石、漆膜厚度、十字划格、力学性能、冲击、弯曲疲劳、径向疲劳等试验抽查)最终检验包装入库。5.3、铸造和热处理低压铸造是一项要求极高的生产工艺技术,它是在密闭的状态下用大约0.1mpa 的压力把金属液压进模具, 这样有利于保持恒温和排除杂质,保证铸件内没有气孔且金属密度均匀、强度高,从而有效地克服了陈旧的重力铸造轮毂方法所造成的铸造缺陷。在铸造过程中, 采用多种严格的铝合金配方(alsi7mg、alsi11、alsi11mg、alsi12mg等) 、严格控制微量元素及杂质的含量(fe0.15%) 、采用al - 10sr 变质、采用al - 5ti - 1b 细化处理、ar2 气精炼除气处理工艺, 每一炉合金液都要在经过温度、光谱分析、热分析、密度当量分析等项验证合格后方可投入使用, 从而确保了材料及力学性能的一致性; 设计独特的“斜插式”低压铸造模具, 通过带有模具温度控制的全自动铸造设备的精密冷却控制, 确保高效率地铸造出尺寸精确高品质的铸件, 并且轮毂的表面光滑细腻；随后的连续式热处理过程( 淬火+时效)，确保能够生产制造出高品质的毛坯；铸件要100%经过x 射线探伤检测, 合格的毛坯作为下一步深加工的坯件备用。为了减轻工人的劳动强度, 毛坯均采用自动传输系统输送。5.4、机加工机加工采用先进的cnc 全自动加工生产单元加工轮毂, 生产线自动上下工件, 采用自动传输系统向各个生产工位输送工件, 加工过程是“干切”。加工时采用独特的螺栓孔定位夹紧系统和先钻后车的生产工艺顺序, 车床一次装夹即可完成轮毂内外部的加工, 车床主轴转速达3000rpm, 这不但提高了生产效率, 而且还提高了中心孔的精度、螺栓孔的位置精度, 确保了轮毂的同轴度精度和动平衡性能这两项行驶动力学中最重要的性能。“干切”技术是环保型的干式机加工技术, “干切”这种干式机加工技术避免了过去机加工时切削液的回收处理系统和废液排放问题, 也避免了切削液对机床的腐蚀, 确保了对环境的保护, 使得铝屑的熔化回收更加简洁方便、回收率高, 降低了制造成本。当然,“干切”这种干式机加工方式对刀具的要求比较高,为了避免刀具积屑, 刀具要采用压缩空气冷却。为了增加轮毂外观的精致感, 有些产品使用金刚石刀具精加工轮毂的正外表面( 轮辐表面) , 可使轮毂具有独特而明亮的金属表面的光泽, 产品外观表现的更加精致高雅。5.5、打磨抛光为了确保轮毂的外观质量, 每一个加工过的轮毂都要在去毛刺机上经过打磨后, 再由工人进行精心的打磨抛光, 将工件的铸造表面打磨抛光的光滑平整, 有的产品还要经过独特的“球体抛光”, 以确保轮毂外在质量与内在质量更加完美的结合和统一, 体现出产品的精致。5.6、涂装轮毂是在先进和环保的涂装自动生产线采用高级静电喷枪和高速(20000rpm 以上)旋杯喷枪进行喷涂, 涂层厚度均匀、色彩光泽均匀,不但喷涂质量好, 而且节省涂料。涂料采用汽车厂认可的环保型粉质和水性涂料。轮毂在喷涂之前先进行前处理, 使之形成一层化学转化膜, 这样可以提高涂料的附着性能, 前处理是采用环保型的无铬化处理。涂层的喷涂顺序是: 喷底粉- - 喷水性漆- - 喷透明粉, 每喷一层涂层都要进行一次加热固化处理, 并进行相关的性能试验。少量也有喷两层或一层的, 但效果稍差一些。5.7、检验与包装 成品进行最终检测，主要是gt测轮毂的表面质量是否符合客户要求，各种附件是否齐全等。其后对成品进行包装，对oem用户采用木托架的大包装，而对最终零售用户单只纸箱包装。六、 汽车铝合金轮毂的各种制备工艺6.1、铸造法铝合金轮毂的铸造法成形具有适应性强、品种多样、生产成本较低的优点, 已经成为生产铝合金轮毂最普遍的方法, 在全世界的铝合金轮毂中,采用铸造法生产的占80%以上.6.1.1、金属型重力铸造法常压下, 液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法, 也是一种古老的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快, 因而铸件比砂型铸造的组织致密, 该法工序简单, 设备投资少, 生产成本较低, 适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂内部质量较差, 缩孔缩松严重, 浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件,有时也会卷入气体而形成气孔缺陷, 同时金属液的收得率也较低。国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰, 但国内有一些厂家仍在采用此工艺。6.1.2、金属型低压铸造法低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中, 保持一定压力(一般为20 60 kpa)直到铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固, 所以充填性好, 铸件缩松少,致密性高。该法中, 坩埚表面的氧化膜不会被破坏, 与其它铸造方法比较, 气孔和夹渣缺陷少, 产品内部质量好。由于低压铸造利用压力充型和补充, 大大简化了浇冒系统的结构, 使金属液收得率大大提高, 一般可达90%, 而金属型重力铸造仅40%60%。目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首选工艺, 日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的w iru厂和amcast工业有限公司的ww heeltek分公司等均采用此工艺生产铝轮毂, 国内的铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产, 现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金汽车及摩托车轮毂。低压铸造法的缺点是铸造时间较长, 加铝料、更换模具费时间, 设备投资大, 低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但是较采用其它铸造方法生产的同类产品重量减少了15%, 机加工切削量由原来的23mm减少到0.75mm,轮毂价格降低了10%。6.1.3、压力铸造法压力铸造使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔, 并在压力作用下凝固而获得铸件。该工艺生产的铸件组织致密, 力学性能好,强度和表面硬度较高, 铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能, 由于液体金属充型速度极快,型腔中气体很难完全排除, 常以气孔形式存留铸件中,这些铸件孔隙中气体在热处理过程中会发生膨胀, 使得铸件“起泡”。为使压铸件也能适用于汽车保安件, 近年来出现无气孔压铸新工艺, 最有代表的是充氧压铸法。充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充氧置换, 并在高速高压下进行压铸, 当液体金属充填时, 一方面排气槽排出氧气, 另一方面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应, 形成氧化铝小微粒, 这种a l2o3质点颗粒细小, 约在1m以下, 其质量占铸件总质量的0.1%0.2%,不影响力学性能和加工性能, 并分散在铸件内部, 使铸件内不产生气孔。用充氧压铸法生产的铸件, 可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比, 充氧压铸具有以下特点:消除或减少了压铸件内部气孔, 提高了铸件致密度；充氧压铸件比普通压铸件铸态强度可提高10%,伸长率增加30%50%。并可对充氧压铸件进行热处理进一步提高力学性能, 热处理后强度能提高30% 以上,伸长率增加80%100%,屈服极限及冲击韧性也有显著提高；充氧压铸件可在200300的环境中工作；充氧压铸对合金成分烧损甚微；充氧压铸需附加充氧控制装置,给压铸型充氧不但消耗氧气, 也会增加压铸循环时间, 这将使充氧压铸件比普通压铸件的成本要高10%15%。但对质量要求较高的铸件,采用充氧压铸后降低了铸件废品率和减少了质量控制费用, 综合起来考虑, 成本反而可以降低。6.1.4、挤压铸造法挤压铸造也称为液态模锻, 是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺, 该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内, 通过冲头以一定的压力作用于液体金属上, 使之充填、成形和结晶凝固, 并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳, 没有湍流和不包卷气体, 金属直接在压力下结晶凝固, 所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷, 且组织致密、晶粒细化, 力学性能比低压铸造件高产品既有接近锻件的优良力学性能, 又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度, 且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件, 汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件, 金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求, 但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。6.1.5、锻造法 分常规锻造法、铸造锻造法和半固态模锻法。6.1.5.1、常规锻造法 锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点, 一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1 /2或更低。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致, 其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时, 性能具有很好地再现性, 几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%17%,因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力, 但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外, 锻造铝轮毂表面无气孔, 因而具有很好的表面处理能力, 不但能保证涂层均匀一致, 结合牢靠, 而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多, 生产成本比铸造的高得多。6.1.5.2、铸造锻造法 该法是将铸造件作为锻造工序的坯料使用, 对其进行塑性加工形变, 由于将锻造作为零件最终成形的程序, 因此可以消除铸造缺陷, 改善制品的组织结构, 使产品的力学性能比铸件大大提高, 同时又充分发挥铸造工艺在成形复杂方面的优势, 使形状复杂的产品锻造工序减少, 材料利用率大大提高, 生产成本降低。该技术生产铝轮毂, 其性能完全可以达到锻件的力学性能指标, 生产成本却可以比普通锻造件下降30% 。目前, 该工艺自1996年9月成功地应用到批量生产中以来, 已被多家日本公司采用经济效果良好。国内在铸造锻造成形工艺方面虽有一些研究和应用, 但还未见应用到铝轮毂的生产中。6.1.5.3、半固态模锻法 20世纪70年代初美国麻省理工学院m. c. flem ings教授等开发出的一种新型的金属加工工艺 半固态金属成形工艺。由于金属凝固过程中, 固相率达到20% 左右时, 枝晶就形成连续网络骨架, 失去宏观流动性, 在此过程中施以强烈搅拌, 可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中, 这种经搅动制备的合金一般称为非枝晶半固态坯料, 这种半固态坯料在固相率达到50% 60%时仍具有很好的流动性, 可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形。所谓半固态模锻, 就是将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态后一次模锻成形, 获得所需的接近尺寸成品零件的工艺, 这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。 半固态模锻具有许多独特的优点: 零件在模内收缩较小, 易于近终化成形, 机械加工量减少, 半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密, 晶粒细小, 力学性能高于压铸和挤压铸造件; 成形不易裹气, 宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多; 成形温度低, 模具寿命长。近10年来, 半固态成形技术在国外获得了广泛的应用,已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域, 被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相当长的一段时期内, 半固态成形的主要市场是汽车工业, 应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂。国内对这种技术的研究起步较晚, 实际应用得很少。以上对轮毂的制造方法作了具体介绍, 总体来看,原有的基础上进行技术创新和发展新的加工成型技术是必然趋势。 压力铸造虽然效率高, 成本低, 但铸件不宜进行热处理, 采用真空压铸工艺生产的轮毂具有一定的竞争力；金属型铸造法工艺最成熟, 具有良好的力学性能,但加工余量大, 浇注时容易产生疏松和裂纹缺陷等, 应用最为广泛; 低压铸造法铸件合格率高, 但铸机和模具造价较高, 且设计麻烦, 具有一定市场, 适合大尺寸轮毂；挤压铸造法铸件力学性能好, 但挤压机较大, 模具较为复杂和贵重, 制造和维修费用较高, 拥有一定的市场；锻造法轮毂轻量化, 具有良好的综合性能, 制造成本较高, 但是, 从长远来看, 是一种经济的轮毂, 发展空间很大。6.2、锻造法 锻造法是应用较早的铝合金轮毂成形工艺之一。锻造铝合金轮毂的强度、韧性以及疲劳强度均显著优于铸造铝合金轮毂, 并且还具有抗腐蚀性好、尺寸精确、加工量小、性能再现性强等优点. 但是锻造铝合金轮毂的生产工序繁复, 并且生产成本比铸造要高得多 .锻造铝轮毂是使用8000t 锻压设备来制造的。锻造工艺过程是将经过高温预热的圆柱型合金原料坯件( 250mm、长度以产品而定) , 在锻压设备上经过预锻、成形锻, 直接将坯件压制成轮毂毛坯形状, 与非锻造工艺生产的普通低压铸造铝轮毂相比, 该工艺提高了材料的致密度、细化了晶粒, 可使轮毂的强度提高3 倍, 同尺寸的轮毂重量可减轻20%以上。该技术还可以与旋压技术并用, 主要用于赛车、跑车、越野车、大型客车、载重车等轮毂的生产。材料主要采用6000 系列变形铝合金棒料, 锻坯的生产过程为: 下料锻坯加热预锻成形锻热处理。锻造铝合金轮毂近几年发展比较迅速, 目前锻造铝合金轮毂产量的75% 左右是美国铝业公司生产的, 2004 年, 中国第一条锻造铝合金汽车轮毂生产线在戴卡轮毂制造有限公司投产使用, 成为世界上技术最先进的锻造铝合金轮毂生产线。6.3、汽车铝合金轮毂旋压法 旋压工艺技术是在特定的温度和压力下, 通过持续的旋转运动和挤压作用, 将轮毂的轮辋部位的结构不断地在滚动过程中延展。该工艺保持了金属的致密程度和整个轮毂的动平衡, 使轮辋变的更薄更轻更耐用。旋压出的轮毂在保持足够强度的同时, 能大大减少材料的厚度, 与普通低压铸造铝轮毂相比, 同尺寸的轮毂重量可减轻约15%。这项技术主要用于赛车、跑车、越野车等轮毂的生产, 与锻造技术并用主要用于赛车、跑车、越野车、大型客车、载重车等轮毂的生产, 也可对铸造毛坯采用旋压工艺进行后加工。6.3.1、铝合金轮毂冷旋工艺 轮毂的旋压技术起初一直局限于普通旋压这种变形方式. 普通旋压仅适合加工塑性较好和较薄的材料, 尺寸准确度不易控制, 对操作者的技术水平要求较高, 而且变形过程复杂, 理论研究的发展滞后. 20世纪中叶, 旋压技术由普通旋压发展到强力旋压, 并迅速扩大了应用范围 . 与普通旋压相比, 强力旋压时坯料的凸缘部分不产生收缩变形, 因而不会产生起皱现象. 轮毂的强力旋压成形是在普通筒形件强力旋压工艺的基础上发展起来的, 采用强力旋压制造汽车轮毂的轮辋部分,其轮辋的各项性能指标大幅提高, 从而可以减少轮毂材料用量, 实现产品轻量化. 随着金属塑性成形技术的发展和完善, 旋压在汽车轮毂的加工生产中得到日益广泛的应用. 国外17 英寸( 43.18cm) 以下轿车的铝合金轮毂以锻坯或铸坯经旋压成形已经成为主流生产模式. 与世界发达国家相比, 我国在这方面的研究相对滞后.近年来我国对于铝合金轮毂的旋压成型工艺取得了一定的研究进展，科研工作者通过对铝合金轮毂强力旋压过程中旋轮形状、旋轮进给率、壁厚减薄率、多旋轮之间的错距等工艺参数对成形效果的影响进行了研究, 对表面失稳、旋裂等缺陷的成因进行了分析, 为铝合金轮毂强力旋压的工艺参数优化提供了有效的方法和依据。通过对6061铝合金旋压变形性能的分析, 论述了对称式碟形轮毂在pt30501cnc 双轮卧式强力旋压机上进行旋制的工艺实施过程及效果, 通过选取合理的工艺参数, 解决了旋压过程中出现的堆积、起皮和破裂等缺陷。通过对a356 铝合金轮毂轮辋部位存在的一些细小弥散分布的孔洞进行扫描电镜分析, 发现了这些缺陷是凝固过程中形成的缩松,在系统地分析该种缩松形成机理的基础上给出了预防措施。采用刚塑性有限元软件deform- 3d 对铝合金轮毂的旋压成形过程进行数值模拟, 考察了不同的减薄率、进给率和主轴转速等主要工艺参数对成形过程的影响规律, 分析得出一组比较合理的工艺参数, 并且通过旋压试验验证了分析结果, 为旋压铝合金轮毂的实际生产提供了理论指导。建立了汽车轮毂旋压的变形力学模型, 采用deform- 3d 软件对轮毂旋压的整个成形过程进行有限元数值模拟, 得到了各道次下的应力应变分布效果图及相应的曲线图, 进而分析了变形区的应力应变分布规律, 为有效地进行工艺研究、优化工艺参数提供了方法和依据。 旋压技术的水平在很大程度上取决于旋压成形设备, 目前美国和德国在旋压设备的发展及应用上处于领先地位. 旋压设备的生产制造, 比较著名的有德国的莱弗尔得公司、波柯公司, 美国的迪金斯公司、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、产品系列最全的专业旋压机生产厂家之一. 燕山大学是国内最早研究旋压工艺及设备的单位之一。该单位早在20 世纪80 年代就提出了一步无胎冷旋新工艺, 并研制了我国第一台无胎冷旋旋压机和枪管成形旋压机, 获得了成功应用；2005年进行了铝合金车轮立式旋压机的开发, 2006 年末该台旋压机成功地用于我国自行研发的锻造车轮生产线中, 这是我国首台具有cnc 控制的车轮立式旋压机。此外, 近年我国京航空制造工程研究所在总结以往研制经验的基础上, 推出新一代的国产cnc 强力旋压机床, 实现了国产旋压机的升级换代。6.3.2、铝合金轮毂热旋工艺 以“质量接近锻造轮毂, 成本接近铸造轮毂为目标”, 日本在20 世纪90 年代末将旋压工艺用于铸造轮毂坯料的成形加工,开发了铝合金轮毂铸坯热旋压新工艺(以下简称“铸旋新工艺”) .如图所示是采用铸旋新工艺生产汽车轮毂的工艺流程. 该工艺的关键环节在于: 采用低压铸造获得形状和性能合理且能满足外观需求的轮毂铸坯, 紧接着对此铸坯的轮辋部分进一步施加热旋压成形. 该工艺将低压铸造、旋压成形紧密结合于同一热加工过程中, 不仅综合了低压铸造和旋压成形各自的优势, 而且可以获得1+ 1 2的效果. 事实证明, 铸旋新工艺大幅提高了车轮的整体强度和耐腐蚀性, 而机械加工余量大幅减少, 车轮使用寿命和安全性显著提高, 有利于车辆减重节油, 车轮生产成本下降. 铸旋新工艺以其诸多强劲的优势逐渐成为铝合金轮毂加工生产的一个重要发展方向. 2006 年, 燕山大学开发了我国第一台车轮热旋旋压机并成功地应用于车轮生产线;2007 年5 月, 国内第一条车轮铸旋生产线在戴卡轮毂制造有限公司投产, 年生产能力达30万件。 我国的科研工作者通过显微组织观察发现, 热旋压塑性变形可以弥合微细的疏松缺陷, 从而提高了轮毂的力学性能.从热旋压成形工艺需求出发, 对轮毂旋压装备的使用方法进行分析, 提出旋压机的模具润滑方式由毛坯背腔润滑更改为模具表面润滑, 并且采用立式三旋轮120布置方式, 同时增加尾顶和旋轮的驱动装置, 该设计分析为旋压设备的制造及改进趋势指出了方向.通过对简化的铝合金轮毂热旋压工艺进行初步研究, 分析了其成形性和缺陷并进行了相应的数值模拟, 为工艺优化提供了方法和依据.七、 铝合金车轮发展与前景7.1国际铝合金车轮发展现状7.1.1、汽车车轮的全球占有量 作为汽车零部件行业的一部分，汽车轮毂行业的发展与汽车行业发展紧密相关。汽车轮毂需求主要来自oem市场，零售市场相对较少，约占oem市场的1/5。从全球看，汽车行业是个成熟的市场，过去9年（19992005）全球汽车产量的复合增长率（cagr）只有3.6%，2007年全年汽车产量7310万辆，年增长率近年来首次超过5%。到2007年全球铝轮毂的份额超过60%。按照世界汽车总产量及钢轮毂和铝轮毂的配置情况估算，全球汽车轮毂oem市场约为3.4亿只（其中美洲1.2亿只，欧洲1.1亿只，亚太地区1亿只左右），市场价值约80亿美元（其中：铝轮毂约45亿美元，钢制轮毂约35亿美元）。参照全世界汽车产量年均3%增长率，铝轮毂年均6%的增长率，预计2010年世界铝轮毂需求量可达2.38亿只，2020年世界铝轮毂需求量达到3.21亿只。随着发展中国家轿车工业的加速发展以及汽车铝化率不断提高的趋势，铝轮毂国际市场前景广阔。7.1.2、国际铝合金车轮的企业竞争态势 国外的铝合金车轮生产企业原来大都集中在欧洲、美国，日本、德国等发达国家，国际铝合金车轮制造业在20世纪70年代得到快速发展。如北美轻型车铝车轮，1987年只占19%，到2001年已占58.5%；日本轿车装车率超过45%；欧洲超过50%。全球范围看，比较典型的车轮企业有美国的海斯.莱莫斯公司、超级工业国际公司、are公司，德国的罗那公司bbc公司，srs公司，日本的托皮公司，enkett公司、日立、丰田等公司，这些老牌企业很多都是跨国集团公司，随着世界经济结构的调整，他们把生产厂向外转移。铝合金车轮生产已大幅度的向发展中国家转移，特别是亚洲地区，铝合金车轮生产企业已星罗密布，且大都具有相当的规模和水平。欧美的铝轮毂厂家目前都处在破产边缘，如hayes lemmerz 已经在2009年5月11日申请破产，其他企业也面临同样的危机，美国主要是superior 和hayes lemmerz，两家公司度日维艰。最知名的德国bbs，2008年销售额只有不足8千万欧元，下降了40%，亏损巨大。7.2、国内铝合金车轮现状7.2.1、国内铝合金车轮市场占有量 随着我国汽车市场的快速发展，不断引进技术，铝合金车轮的制造和应用也迅猛发展起来。中国现在已成为全世界的汽车铝轮毂制造中心，中国的汽车铝轮毂产量飞速增长，2001年中国汽车铝轮毂出口数量为350万只，2003年度出口近1000 万只，2008年出口达到3500万只，八年时间增长到10倍。2008年国内产量大约3500万只，其中oem销量大约为3000万只，库存大约150万只，售后市场大约150万只。根据近年我国轿车工业及铝轮毂产业发展状况推测，20042010年铝轮毂年均增长率达到20%，零售市场2004年至2010年年均增长率达到5%，出口市场年均增长率达15%，以此计算，2010年汽车铝轮毂的国内总需求量在3800万只左右。7.2.2、国内铝合金车轮企业竞争态势 国内竞争格局对企业的国际竞争力产生重大影响，国内竞争使企业不断更新产品、提高生产效率，形成于之相适应的战略结构，以取得持久独特的优势地位。中国有近百家铝轮毂厂家，但是真正有实力的厂家不多。规模比较大的铝轮毂厂通常都具有外资背景。台资背景的大多以出口为主，并且主要出口日本市场，如六和机械有丰田的股份。港资背景通常都和大企业合作，以oem市场为主攻方向。内资企业大规模的也是主攻oem市场，小的则主攻售后市场。中信戴卡背靠超级大企业中信集团，敢于大规模投入是中信戴卡成功的关键。万丰奥特起步比较早，2006年上市，融资是其发展壮大的强力支持。今飞机械是国企改制而来，资金方面也比较充足，摩托车轮毂所占的比例很大，今飞与印度厂家有合资企业。华泰在2001年起家时也有外资背景，外资在最初的深圳工厂有60%的股份。目前华泰遍地开花，更直接并购国外生产线。立中则背靠拥有铝矿的立中集团，且在新加坡上市，发展潜力巨大。中南铝车轮技术实力强，和日资合作使其在产品品质方面比较优秀。上海友发则是友发集团成员，主攻售后市场，也在新加坡上市。无锡振发是印度尼西亚企业，也在印尼上市。7.3铝合金车轮发展趋势 为了适应汽车更安全、更节能、降低噪声、污染物排放不断加严的要求，铝合金车轮正在向大直径、轻量化、宽轮辋、高强度、更美观等方向发展。以北美铝合金车轮市场为例，在前些年，轮毂直径还是以1314英寸为主，现在的主流市场则是以1516英寸，甚至17英寸。16英寸车轮所占市场份额最大、增长也最快，从1997年占车轮市场38.3%，到1999年上升到45%，2001年已占到57.7%。其次是15、17英寸车轮，占总市场份额分别为27.62%和11.77%。18、19、20英寸大直径车轮市场上也有出