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铝合金轮毂生产工艺及其优点

时间：2015-11-06 星期五来源：中国铝加工网作者：管理员 http://www.alu365.com

　　轮毂，别名轮圈，即轮胎内廓用以支撑轮胎的圆桶形、中心装配在轴上的部件。常见的汽车轮毂有钢质轮毂及铝合金质轮毂。钢质轮毂的强度高，常用于大型载重汽车；但钢质轮毂质量重，外形单一，不符合如今低碳、时尚的理念，正逐渐被铝合金轮毂替代。
　　市场上的轮毂按照材质可以分为钢轮毂和合金轮毂两大类。钢质轮毂最主要的优点就是制造工艺简单，成本相对较低，而且抗金属疲劳的能力很强，也就是我们俗称的便宜又结实。但钢质轮毂的缺点也相对比较突出就是外观丑陋，重量较大，惯性阻力大，散热性也比较差，而且非常容易生锈。相对来说，合金材质轮毂正好可以弥补这样的问题，较轻的重量，惯性阻力小，制作精度高，在高速转动时的变形小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少油耗。合金材质的导热性能是钢的三倍左右，散热性好，对于车辆的制动系、轮胎和制动系统的热衰减都能起到一定的作用。
　　市场上的原厂车的合金轮毂都以铝合金为主。
　　与钢质汽车轮毂相比，铝合金轮毂的优点有哪些？
　　1、省油。平均每个铝合金轮毂比相同尺寸的钢轮毂轻2kg，一台轿车用5个便省了不起10kg重量。根据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约或节省20L汽油。而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂贵，但每辆汽车跑到2万km时，其所节省的燃料费便足吣抵回成本。
　　2、增加发动机寿命。发动机负荷与发动机的寿命呈负相关，负荷越大寿命越短。因铝合金轮毂比钢轮毂轻，所以可以延长发动机寿命。
　　3、散热好。铝合金的热传导系数为钢的3倍，散热效果好。长途高速行驶之时，也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。
　　4、精度高。铝合金轮毂的真圆精度高达0.05mm，运转平衡性能佳，有利于消除方向盘抖动现象。
　　5、坚固耐用。铝合金轮毂抗冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要的角色原因之一。
　　6、美观。一般钢轮毂因生产所限，形式单调呆板，缺乏变化；铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美感。
　　铝合金轮毂生产工艺
　　重力铸造
　　金属型重力铸造是指在常压下，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，这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，生产效率高，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。大部分整车厂现已拒绝该工艺生产的车轮，在铝轮毂制造行业有逐渐被边缘化的趋势。
　　低压铸造
　　低压铸造是将铸型放在一个密闭的炉子上面，型腔的下面用一个管(叫升液管)和炉膛里的金属液相通。如果在炉膛中金属液面上加入带压力的空气，金属液会从升液管中流入型腔。待金属液凝固以后，将炉膛中的压缩空气释放，未凝固的金属从升液管中流回到炉中。控制流入炉膛空气的压力、速度,就可以控制金属流入型腔中的速度和压力，并能让金属在压力下结晶凝固。这种工艺特点是铸件在压力下结晶，组织致密，机械性能好，金属利用率高。
　　低压铸造工艺目前在中国大陆已经相当成熟，适合少人化生产管理，已经被所有整车厂认可是当前中国大陆铝合金轮毂制造业的主流工艺，产品主要销往OEM和海外零售市场。
　　采用低压铸造工艺制造的铝合金轮毂，由于轮辐是最后冷却凝固的，所以部分特殊造型轮毂的轮辐易出现缩松等质量问题，而轮辋部分由于最早结晶则强度较好。
　　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，机械性能比低压铸造件高。产品既有接近锻件的优良机械性能，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。缺点是液态模锻的产品与传统锻造产品一样，需要铣削加工来完成轮辐的造型。
　　日本已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产，丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备，每台设备不到2min即可生产一件铝轮毂，从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制，自动化程度非常高。国内也在广东建造了一个现代化的挤压铸造汽车铝合金轮毂厂，已生产多种规格和型号的汽车铝轮毂，经鉴定产品质量达到了国外同类产品先进水平。目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮毂生产的方向之一。
　　铸造旋压
　　铸旋分“低压铸造+旋压”和“重力铸造+旋压”两种工艺。目前韩系车企对铝轮毂的成型工艺有全面采用“低压铸造+旋压”的趋势，其它车系也有部分产品对此工艺有需求，该工艺是铸旋工艺中的主流工艺，做OEM产品的企业大部分都是采用的这种工艺；同时还有少部分做海外零售市场的企业采用“重力铸造+旋压”的工艺，从理论上讲这种工艺是行的通的，它真正把重力铸造和旋压两种工艺的长处结合到了一起，产品品质得到了提升，但是由于毛坯是重力铸造工艺生产的，因此这种工艺的经济性非常不好，生产成本很高。总之，铸旋的产品，由于轮辐部分是铸造出来的，它具有与铸造工艺生产出来的产品具有相同的优缺点；而轮辋部分是旋压出来的，因此气密性较好。铸旋产品理论上可以减重，但实际应用上效果不明显。
　　常规锻造
　　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。
　　铸造锻造法
　　它是将铸件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工的方法。由于将锻造作为零件最终成形的工序，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，同时又充分发挥了铸造工艺在成形复杂件方面的优势，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。用铸造锻造技术生产铝轮毂，其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，但生产成本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。目前大陆只有少数几个企业（主要在台湾六和系统）在采用这种工艺，设备和技术来自保加利亚。
　　半固态模锻工艺
　　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，其中美国的AEMP（Alumax Enginered metal Process）公司与Superior工业公司合作于1992年在阿肯色州建成了全球首家半固态模锻铝合金汽车轮毂厂。用半固态模锻代替低压铸造生产ZL101铝合金车轮毂，不仅能减少机械加工量和提高生产率，而且还可以提高机械性能，减轻质量。
　　锻造旋压
　　比较高端的成形工艺，目前国内只有10%左右企业采用该工艺进行生产，产品主要供应国内外的大巴、货车及高端轿车市场。优点是产品内在质量好、产品强度高质量轻；缺点是设备造价高，传统锻造工艺制造的产品轮辐造型只能靠铣削加工来完成，金属利用率低且生产效率也不高。锻造分传统锻造和碾锻，碾锻可以直接锻出轮辐的造型。