壓鑄工藝學(xué)習(xí) 汽車鋁合金壓鑄輪轂成形工藝

輪轂是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件之一，也是一種要求較高的保安件。與鋼制汽車輪轂相比，鋁合金壓鑄汽車輪轂具有如下優(yōu)點：

重量輕，可比鋼制車輪轂重量減輕30%～40%，而據(jù)有關(guān)資料介紹，汽車的質(zhì)量每減少1%，其耗油量將降低0.6%～1%；

減震性能好，吸收沖擊能量強，從而可以改善車輛的行駛性能，提高安全性；導(dǎo)熱性好，熱導(dǎo)率約為鋼的3倍，可以降低輪胎的工作溫度，提高輪胎的使用壽命；

外形美觀，采用不同工藝生產(chǎn)鋁合金壓鑄輪轂的結(jié)構(gòu)可以多樣化，可以很好地滿足各類使用者的審美要求。

鋁合金壓鑄輪轂的成形方法有很多，主要可分為鑄造法和鍛造法。轎車鋁輪轂?zāi)壳岸嘤玫蛪鸿T造工藝成形，為了提高其性能，現(xiàn)在有向擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）成形、半固態(tài)模鍛成形方向發(fā)展的趨勢。由于鑄造法生產(chǎn)鋁合金壓鑄輪轂具有適應(yīng)性強、花色品種多樣、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點，鑄造法仍是生產(chǎn)鋁合金壓鑄輪轂最普遍的方法，在目前全世界生產(chǎn)的鋁合金壓鑄輪轂中，鑄造的占80%以上。

一、鑄造法

1金屬型重力鑄造法

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鋁合金壓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，因而鋁合金壓鑄件比砂型鑄造的組織致密，該法工序簡單，生產(chǎn)效率高，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本較低，適用于中小規(guī)模生產(chǎn)。但此方法生產(chǎn)的鋁合金壓鑄輪轂內(nèi)部質(zhì)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。國外鋁合金壓鑄輪轂生產(chǎn)此工藝已趨于淘汰，但國內(nèi)有一些廠家仍在采用此工藝。

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(tǒng)平穩(wěn)地上壓到鑄造機模具型腔中，保持一定壓力（一般為20～60kPa）直到鋁合金壓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，鋁合金壓鑄件縮松少，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(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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%～60%。目前低壓鑄造已成為鋁合金壓鑄輪轂生產(chǎn)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Wiru廠和Amcast工業(yè)有限公司的Wheel Tek分公司等均采用此工藝生產(chǎn)鋁合金壓鑄輪轂，國內(nèi)的鋁合金壓鑄輪轂制造企業(yè)多數(shù)也采用此工藝生產(chǎn)，現(xiàn)有數(shù)十家企業(yè)用低壓鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金壓鑄汽車及摩托車輪轂。低壓鑄造法的缺點是鑄造時間較長，加鋁料、換模具費時間，設(shè)備投資大，低壓鑄造機使用的升液管成本較高且易損壞。

3壓力鑄造法

壓力鑄造的實質(zhì)是使液態(tài)金屬在高壓作用下以極高的速度充填型腔，并在壓力作用下凝固而獲得鋁合金壓鑄件的一種方法。采用壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金壓鑄件組織致密，機械性能好，強度和表面硬度較高，鋁合金壓鑄件的尺寸精確、表面光潔。但傳統(tǒng)壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金壓鑄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，型腔中的氣體很難完全排除，常以氣孔形式存留在鑄件中，這些鋁合金壓鑄件孔隙中的氣體在熱處理過程中會發(fā)生膨脹，使得鋁合金壓鑄件“起泡”。為使鋁合金壓鑄件也能適用于汽車保安件，近年來出現(xiàn)了一些無氣孔壓鑄新工藝，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(nèi)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(dāng)液體金屬充填時，一方面通過排氣槽排出氧氣，另一方面噴散的鋁液與未排出的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鋁小微粒，分散在鋁合金壓鑄件內(nèi)部，使鋁合金壓鑄件內(nèi)不產(chǎn)生氣孔。用充氧壓鑄法生產(chǎn)的鋁合金壓鑄件，含氣量為只有普通壓鑄法的1/10，可進行固溶處理和焊接。與傳統(tǒng)壓鑄法相比，充氧壓鑄的鋁合金壓鑄輪轂具有成品率高，組織致密，良好的拉伸強度和耐疲勞性能等優(yōu)點。國外該方法已廣泛用于鋁合金壓鑄輪轂的生產(chǎn)，日本輕金屬株式會社于1983年開始用此方法大批量生產(chǎn)轎車鋁合金壓鑄輪轂，較采用其它鑄造方法生產(chǎn)的同類產(chǎn)品重量減少了15%，機加工切削量由原來的2～3mm減少到0.75mm，輪轂價格降低了10%。美國鑄鍛公司于1982年開始用充氧壓鑄法生產(chǎn)汽車鋁合金壓鑄輪轂，代替了原來的低壓鑄造法，并使鋁輪轂的重量減輕了18%。由于有較高的機械性能和較輕的重量，充氧壓鑄鋁輪轂用于緊急救援車和高級車輛是十分理想的。

4擠壓鑄造法

擠壓鑄造也稱為液態(tài)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(nèi)，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(jié)晶凝固，并在結(jié)晶過程中產(chǎn)生一定量的塑性變形。擠壓鑄造充型平穩(wěn)，沒有湍流和不包卷氣體，金屬直接在壓力下結(jié)晶凝固，所以鑄件不會產(chǎn)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(chǎn)品既有接近鍛件的優(yōu)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。擠壓鑄造特別適合于生產(chǎn)汽車工業(yè)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(chǎn)的產(chǎn)品雖能滿足使用要求，但整體質(zhì)量比擠壓鑄造鋁輪轂相差一個檔次。日本已有相當(dāng)部分的汽車鋁輪轂采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)，豐田汽車公司擁有十幾臺全自動擠壓鑄造設(shè)備，每臺設(shè)備不到2min即可生產(chǎn)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(nèi)也在廣東建造了一個現(xiàn)代化的擠壓鑄造汽車鋁合金輪轂廠，已生產(chǎn)多種規(guī)格和型號的汽車鋁輪轂，經(jīng)鑒定產(chǎn)品質(zhì)量達到了國外同類產(chǎn)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(chǎn)的方向之一。

二、鍛造法

1常規(guī)鍛造法

鍛造是鋁輪轂應(yīng)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(yōu)點，一般情況其重量僅相當(dāng)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(yōu)于鑄造鋁輪轂。同時，性能具有很好地再現(xiàn)性，幾乎每個輪轂具有同樣的力學(xué)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(yīng)力。通常鑄造輪轂具有相當(dāng)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(jié)合牢靠，而且色彩也好。鍛造鋁輪轂的最大缺點是生產(chǎn)工序多，生產(chǎn)成本比鑄造的高得多。

2鑄造鍛造法

針對常規(guī)鍛造工序多，成本高的問題，近年來出現(xiàn)了一種稱為鑄造鍛造的復(fù)合成形技術(shù)，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(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的力學(xué)性能比鑄件大大提高，同時又充分發(fā)揮了鑄造工藝在成形復(fù)雜件方面的優(yōu)勢，使形狀復(fù)雜的產(chǎn)品鍛造工序減少，材料利用率大大提高，生產(chǎn)成本降低。用鑄造鍛造技術(shù)生產(chǎn)鋁輪轂，其性能完全可以達到鍛件的力學(xué)性能指標，但生產(chǎn)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(yīng)用到批量生產(chǎn)中以來，已被多家日本公司采用，經(jīng)濟效果良好。國內(nèi)在鑄造鍛造成形工藝方面雖有一些研究和應(yīng)用，但還未見應(yīng)用到鋁輪轂的生產(chǎn)中的報道。

３半固態(tài)模鍛工藝

在金屬凝固過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達到20%左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在金屬凝固過程中施以強烈攪拌，可使常規(guī)凝固時易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而成為分散的顆粒懸浮在剩余液相中，這種經(jīng)攪動制備的合金一般稱為非枝晶半固態(tài)坯料，這種半固態(tài)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(guī)的成形工藝如壓鑄、模鍛、擠壓等實現(xiàn)金屬的成形，這就是20世紀70年代初由美國麻省理工學(xué)院M.C.Flemings教授等開發(fā)出的一種新型的金屬加工工藝半固態(tài)金屬成形工藝。所謂半固態(tài)模鍛，就是將半固態(tài)坯料加熱到有50%左右體積液相的半固態(tài)狀態(tài)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(tài)成形和液態(tài)成形之間的嶄新工藝。半固態(tài)模鍛具有許多獨特的優(yōu)點：零件在模內(nèi)收縮較小，易于近終化成形，機械加工量減少；半固態(tài)模鍛件表面平整光滑、內(nèi)部組織致密，晶粒細小，力學(xué)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(guī)鑄件中的少得多；成形溫度低，模具壽命長。近10年來，半固態(tài)成形技術(shù)在國外獲得了廣泛的應(yīng)用，已逐步成為各先進工業(yè)國家競相發(fā)展的一個新領(lǐng)域，被專家學(xué)者稱為21世紀新一代新興的金屬成形技術(shù)。預(yù)計在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，半固態(tài)成形的主要市場是汽車工業(yè)，應(yīng)用最成功和最廣泛的是汽車鋁合金零件。美國已建成數(shù)家鋁合金半固態(tài)模鍛工廠，其中美國的AEMP（Alumax EngineeredMetal Process）公司與Superior工業(yè)公司合作于1992年在阿肯色州建成了全球首家半固態(tài)模鍛鋁合金汽車輪轂廠。用半固態(tài)模鍛代替低壓鑄造生產(chǎn)ZL101鋁合金車輪轂，不僅能減少機械加工量和提高生產(chǎn)率，而且還可以提高機械性能，減輕質(zhì)量。國內(nèi)對這種技術(shù)的研究起步較晚，雖然也有一些研究成果報道，但實際應(yīng)用得很少。半固態(tài)模鍛鋁合金輪轂是一項高新技術(shù)，有一系列的優(yōu)點，期待國內(nèi)在新建的鋁輪轂廠中，能有一個半固態(tài)模鍛廠，以提高國產(chǎn)汽車在國際市場上的競爭能力。

三、結(jié)語

提高鋁合金壓鑄模具設(shè)計與制造水平是改善產(chǎn)品質(zhì)量和增強市場競爭力之關(guān)鍵所在，而數(shù)值模擬技術(shù)在鋁合金壓鑄模具設(shè)計優(yōu)化中起著十分重要的作用。國內(nèi)外同行借助數(shù)值模擬方法對優(yōu)化鋁合金壓鑄模具（包括擠壓過程和擠壓工藝）進行了有益嘗試，取得了不少科研和應(yīng)用成果，這種動向值得注意。盡快把最新的有限元分析技術(shù)應(yīng)用到整個鋁合金壓鑄模具設(shè)計與制造過程中，讓更多的模具工程師掌握這種優(yōu)化設(shè)計方法，以提高我國鋁合金壓鑄行業(yè)及其模具制造業(yè)的市場競爭力。