鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉智沖，勾春宇，常海平

( 中信戴卡輪轂制造股份有限公司，河北秦皇島066003)

0 前言

鋁車輪的生產(chǎn)工藝現(xiàn)在主要有兩種，即鑄造工藝和鍛造工藝。目前應(yīng)用最普遍的是鑄造鋁車輪，約占到鋁車輪產(chǎn)品總量的95%。鍛造鋁車輪較鑄造鋁車輪機(jī)械性能更高、重量更輕、抗疲勞性更好，但由于工藝復(fù)雜、設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本高，因而還沒(méi)有得到大面積推廣應(yīng)用。隨著汽車行業(yè)對(duì)輕量、高速、安全、環(huán)保等需求的日益迫切，鍛造鋁車輪在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越受到重視，逐步會(huì)成為高端轎車、載貨卡車、商用客車等的最佳選擇［1-2］。

1 鍛造鋁車輪的材料

一般來(lái)說(shuō)，所有的變形鋁合金都可用于鍛造，但由于車輪鍛件以強(qiáng)度為主要指標(biāo)，所以鋁車輪宜選用高強(qiáng)度、易熱處理的形變鋁合金，比如6061、6082 等，其化學(xué)成分如表1 所示。

鍛造鋁車輪的毛坯一般采用直徑為8 寸(26.7 cm) 或其他規(guī)格的鑄棒，使用前需對(duì)坯料的尺寸、重量、化學(xué)成分、顯微組織、外觀質(zhì)量、含氫量等進(jìn)行檢查，尤其注意要盡可能地減少材料中的金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)的有害作用。6061 合金中的有害金屬雜質(zhì)主要是Fe，F(xiàn)e 在該合金中形成FeAl3，對(duì)性能有害，特別是對(duì)延伸率影響較大; 非金屬雜質(zhì)主要是氫和氧化膜，其來(lái)源之一是精煉氣體中的水分，因?yàn)樗c鋁會(huì)發(fā)生反應(yīng)，如有氫和氧化膜存在，熱處理固溶后產(chǎn)品探傷會(huì)不合格，另外，它們對(duì)性能的危害也很大，會(huì)顯著降低延伸率［3］。

表1 鍛造鋁車輪材料6061、6082 的化學(xué)成分%

2 鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝

鋁車輪的鍛造成形是盤狀或棒狀的鑄態(tài)坯料(圖1) 在熱狀態(tài)下進(jìn)行塑性變形的過(guò)程，與低壓鑄造相比，生產(chǎn)工藝有著明顯的差異。

鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝流程一般為：

制坯→鍛造→旋壓→熱處理→機(jī)加工→涂裝

(1) 制坯： 鍛造鋁車輪生產(chǎn)工藝的首要工序是制坯，利用擺動(dòng)碾壓(旋轉(zhuǎn)鍛造) 技術(shù)，將圓柱棒料制成餅狀料，如圖2所示，為后續(xù)的鍛造成形提供合適的坯料。

擺動(dòng)碾壓技術(shù)是利用一個(gè)帶圓錐的上模對(duì)毛坯局部加工，通過(guò)向旋轉(zhuǎn)的毛坯施加一個(gè)傾斜力實(shí)現(xiàn)成型，這種方式可以在保證效率的前提下大幅度減少能量消耗，擺動(dòng)碾壓可以在250 t的壓力下完成3 000 t 以上的普通壓力機(jī)的工作，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種方式可以將棒料內(nèi)部的材料均勻地分布到毛坯的表面，形成獨(dú)特的螺旋形金屬流線，從而提高鍛造工序的整體表面和性能質(zhì)量。制坯棒料初始溫度可設(shè)定為500 ℃以上，模具預(yù)熱溫度約在450 ℃。

(2) 鍛造： 鍛造工序是將經(jīng)過(guò)高溫預(yù)熱的制坯后毛坯，經(jīng)過(guò)壓力機(jī)鍛造成形車輪的旋壓前毛坯，主要是將車輪的輪輻和窗口部位鍛造成形，如圖3 所示。壓力機(jī)一般需根據(jù)車輪成形所需壓力的不同，選擇4 000 噸或更高噸位的設(shè)備，如圖4所示。

根據(jù)車輪成形難易程度的不同，鍛造工序需考慮鍛造的次數(shù)，即在一臺(tái)壓力機(jī)上進(jìn)行幾次鍛造或在2 臺(tái)壓力機(jī)上進(jìn)行初鍛、終鍛等。6061 鋁合金的過(guò)燒溫度為590 ℃左右，考慮加熱爐的溫差為±20 ℃，鍛造毛坯的溫度需控制在約500 ℃。為防止固溶加熱過(guò)程中產(chǎn)生大晶粒，終鍛溫度一般控制在450 ℃以下。鍛造模具的材料一般選用H13，模具溫度需控制在約400 ℃。

(3) 旋壓： 因?yàn)檐囕啽旧斫Y(jié)構(gòu)原因，車輪的輪輞部位很難鍛造成形，需要靠后續(xù)的旋壓工藝成形。旋壓工序是將鍛造成形毛坯的短粗輪輞部位加工成形為車輪最終輪輞結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

旋壓設(shè)備一般選用立式三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)，也可選用臥式旋壓機(jī)。如圖6 所示為德國(guó)的立式三旋輪強(qiáng)力車輪旋壓機(jī)，此旋壓機(jī)的旋輪頭可正、負(fù)雙向較高速工作進(jìn)給，在一個(gè)工步可完成粗旋和精整過(guò)程，輔助工序少，配套上下料機(jī)器人、周轉(zhuǎn)帶，是鍛造鋁車輪規(guī)模化生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，生產(chǎn)質(zhì)量及效率都很高。根據(jù)輪輞成形難易的不同，可采用冷旋或熱旋工藝。

通過(guò)旋壓工藝，可得到更高的材料致密性，明顯增強(qiáng)力學(xué)性能。可將鋁車輪的輪輞厚度從4.0 ～6.0 mm (鑄造鋁車輪)減薄至2.7 ～3.0 mm (鍛造旋壓鋁車輪)。

(4) 熱處理： 熱處理是通過(guò)對(duì)毛坯在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻來(lái)改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需機(jī)械性能的一種工藝方法。

鍛造鋁車輪一般采用T6 熱處理工藝，即先固溶處理，再進(jìn)行人工時(shí)效。采用該工藝可以使6061 鍛造鋁車輪各部位的抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到350 MPa 以上。實(shí)際操作時(shí)，一方面提高固溶溫度，使強(qiáng)化相Mg2Si 在固溶處理中充分溶解，同時(shí)也相應(yīng)提高人工時(shí)效溫度，使Mg2Si 沉淀析出，以獲得最大強(qiáng)化效果。

(5) 切削加工： 旋壓后的車輪毛坯的內(nèi)外表面需通過(guò)CNC車床進(jìn)行切削加工，螺栓孔、氣門孔等需通過(guò)立式加工中心進(jìn)行加工。鋁車輪切削加工所需的CNC 車床和立式加工中心均為加工車輪的專用設(shè)備，如圖8、9 所示。

(6) 表面處理： 鋁車輪的表面處理工藝分為全涂裝、拋光、電鍍、精車等。

全涂裝生產(chǎn)線，設(shè)備多，投資大，但生產(chǎn)效率很高，適合大批量規(guī)模化生產(chǎn)，如圖10 所示。全涂裝是鋁車輪采用最多的一種表面處理工藝，是指車輪在自動(dòng)生產(chǎn)線上采用高壓靜電噴槍和高速旋轉(zhuǎn)噴槍進(jìn)行噴涂，其涂層厚度和色彩光澤均勻，表面質(zhì)量好且節(jié)省涂料，如圖11 所示。涂料需采用客戶認(rèn)可的環(huán)保型粉質(zhì)和水性涂料。車輪在噴涂前進(jìn)行預(yù)處理，使之形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，這樣可以提高涂料的附著性能，預(yù)處理是采用環(huán)保型的無(wú)鉻處理。

鍛造鋁車輪推薦采用拋光工藝。因?yàn)殄懺熹X合金組織致密，表面質(zhì)量?jī)?yōu)越，拋光后能達(dá)到與電鍍媲美的外觀效果，同時(shí)還可避免電鍍對(duì)環(huán)境的污染，如圖12 所示。

3 鍛造鋁車輪的優(yōu)點(diǎn)

鍛造鋁車輪的品質(zhì)是所有鋁車輪制造工藝中最好的，鍛造鋁車輪有著高密度的金屬晶體組織和良好的機(jī)械性能，重量輕、強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好。

(1) 機(jī)械性能好，和鑄造鋁車輪相比，強(qiáng)度可提高約60%，延伸率提高約2 倍，如表2 所示。

鍛造鋁車輪的承載能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)證明，鍛造鋁車輪在承受72 000 kg 才變形5 cm，鐵車輪只承受14 000 kg 后已變形5 cm，換句話說(shuō)，鍛造鋁車輪的強(qiáng)度超越鐵車輪的5 倍。

鍛造鋁車輪的剛性好，不易造成輪胎偏磨。按日本輕金屬協(xié)會(huì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，模擬一輛貨車以時(shí)速50 km/h 撞向路邊石塊。結(jié)果，鍛造鋁車輪經(jīng)過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)基本沒(méi)有損壞; 而鐵車輪損壞程度非常嚴(yán)重而不能夠使用。

表2 鍛造和鑄造鋁車輪的性能比較

(2) 重量輕，省油、起步快、制動(dòng)效果好。相同規(guī)格的鍛造鋁車輪質(zhì)量比鑄造鋁車輪輕約20%，比鐵車輪輕約50%，如表3 所示。

表3 幾種車輪的質(zhì)量比較

根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)，一般情況下汽車每減少10%的質(zhì)量，其燃油消耗便可降低6% ～8%。由于鍛造鋁車輪重量輕的特性，安裝后行車感覺(jué)方向較輕，高速行駛特別平穩(wěn); 同時(shí)，起步快、剎車輕、制動(dòng)效果好，從而提高了駕駛舒適性。

(3) 散熱快，不宜爆胎、延長(zhǎng)輪胎和剎車系統(tǒng)使用壽命。對(duì)于高速行駛的汽車來(lái)說(shuō)，因輪胎著地摩擦、制動(dòng)等產(chǎn)生的高溫爆胎、制動(dòng)效能降低等現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

鍛造鋁車輪的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋼鐵的3 倍，加上鋁車輪因其結(jié)構(gòu)的特征，極易將輪胎、車底盤所產(chǎn)生的熱量排散在空氣中。即使在長(zhǎng)途高速行駛或下坡路連續(xù)剎車的情況下，亦能使汽車保持適當(dāng)?shù)臏囟冉档捅ヂ?。鍛造鋁車輪正常行駛時(shí)溫度比鐵車輪低20 ～30 ℃，輪胎在低溫狀態(tài)下可降低磨損26%，使每條輪胎多跑3 ～5 萬(wàn)公里不等。另外，由于車輪行駛溫度低，所以對(duì)剎車系統(tǒng)不耐高溫的材料及配件有極佳的保護(hù)效果，從而大大降低了剎車系統(tǒng)的維修費(fèi)用。

(4) 真圓度高，駕駛平穩(wěn)、舒適。鍛造鋁車輪是一體鍛造成型后，通過(guò)CNC 車床加工完成，真圓度不到0.1 mm，高速行駛不會(huì)產(chǎn)生顫抖。而鋼輪由鋼板卷曲焊接而成，圓度誤差在1 mm 以上。鍛造鋁車輪質(zhì)地均勻，動(dòng)平衡在50 g 以下，而鋼車輪的動(dòng)平衡大大超過(guò)了這個(gè)數(shù)字。因此，鍛造鋁車輪能更好地與車軸相連接，減少在行駛時(shí)的擺動(dòng)和跳動(dòng)，使行駛過(guò)程更加平穩(wěn)舒適，并能夠節(jié)省燃油消耗和延長(zhǎng)輪胎壽命。

(5) 漂亮美觀。鍛造鋁車輪可根據(jù)不同的風(fēng)格要求，鍛造出不同的輪輻窗口形狀，且鍛造表面質(zhì)量好，易于處理。同鋼鐵車輪相比，經(jīng)過(guò)全涂裝或拋光、電鍍等工藝處理后的鍛造鋁車輪表面，具有高貴的風(fēng)范和氣質(zhì)，可明顯提高整車的美感，如圖13 所示。

4 鍛造鋁車輪的應(yīng)用現(xiàn)狀

鍛造鋁車輪最早是由美國(guó)鋁業(yè)在1948 年發(fā)明的，并在以后的近60 年間不斷改進(jìn)和提高其性能。目前美國(guó)鋁業(yè)是鍛造鋁車輪的全球領(lǐng)導(dǎo)者，擁有最多的產(chǎn)品規(guī)格，為主要原配車廠和車隊(duì)用戶配套，在全球商用車輛鋁車輪市場(chǎng)的占有率超過(guò)75%。

在國(guó)外，鍛造鋁車輪在載貨卡車、商用客車、高端轎車、摩托車等車上的應(yīng)用非常廣泛。在美洲，商用車上鍛造鋁車輪的配裝率非常高，巴西、美國(guó)、加拿大等國(guó)都是鍛造鋁車輪需求大國(guó)。整車企業(yè)通用、福特、克萊斯勒等都已經(jīng)在其生產(chǎn)的高端轎車、輕型皮卡等車型上普遍使用鍛造鋁車輪。在歐洲，Otto fuchs 公司生產(chǎn)的鍛造鋁車輪已普通應(yīng)用在奧迪、寶馬、奔馳、保時(shí)捷等的高端轎車、跑車上，沃爾沃、戴姆勒、雷諾等企業(yè)的載貨汽車、掛車以及大客車上也裝配了鍛造鋁車輪，但裝配比例小于美國(guó)。在亞洲一些國(guó)家，比如日本、韓國(guó)等近些年鍛造鋁車輪的裝配率也在提高。如圖14 所示。

在國(guó)內(nèi)，鍛造鋁車輪的應(yīng)用還處在起步階段。最近幾年，東風(fēng)、一汽解放、廈門金龍、中通客車等商用車企業(yè)開(kāi)始裝配鍛造鋁合金車輪。

和鍛造鋁車輪的應(yīng)用相比，國(guó)內(nèi)鍛造鋁車輪的生產(chǎn)企業(yè)近些年發(fā)展較快。中信戴卡公司分別在2004 年5 月、2005 年10月投資近6 億元，建成亞洲第一條、第二條全自動(dòng)鍛造鋁車輪生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力可達(dá)60 萬(wàn)件，產(chǎn)品種類包括轎車輪、摩托車輪、商用車輪等，為通用、福特、奧迪、標(biāo)致等汽車廠配套如圖15 ～17 所示，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鍛造鋁車輪的企業(yè)還有浙江宏鑫、萬(wàn)豐奧特、臺(tái)灣巧新等［4-5］。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和鍛造鋁車輪生產(chǎn)工藝的不斷成熟進(jìn)步，現(xiàn)在，鍛造鋁車輪應(yīng)用到越來(lái)越多的車型上，比如油罐車、消防車、水泥攪拌運(yùn)輸車、軍車等，如圖18 所示。

最近，美國(guó)鋁業(yè)又開(kāi)發(fā)出了大型寬胎商用車輪，可用一個(gè)車輪替代原來(lái)的雙輪雙胎，大大減輕整車質(zhì)量和油耗。

5 結(jié)論

鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、投資大、制造成本高，因此，鍛造鋁車輪的應(yīng)用在國(guó)外也僅僅處于起步階段，在國(guó)內(nèi)更是基本上一片空白。但是基于鍛造鋁車輪的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)論從安全、舒適、節(jié)能的角度，還是國(guó)家強(qiáng)制性法律法規(guī)來(lái)看，采用鍛造鋁車輪的意義和優(yōu)勢(shì)已越來(lái)越明顯，鍛造鋁車輪將會(huì)有巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。

【1】王祝堂.鋁合金車輪工業(yè)的發(fā)展［J］.輕合金加工技術(shù)，1994，22(3) ：17-18.

【2】鄭祥健，金龍兵，王國(guó)軍，等. 鋁合金輪轂的生產(chǎn)和市場(chǎng)現(xiàn)狀［J］.輕合金加工技術(shù)，2004(7) ：8 -11.

【3】陸斌.鍛造鋁合金車輪推動(dòng)商用車輕量化進(jìn)程［J］. 現(xiàn)代零部件，2010(6) ：6.

【4】史自力. 中國(guó)汽車鋁車輪行業(yè)發(fā)展前景分析［J］. 經(jīng)濟(jì)經(jīng)緯，2004(3) ：61-64.

【5】TSUMURA Kazuo，UEKI Naoshige，NEMOTA Nobuyuki. Development of one piece forged aluminum wheels for passenger cars［J］.Sumitomo Metals，1991，43(5) ：72-81.