汽車鋁合金輪轂鑄造工藝研究

汽車鋁合金輪轂鑄造工藝研究

徐寧

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福州350003)

摘要：結(jié)合汽車輪轂的鑄造工藝實際情況，從合金材料選擇、加壓參數(shù)確定、澆鑄尺寸確定、熱處理變形控制和物理指標(biāo)控制等方面分析汽車輪轂的金屬模鑄造工藝，總結(jié)汽車輪轂鑄造過程中的工藝優(yōu)化和提高鋁合金輪轂的機(jī)械性能的途徑。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂；鑄造工藝；汽車配件；變形控制；物理指標(biāo)

收稿日期:2014-11-26

基金項目:福建省科技廳重點項目(2011H0007)

作者簡介:徐寧(1959-)，男 ，湖南長沙人，副教授，主要從事機(jī)械制造技術(shù)方面的研究。

中圖分類號：U463.343文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金部件逐步在汽車制造、飛機(jī)制造等機(jī)械制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，隨著汽車工業(yè)輕量化進(jìn)程的發(fā)展，汽車鋁合金輪轂的研究成為了汽車工業(yè)的重要內(nèi)容，但是由于對部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸多樣，鋁合金輪轂的鑄造由于在澆注時熱量分布、大尺寸部件的組合型芯精度難以控制，鑄件內(nèi)部質(zhì)量和表面精度一直是阻礙鋁合金輪轂發(fā)展的難題。

1鋁合金輪轂在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

1.1汽車鋁合金輪轂的成型方法分析

汽車零部件的應(yīng)用，包括汽缸蓋，輪轂，進(jìn)氣歧管，汽缸蓋罩，油底殼，發(fā)動機(jī)置掛支架，齒輪室和齒輪室蓋等產(chǎn)品。由于輪轂的結(jié)構(gòu)和種類較多，不同車型和精度要求不同，汽車輪轂的成型方法也在不斷發(fā)展，比如：鍛造法、鑄造法、擠壓鑄造成型(液態(tài)模鍛)以及半固態(tài)模鍛成型等工藝，隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，汽車輪轂的制造也在由過去的低壓鑄造為主，逐漸的向擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造的方向發(fā)展[1]。

1.2鋁合金輪轂的鑄造工藝及工藝條件確定

鋁合金汽車輪轂的工藝管理流程為：

鑄件工藝分析→繪制鑄件圖→設(shè)計工裝模具→制造工裝模具→鑄件的澆注及熱處理→鑄件檢驗→交付鑄件并進(jìn)行試加工→根據(jù)試加工結(jié)論進(jìn)行模具修整→試生產(chǎn)→全面質(zhì)量評審→工藝文件定型→總結(jié)歸檔

鑄造工藝成型一般為：

配料準(zhǔn)備→制造毛坯→熱處理→機(jī)加工→噴涂→檢驗包裝。

圖1　奧迪A6 18″汽車鋁合金輪轂

2汽車用鋁合金輪轂鑄造工藝控制分析

本次工藝分析以奧迪A6 18″鋁合金輪轂的鑄造為例進(jìn)行工藝分析，輪轂外形尺寸為：18″×8″、ET45、PCD為5-112、CB 66.5。最大外徑420mm，中心部位壁厚10-30mm，其他部位壁厚8.0-9.5mm，重量為5.65kg，三維實體如圖1所示。

2.1部件指標(biāo)分析

根據(jù)設(shè)計要求，鑄件技術(shù)指標(biāo)如下[2]：

1)鑄件按HB 963-2001中Ⅲ類要求驗收，指定部位按Ⅱ類要求驗收；

2)鑄件熱處理狀態(tài)為HB 5446-1990中T5；

3)材料化學(xué)成分為ZL205A鋁合金；

4)熱處理后力學(xué)性能為σb≥460MPa，δ5≥7%；

5)鑄件應(yīng)逐件尺寸檢查，在保證加工面不小于1mm加工量的前提下按HB6103中規(guī)定CT11級驗收，大于300mm尺寸按CT12級驗收。

2.2澆鑄方法選取

對比各類輪轂制造工藝，根據(jù)成本控制和精度要求來說，目前普遍選用的低壓鑄造法已成為最為經(jīng)濟(jì)和符合輪轂精度要求的鋁合金輪轂生產(chǎn)鑄造方法。我們在生產(chǎn)中用干燥、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(jī)模具型腔中，保持一定壓力(20～60kPa)直到鑄件凝固后釋放壓力。此工藝在壓力下充型和凝固，所以充填性好，鑄件縮松少，致密性高。

2.3材料及合金配比參數(shù)選擇

鑄造材料選擇按照項目需要優(yōu)選了最佳產(chǎn)品和技術(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　配套原材料清單

在目前高強度鋁合金中，以Al-Cu-Mn系高強度鑄造鋁合金是最佳選擇，項目中設(shè)計的鋁合金就是選用這種鋁合金工藝配比，同時根據(jù)需要添加了Ti、Cd、Zr、V、B等元素，具體成分配比如表2所示。

表2　ZL205A合金化學(xué)成分(%)

通過上述合金配比優(yōu)化，使鋁合金具有強度高、塑性好、硬度高、機(jī)械加工性優(yōu)良、表面處理性好等優(yōu)點，經(jīng)熱處理后，具有良好的力學(xué)性能，完全符合汽車輪轂的高性能要求。

2.4澆筑尺寸的確定

輪轂尺寸的確定是輪轂成型的重要工序，輪轂鑄造模具是典型的金屬型型腔模具，其模具是由成型、鑄型排氣、澆注、冷卻和頂出幾部分組成。鑄造模具如圖2所示。

圖2　 汽車輪轂鑄造模具結(jié)構(gòu)圖 注：圖中 1-下模具冷卻組件　2-下?！?-側(cè)?！?-鐵澆口套 5-上模冷卻組件　6-上模　7-分流錐型立筒　8-上模連接環(huán)

2.4.1分型面確定

鑄型的分型采用水平分型，由上模、下模和側(cè)模三部分組成。上、下模材料采用熱作模具鋼，側(cè)模則選用35CrMo 或QT400模具鋼。為保證加工尺寸精確，上模與下模分型面選擇在離車輪下端面上偏尺寸R處，側(cè)模為與機(jī)器的水平液壓抽芯機(jī)構(gòu)連接的四塊均等結(jié)構(gòu)，并定位在上模的T型槽中。

2.4.2型腔尺寸確定

型腔尺寸的確定需要根據(jù)機(jī)加工余量和冷卻順序的漸變度,一般上部比下部增厚0.5-1mm。

2.4.3壁厚的確定

低壓鑄造工藝中，有效控制鑄件的凝固過程是對壁厚控制的關(guān)鍵，而輪轂的不同部位由于壁厚不同，凝固時間就有所差異，因此需要確定每一部分的壁厚比，例如，中間鑄口部位必須是最后冷卻部位，才能起到補縮作用，此處壁厚比(鑄型壁厚δm/鑄件壁厚δt)控制在1.5-1.8之間，在輪轂邊緣部位鑄件壁最薄，應(yīng)促進(jìn)其快速冷卻凝固，可選壁厚比4-4.8，存在著熱節(jié)點的輪輞與輪幅相連接部位，則選擇5以上的壁厚比，增大其冷卻強度[3]。

2.4.4排氣系統(tǒng)的設(shè)計

鑄件采取分型面、頂出桿等處的間隙設(shè)置排氣槽和排氣塞來實現(xiàn)排氣，在上模芯組件周邊設(shè)置間隔5mm、深0.8-1mm的V型排氣槽，在分流錐與上模芯組件配合處開設(shè)了深0.4mm的排氣槽，并設(shè)置0.1-0.2mm的推桿間隙和排氣塞。

2.4.5澆注系統(tǒng)設(shè)計

金屬液充型時升液出口面積∑F的計算按照公式(1)：

(1)

(1)式中：G為金屬液質(zhì)量(5.65kg)t為充型時間

μ為金屬液在某溫度的阻力因數(shù)(0.35) g為重力加速度

γ為金屬液在該溫度時的密度2.4g/cm2H為金屬液上升高度

金屬液的線速度計算公式為：

(2)

通過公式(1)和(2)計算得出金屬液充型線速度ω=65.4 cm/s，小于150 cm/s，在澆口與分流錐之間設(shè)置陶瓷過濾網(wǎng)(孔洞率>60%)，可以有效地避免紊流。

2.4.6冷卻

本次鑄造模具設(shè)置水冷卻和保溫棉等措施平衡不同部位的冷卻速度，以保證順序冷卻。如在輪轂的熱節(jié)處、模具外圍設(shè)置保溫棉，在車輪輪輻設(shè)置水冷卻，而中心澆口處、輪輞部位則不設(shè)置冷卻。

2.5熱處理工藝參數(shù)的控制

2.5.1固溶溫度控制

由于在加熱過程中，高溫有利于分子擴(kuò)散從而使固溶體均勻，流動性好，但是，溫度過高就會使鑄件氧化加劇，合金成分變化，形成粗大的二次再結(jié)晶體，破壞其力學(xué)性能。根據(jù)合金成分的配比和性能分析，鋁合金輪轂的鑄造固溶溫度可選擇(535±5)℃。

2.5.2時效控制

固溶處理的最佳時效包括兩個方面：常溫時效和人工時效。淬火延續(xù)時間一般控制在30s以內(nèi)，雖然淬火水溫越低，冷卻速度越快，但是，由于低溫容易使合金變形，所以，根據(jù)所取合金配比成分，淬火水溫控制在50-70℃之間最佳。淬火處理后到回火處理前的常溫時效階段，時間與鑄件伸長率的提高成正比，但與抗拉強度和屈服強度成反比。通過測試處理后的鑄件硬度可以確定溫度與時間的各種參數(shù)，從而確定鋁合金輪轂熱處理工藝規(guī)范：固溶溫度可選(535±5)℃、淬火水溫60℃，延續(xù)時間小于15s、時效處理保持在(165±5)℃保溫3～4h。在實際生產(chǎn)中可根據(jù)鑄件尺寸大小、使用設(shè)備等實際情況適當(dāng)調(diào)整。

2.5.3淬火尺寸變形控制

鑄件的熱處理變形主要包括應(yīng)力釋放變形、自重變形與淬火變形，根據(jù)不同變形產(chǎn)生的原因進(jìn)行風(fēng)險控制，其中在淬火時溫度場分布不均勻發(fā)生的淬火變形是逐漸變形的主要方面，可以通過設(shè)計熱處理工裝對鑄件淬火變形進(jìn)行控制。在處理時選擇垂直淬火，固溶結(jié)束后迅速采用液壓機(jī)對鑄件支臂尺寸進(jìn)行校正直至符合圖紙要求后，再進(jìn)行時效處理。

2.6力學(xué)性能指標(biāo)控制

影響鑄件力學(xué)性能指標(biāo)的風(fēng)險因素，在已經(jīng)取得合金配比優(yōu)化之后，還需要充分的控制鑄件充型的完整與均勻，避免欠鑄和局部疏松(氣孔)、貫通性疏松或開裂缺陷，這些都能夠影響鑄件的力學(xué)性能指標(biāo)，造成質(zhì)量隱患。這些鑄造缺陷可以通過Vltomex工業(yè)CT對鑄件內(nèi)部組織進(jìn)行了缺陷掃描，在排除內(nèi)部缺陷后，以SHT4106-G型微機(jī)電液伺服萬能試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，具體控制措施已在鑄造工藝設(shè)計優(yōu)化中基本得到了控制[4]。

2.7外形尺寸精度控制

鑄件的外形尺寸精度的控制除了在鑄模的尺寸設(shè)計中要嚴(yán)格控制鑄模尺寸之外，還需要進(jìn)行氣密性檢驗，鋁合金輪轂的氣密性檢驗一般采用水壓試驗(0．4MPa的氣壓下保壓30s)或者氦氣質(zhì)譜漏氣檢驗(漏氣速率 1×10～Pa·cm /s)，然后根據(jù)尺寸精度檢驗結(jié)果對表面缺陷進(jìn)行一定范圍內(nèi)的適當(dāng)打磨和補鑄。

3結(jié)語

汽車鋁合金輪轂正在朝著大直徑、高強度、輕量化、美觀化的方向發(fā)展，在其生產(chǎn)制造研究中，不斷的有新工藝和新要求出現(xiàn)，本次采取增強激冷或補縮，以促其形成順序凝固。通過上述控制措施的實施，可以有效地控制鋁合金掛梁鑄件項目研制過程，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，取得了良好的控制效果。

參考文獻(xiàn):

[1]王華僑，盛學(xué)斌，耿巍麟.鋁合金先進(jìn)鑄造技術(shù)在發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件成形中的應(yīng)用(上)[J].金屬加工(熱加工)，2009(13)：12-16.

[2]王新節(jié).汽車發(fā)動機(jī)缸體缸蓋消失模鑄造技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].鑄造設(shè)備研究，2007(1)：21-27.

[3]關(guān)紹康，姚波，王迎新.汽車鋁合金車身板材的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械工程材料，2001(5)：18-23.

[4]李雙壽，湯彬，曾大本，等.汽車用輕合金輪轂的發(fā)展及展望[C]//第四屆有色合金及特種鑄造國際會議論文集，2005：62-67.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research on Technology of Automobile Aluminum Alloy Wheel Hub Casting

XU Ning

(School of Machine Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350003，China)

Abstract：Combining with the practical situation of automobile wheel hub casting process, this paper, from the alloy material selection, pressure parameters determination, casting size determination，heat treatment deformation control and physical index control，analyzes the metal mold casting process of automobile wheel hub, and sums up paths of the process optimization and ways to improve the mechanical performance of aluminum alloy wheel hub in the process of automobile wheel hub casting.

Keywords：aluminum alloy wheel hub; casting process; auto parts; deformation control; physical index