汽車鋁輪轂的發(fā)展與應(yīng)用

汽車鋁輪轂的發(fā)展與應(yīng)用

作為車輛最重要的安全部件，車輪承受著車輛和載物質(zhì)量的壓力，受到車輛啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)行駛的全過程，并承擔(dān)著車輛在行駛過程中對(duì)車輛、轉(zhuǎn)向、傾斜和地面障礙物的動(dòng)態(tài)負(fù)荷所產(chǎn)生的不規(guī)則交變率。輪轂的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性不但關(guān)系到車輛和車上人員、物資的安全性,還影響到車輛在行駛中的平穩(wěn)性、操縱性、舒適性等性能,這就要求輪轂的尺寸和形狀精度高、動(dòng)平衡好、疲勞強(qiáng)度高、剛度和彈性好、質(zhì)量輕、美觀、材料可回收等,而鋁輪轂以其良好的綜合性能滿足了上述要求,在安全性、舒適性和輕量化(至少減輕30%的質(zhì)量)等方面起到了重要的作用。1汽車鋁輪轂成形的主要工藝汽車鋁輪轂正在向大直徑、輕量化、高強(qiáng)度、美觀化的方向發(fā)展,為了滿足使用功能和市場(chǎng)的需求,鋁輪轂在結(jié)構(gòu)上有整體式和多件組合式的設(shè)計(jì),外觀造型上有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等形狀設(shè)計(jì),外觀式樣有涂裝、輪輻車亮面涂透明漆、拋光涂透明漆、電鍍等,涂裝的顏色有運(yùn)動(dòng)銀、細(xì)銀、煙灰色、黑色等色彩。鋁輪轂使用的材料有Al-Si系列合金(AlSi7Mg、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg)、Mg合金、6061變形鋁合金,其中以采用Sr變質(zhì)的AlSi7Mg合金用量最多(約90%)。鋁輪轂的成形工藝有重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)鑄造、鍛造、旋壓成形和幾種工藝的組合等工藝形式;擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造技術(shù)可以改善材料的金相組織,提高產(chǎn)品的力學(xué)性能,特別適用于制造大規(guī)格、輕量化鋁輪轂;旋壓成形技術(shù)是在熱鍛工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的塑性變形加工技術(shù),鋁輪轂在鍛造制坯后利用旋壓工藝使之成形,這種工藝生產(chǎn)的鋁輪轂的力學(xué)性能,比同規(guī)格鑄造鋁輪轂的提高18%以上,還可減輕約20%的質(zhì)量,產(chǎn)品主要是大規(guī)格、輕量化鋁輪轂以及賽車鋁輪轂。近來(lái)又出現(xiàn)了一種全新概念的新型輕量化鋁輪轂——內(nèi)置空氣鋁輪轂,通過空腔技術(shù)進(jìn)一步減輕輪轂20%的質(zhì)量。目前,汽車鋁輪轂裝車率在60%左右,鋁輪轂的尺寸為304.8mm～762mm,OEM的主流市場(chǎng)是以381mm～457.2mm輪轂為主,其中406.4mm輪轂所占市場(chǎng)份額最大,而改裝市場(chǎng)的主流市場(chǎng)是以457.2mm～558.8mm輪轂為主。對(duì)于普通乘用車而言,整體式低壓鑄造鋁輪轂足以滿足性能的要求,因此當(dāng)前汽車鋁輪轂成形技術(shù)主要采用低壓鑄造工藝(占總量的80%以上)。2我國(guó)汽車及無(wú)人機(jī)鋁輪轂生產(chǎn)情況20世紀(jì)70年代,發(fā)達(dá)國(guó)家開始大量推廣應(yīng)用鋁輪轂。我國(guó)在20世紀(jì)80年代末開始了鋁輪轂工廠的建設(shè),90年代中期進(jìn)入發(fā)展期,并且持續(xù)保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。到2006年我國(guó)汽車及摩托車鋁輪轂?zāi)晟a(chǎn)能力已超過6500萬(wàn)件。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì),2006年生產(chǎn)汽車鋁輪轂3400萬(wàn)件,其中出口1800萬(wàn)件;生產(chǎn)摩托車鋁輪轂2800萬(wàn)件,其中出口400萬(wàn)件;是世界鋁輪轂生產(chǎn)大國(guó)。我國(guó)鋁輪轂制造行業(yè)經(jīng)過了幾個(gè)發(fā)展階段。2.1鋁合金輪轂生產(chǎn)企業(yè)1988年成立的秦皇島戴卡輪轂制造有限公司是國(guó)內(nèi)第一個(gè)鋁輪轂生產(chǎn)企業(yè),生產(chǎn)低壓鑄造鋁合金汽車輪轂;第二個(gè)是1989年開始籌建的廣東南海中南鋁合金輪轂廠,該廠生產(chǎn)低壓鑄造、重力鑄造的汽車和摩托車鋁輪轂。這兩個(gè)公司逐步發(fā)展壯大起來(lái),成為行業(yè)的先行者。2.2鋁輪轂廠的迅速發(fā)展1994-1997年是國(guó)內(nèi)鋁輪轂行業(yè)的發(fā)展階段。隨著1994年我國(guó)汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的出臺(tái),我國(guó)汽車、摩托車工業(yè)進(jìn)入發(fā)展期。這一時(shí)期國(guó)內(nèi)鋁輪轂的產(chǎn)量小、價(jià)格高,相對(duì)于其他鋁制品屬于高利潤(rùn)產(chǎn)品。高價(jià)位吸引眾多投資者參與,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了投資建設(shè)鋁輪轂廠的第一個(gè)高潮,這一時(shí)期新上了十幾個(gè)鋁輪轂廠。而此階段國(guó)內(nèi)轎車工業(yè)規(guī)模尚小,鋁輪轂的用量較少,國(guó)際市場(chǎng)又尚未打開,有限的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)由初期的兩個(gè)鋁輪轂廠及進(jìn)口產(chǎn)品互相競(jìng)爭(zhēng),變?yōu)閲?guó)內(nèi)近20個(gè)廠家的競(jìng)爭(zhēng),鋁輪轂產(chǎn)能遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求,競(jìng)爭(zhēng)顯得異常激烈。2.3部分鋁輪轂企業(yè)缺乏技術(shù)和技術(shù),無(wú)法進(jìn)入產(chǎn)品經(jīng)營(yíng)行業(yè)1998-2001年是國(guó)內(nèi)鋁輪轂行業(yè)調(diào)整時(shí)期。受1998年亞洲金融危機(jī)的影響,世界經(jīng)濟(jì)處于低迷狀態(tài),此時(shí)鋁輪轂在我國(guó)尚屬于新興產(chǎn)業(yè),新建的部分鋁輪轂企業(yè),由于缺乏有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員,技術(shù)工藝不成熟,產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān),生產(chǎn)成本居高不下,各種原因?qū)е逻@部分企業(yè)步履維艱,未能挺過金融危機(jī)這一難關(guān),出現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)的并購(gòu)和資源整合。此時(shí)臺(tái)商大舉投資進(jìn)入大陸鋁輪轂制造行業(yè),這一時(shí)期投資興建的企業(yè)數(shù)量雖然不太多,但是這些企業(yè)都是獨(dú)資公司,其市場(chǎng)大都在境外,少量在中國(guó)大陸市場(chǎng)。2.4汽車鋁輪轂的比較2002年至今,隨著我國(guó)加入WTO,國(guó)民經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)良性發(fā)展勢(shì)態(tài),國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投入的增加,擴(kuò)大內(nèi)需以及私人購(gòu)車環(huán)境的形成,使我國(guó)汽車需求呈現(xiàn)出快速的增長(zhǎng),由于我國(guó)汽車制造業(yè)的快速發(fā)展以及國(guó)際市場(chǎng)的不斷開發(fā),國(guó)內(nèi)開始了新一輪投資鋁輪轂的高潮,新建擴(kuò)建企業(yè)多、投資力度大、建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)水平高、國(guó)產(chǎn)技術(shù)裝備逐步開發(fā)應(yīng)用成為這一時(shí)期投資的特點(diǎn),其中民營(yíng)和外資成為投資的主力。到2006年底,國(guó)內(nèi)新建了近50個(gè)鋁輪轂廠,加上原來(lái)的30多個(gè),全國(guó)已有約80個(gè)鋁輪轂廠,年生產(chǎn)能力已超過6500萬(wàn)件,其中年生產(chǎn)能力300萬(wàn)件以上的企業(yè)有3個(gè)、200萬(wàn)件以上的企業(yè)有6個(gè),使我國(guó)成為世界鋁輪轂生產(chǎn)大國(guó)。這期間鍛造汽車鋁輪轂技術(shù)的開發(fā)成功,境外鋁輪轂企業(yè)與境內(nèi)企業(yè)間的合資合作,使得我國(guó)汽車鋁輪轂技術(shù)水平迅速達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。隨著新技術(shù)、新工藝的不斷應(yīng)用,自主創(chuàng)新能力的不斷提高,企業(yè)實(shí)力不斷增強(qiáng),我國(guó)鋁輪轂行業(yè)正在努力做大做強(qiáng),發(fā)展的主要目標(biāo)是建成幾個(gè)年產(chǎn)能超千萬(wàn)件的企業(yè)集團(tuán),早日使我國(guó)成為鋁輪轂生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。3整體式汽車鋁輪轂制造技術(shù)鑒于整體式汽車鋁輪轂是鋁輪轂的主打產(chǎn)品,在此著重對(duì)整體式汽車鋁輪轂的制造技術(shù)進(jìn)行討論。整體式鋁輪轂主要的生產(chǎn)工藝流程是:熔化→精煉→低壓鑄造→X射線探傷→熱處理→機(jī)械加工→動(dòng)平衡檢驗(yàn)→氣密性檢驗(yàn)→涂裝。3.1焦?fàn)t材料的選擇輪轂鋁合金的熔化設(shè)備,按爐型分為塔式爐、感應(yīng)爐、傾轉(zhuǎn)爐、固定爐,按能源形式分為柴油爐、天然氣爐、煤制氣爐、電能爐。塔式爐熔化速度快、燒損少、能耗低,感應(yīng)爐熔化速度快、合金成分均勻、生產(chǎn)環(huán)境好,傾轉(zhuǎn)爐可以配料也可以做保溫爐使用、使用安全、維護(hù)方便,固定爐可以配料也可以做保溫爐使用、使用和維護(hù)簡(jiǎn)便;燃油爐熱值高、熔化效率高、使用維護(hù)方便,燃?xì)鉅t生產(chǎn)環(huán)境好、清潔、使用維護(hù)方便,煤制氣爐經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,電能爐容易控制、生產(chǎn)環(huán)境好。其中以燃油或燃?xì)獾乃娇焖偃刍癄t為佳,同時(shí)配以鋁屑熔化室使用更加方便,是主選設(shè)備;如需配料則傾轉(zhuǎn)爐較為實(shí)用。熔化設(shè)備的關(guān)鍵在于爐溫的控制。由于輪轂鋁合金對(duì)含鐵量要求嚴(yán)格,歐洲客戶要求w(Fe)≤0.15%,因此爐襯必須采用非金屬材料制作,配料時(shí)選用純度較高的純鋁錠,回爐料的比例要嚴(yán)格控制。為了降低成本,國(guó)內(nèi)已有少數(shù)廠家采購(gòu)液態(tài)鋁合金,并將其直接運(yùn)送到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),采用液態(tài)鋁合金直接鑄造鋁輪轂這種工藝方式,大大減少了原材料熔化時(shí)的燒損及二次熔化時(shí)能源的消耗,是鋁輪轂制造技術(shù)發(fā)展的新方向。3.2分布式精制機(jī)。在雙氣體鋁液的精煉方法有氣體法和熔劑法,處理方式有通入管路法、鐘罩壓入法、精煉機(jī)等。鋁液精煉的設(shè)備按形式分為固定式、移動(dòng)式、吊裝式、簡(jiǎn)易通管式,按精煉介質(zhì)分為單一氣體、雙氣體、氣體加熔劑。固定式的設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、精煉效果好,移動(dòng)式的則使用靈活、方便,吊裝式的使用方便,簡(jiǎn)易通管式的使用簡(jiǎn)單。為了提高精煉效果,避免對(duì)環(huán)境的污染,以采用雙氣體的固定式精煉機(jī)為最好,是主選設(shè)備,該精煉設(shè)備的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)的技術(shù)水平和設(shè)備的可靠性。細(xì)化變質(zhì)處理以采用桿狀的AlTiB、AlSr合金為佳,不使用有污染的熔劑,已成為精煉細(xì)化變質(zhì)處理的發(fā)展方向;而采用熱分析和密度當(dāng)量?jī)x進(jìn)行精煉、細(xì)化、變質(zhì)效果的爐前分析,則是鋁液快速分析技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。3.3低壓鑄造機(jī)、模具設(shè)計(jì)整體式汽車鋁輪轂的成形工藝分為金屬型重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、鍛造工藝、旋壓工藝;而低壓鑄造具有生產(chǎn)效率高、鑄件組織致密、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),可滿足汽車鋁輪轂的需要,成為近年來(lái)國(guó)際上的主流工藝。國(guó)內(nèi)汽車鋁輪轂成形技術(shù),總產(chǎn)量的80%以上是采用低壓鑄造工藝生產(chǎn),其余采用金屬型重力鑄造、擠壓鑄造和鍛造工藝技術(shù)生產(chǎn)。低壓鑄造機(jī)的關(guān)鍵在于爐壓的控制精度和設(shè)備的可靠性,選用的低壓鑄造機(jī)以進(jìn)口主機(jī)、輔之以國(guó)產(chǎn)配套設(shè)備。保溫爐為熔池式的,模具以四開模的形式為主,模具冷卻是水、氣并用。由于鋁輪轂正在朝大型化方向發(fā)展,因此設(shè)備的剛性一定要好,并有足夠的開合模的力量。保溫爐采用坩堝爐更方便,模具采用全氣冷、無(wú)需邊缸的斜插模技術(shù)生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量更好,是鋁輪轂鑄造技術(shù)的一個(gè)新動(dòng)向。3.4缺陷識(shí)別功能鋁輪轂X射線探傷設(shè)備采用的是工業(yè)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng),使用的X射線管為進(jìn)口160kVA的金屬管,能穿透50mm以上的鋁合金件,并能清晰地觀察到縮松、針孔等缺陷;缺陷的識(shí)別有人工識(shí)別和程序自動(dòng)識(shí)別等方式,并有圖像處理和存儲(chǔ)功能。該設(shè)備有進(jìn)口的和國(guó)產(chǎn)的,但國(guó)產(chǎn)設(shè)備在可靠性和自動(dòng)識(shí)別程序方面有待進(jìn)一步提高水平?？紤]到生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,在設(shè)備的進(jìn)出口端要有輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動(dòng)分離,有生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)功能的設(shè)備是今后的發(fā)展趨勢(shì)。3.5連續(xù)熱處理爐鋁輪轂的熱處理工藝為固溶處理和時(shí)效處理(T6處理),工藝要求爐溫均勻性好,爐內(nèi)溫差△T≤±5℃。熱處理設(shè)備按爐型分為周期爐、連續(xù)爐,按能源形式分為天然氣爐、煤制氣爐、電能爐。輪轂在爐內(nèi)的放置多采用料架,產(chǎn)品分開放置以防輪轂變形。連續(xù)熱處理爐按傳動(dòng)方式又分輥棒式、吊筐式、推盤式。連續(xù)熱處理爐的爐溫均勻性好(爐內(nèi)溫差△T≤±3℃)、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、節(jié)能,是大批量生產(chǎn)的主選設(shè)備。而燃?xì)獾蹩鹗胶洼伆羰竭B續(xù)熱處理爐是該類設(shè)備的發(fā)展方向。小批量間歇式生產(chǎn)時(shí)可以使用周期爐。由于連續(xù)熱處理爐的生產(chǎn)量大,因此設(shè)備的可靠性和控制水平十分重要,為了工藝的可追述性,要配備溫度記錄儀。為方便操作,提高車間面積利用率,熱處理生產(chǎn)線以U型布置為佳。3.6車削外圓定位在鋁輪轂的加工方面,一般是采用進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的單軸立式或臥式數(shù)控機(jī)床,高精度CNC加工單元,切削液冷卻。傳統(tǒng)的加工順序是在線外去除冒口,然后以毛坯外圓定位先車后鉆,對(duì)于鋁輪轂而言加工精度是足夠的了。為了提高生產(chǎn)效率和加工精度,同時(shí)滿足環(huán)保的要求,新的技術(shù)是采用高精度CNC雙軸立式加工單元,無(wú)切削液的干式加工——刀具微潤(rùn)滑空氣冷卻方式,加工順序是先鉆后車,以產(chǎn)品螺栓孔定位,車削轉(zhuǎn)速達(dá)3000r/min,并將去冒口在鉆床上完成,減少了鉆冒口工序。盡管加工時(shí)沒有切削液的冷卻,由于切削速度快產(chǎn)品的溫升小,所以鋁輪轂的加工精度和效率均高于傳統(tǒng)工藝,是鋁輪轂加工技術(shù)的新趨勢(shì)。3.7動(dòng)手操作方式動(dòng)平衡性能的檢驗(yàn)方法有立式和臥式兩種方法,以臥式法為好,一般是采用手動(dòng)操作方式。新的趨勢(shì)是采用臥式動(dòng)平衡機(jī),并在設(shè)備的進(jìn)出口端增設(shè)輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動(dòng)分離,同時(shí)附設(shè)標(biāo)識(shí)打印等功能,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。3.8鋁輪轂泄漏時(shí)的氣泡來(lái)檢驗(yàn)鋁輪轂氣密性檢驗(yàn)的方法有水壓試驗(yàn)和氦氣質(zhì)譜漏氣試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)是在不小于0.4MPa的氣壓下保壓30s,通過目測(cè)觀察水中鋁輪轂漏氣時(shí)的氣泡來(lái)檢驗(yàn)鋁輪轂的漏氣情況,這是絕大多數(shù)廠家選用的氣密性檢驗(yàn)方法。新的氣密性檢驗(yàn)方法是采用氦氣質(zhì)譜漏氣試驗(yàn),該方法利用氦氣質(zhì)譜分析的原理,能夠快速自動(dòng)檢測(cè)氦氣的泄漏情況(漏氣速率不大于1×10-6Pa·cm3/s),考慮到生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,在設(shè)備的進(jìn)出口端要有輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動(dòng)分離,該技術(shù)是氣密性檢驗(yàn)技術(shù)的新趨勢(shì)。3.9噴涂工藝和設(shè)備鋁輪轂的外觀式樣有涂裝、輪輻車亮面涂透明漆、拋光涂透明漆、電鍍等,涂裝的顏色有銀灰色、運(yùn)動(dòng)銀、細(xì)銀、煙灰色、黑色等。由于電鍍工藝對(duì)環(huán)保影響大,應(yīng)用量正在逐步減少,涂裝為主導(dǎo)工藝。涂裝是鋁輪轂生產(chǎn)的最后一道工序,其目的是提高鋁輪轂的耐腐蝕性和美感,為了確保涂裝的質(zhì)量,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求清潔無(wú)塵。涂裝的方法有手動(dòng)噴和自動(dòng)噴,手動(dòng)噴涂的涂層厚度及噴涂質(zhì)量不易控制,自動(dòng)噴涂可將涂層厚度的精度控制在10μm、且均勻,厚度可根據(jù)顧客的要求進(jìn)行調(diào)節(jié);噴槍有靜電噴槍和空氣噴槍,后者只適用于噴油漆;涂裝的工藝流程是:預(yù)處理→噴底粉→噴色漆→噴透明粉;特殊的也有預(yù)處理→噴色漆→噴透明粉,或者預(yù)處理→噴透明粉。但后兩種工藝涂層的耐腐蝕性不如前者。目前采用的先進(jìn)工藝和設(shè)備是:預(yù)處理→噴底粉→噴色漆→噴透明粉的涂裝自動(dòng)生產(chǎn)線。先進(jìn)的涂裝自動(dòng)生產(chǎn)線由表面預(yù)處理、烘干、靜電粉末噴涂、噴漆、固化等組成,傳輸系統(tǒng)以地面鏈的方式將鋁輪轂水平放置、鋁輪轂可自轉(zhuǎn)為好,并帶有搬運(yùn)機(jī)器人、粉末回收系統(tǒng)、粉末更換系統(tǒng)和廢水處理裝置。采用的自動(dòng)化涂裝工藝裝備中,選用了靜電噴槍和高速靜電旋杯噴槍技術(shù)(轉(zhuǎn)速20000r/min以上)、環(huán)保型無(wú)鉻化預(yù)處理技術(shù)、噴粉技術(shù)、環(huán)保型水性漆技術(shù),由于生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率高、節(jié)省涂料、環(huán)保好,是鋁輪轂涂裝技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。4國(guó)內(nèi)外鋁輪轂行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)正持續(xù)發(fā)展(1)鋁輪轂正在向大直徑、輕量化、高強(qiáng)度、美觀