汽車鋁輪轂的發(fā)展與應用

汽車鋁輪轂的發(fā)展與應用

作為車輛最重要的安全部件，車輪承受著車輛和載物質量的壓力，受到車輛啟動和動態(tài)行駛的全過程，并承擔著車輛在行駛過程中對車輛、轉向、傾斜和地面障礙物的動態(tài)負荷所產(chǎn)生的不規(guī)則交變率。輪轂的產(chǎn)品質量和可靠性不但關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、動平衡好、疲勞強度高、剛度和彈性好、質量輕、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、高強度、美觀化的方向發(fā)展,為了滿足使用功能和市場的需求,鋁輪轂在結構上有整體式和多件組合式的設計,外觀造型上有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等形狀設計,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,涂裝的顏色有運動銀、細銀、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)鑄造技術可以改善材料的金相組織,提高產(chǎn)品的力學性能,特別適用于制造大規(guī)格、輕量化鋁輪轂;旋壓成形技術是在熱鍛工藝基礎上發(fā)展起來的塑性變形加工技術,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。近來又出現(xiàn)了一種全新概念的新型輕量化鋁輪轂——內置空氣鋁輪轂,通過空腔技術進一步減輕輪轂20%的質量。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的主流市場是以381mm～457.2mm輪轂為主,其中406.4mm輪轂所占市場份額最大,而改裝市場的主流市場是以457.2mm～558.8mm輪轂為主。對于普通乘用車而言,整體式低壓鑄造鋁輪轂足以滿足性能的要求,因此當前汽車鋁輪轂成形技術主要采用低壓鑄造工藝(占總量的80%以上)。2我國汽車及無人機鋁輪轂生產(chǎn)情況20世紀70年代,發(fā)達國家開始大量推廣應用鋁輪轂。我國在20世紀80年代末開始了鋁輪轂工廠的建設,90年代中期進入發(fā)展期,并且持續(xù)保持著強勁的增長勢頭。到2006年我國汽車及摩托車鋁輪轂年生產(chǎn)能力已超過6500萬件。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計,2006年生產(chǎn)汽車鋁輪轂3400萬件,其中出口1800萬件;生產(chǎn)摩托車鋁輪轂2800萬件,其中出口400萬件;是世界鋁輪轂生產(chǎn)大國。我國鋁輪轂制造行業(yè)經(jīng)過了幾個發(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內第一個鋁輪轂生產(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。這兩個公司逐步發(fā)展壯大起來,成為行業(yè)的先行者。2.2鋁輪轂廠的迅速發(fā)展1994-1997年是國內鋁輪轂行業(yè)的發(fā)展階段。隨著1994年我國汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的出臺,我國汽車、摩托車工業(yè)進入發(fā)展期。這一時期國內鋁輪轂的產(chǎn)量小、價格高,相對于其他鋁制品屬于高利潤產(chǎn)品。高價位吸引眾多投資者參與,國內出現(xiàn)了投資建設鋁輪轂廠的第一個高潮,這一時期新上了十幾個鋁輪轂廠。而此階段國內轎車工業(yè)規(guī)模尚小,鋁輪轂的用量較少,國際市場又尚未打開,有限的國內市場由初期的兩個鋁輪轂廠及進口產(chǎn)品互相競爭,變?yōu)閲鴥冉?0個廠家的競爭,鋁輪轂產(chǎn)能遠大于國內市場的需求,競爭顯得異常激烈。2.3部分鋁輪轂企業(yè)缺乏技術和技術,無法進入產(chǎn)品經(jīng)營行業(yè)1998-2001年是國內鋁輪轂行業(yè)調整時期。受1998年亞洲金融危機的影響,世界經(jīng)濟處于低迷狀態(tài),此時鋁輪轂在我國尚屬于新興產(chǎn)業(yè),新建的部分鋁輪轂企業(yè),由于缺乏有經(jīng)驗的技術人員,技術工藝不成熟,產(chǎn)品質量不過關,生產(chǎn)成本居高不下,各種原因導致這部分企業(yè)步履維艱,未能挺過金融危機這一難關,出現(xiàn)了行業(yè)內的并購和資源整合。此時臺商大舉投資進入大陸鋁輪轂制造行業(yè),這一時期投資興建的企業(yè)數(shù)量雖然不太多,但是這些企業(yè)都是獨資公司,其市場大都在境外,少量在中國大陸市場。2.4汽車鋁輪轂的比較2002年至今,隨著我國加入WTO,國民經(jīng)濟呈現(xiàn)良性發(fā)展勢態(tài),國家對基礎建設投入的增加,擴大內需以及私人購車環(huán)境的形成,使我國汽車需求呈現(xiàn)出快速的增長,由于我國汽車制造業(yè)的快速發(fā)展以及國際市場的不斷開發(fā),國內開始了新一輪投資鋁輪轂的高潮,新建擴建企業(yè)多、投資力度大、建設規(guī)模大、技術水平高、國產(chǎn)技術裝備逐步開發(fā)應用成為這一時期投資的特點,其中民營和外資成為投資的主力。到2006年底,國內新建了近50個鋁輪轂廠,加上原來的30多個,全國已有約80個鋁輪轂廠,年生產(chǎn)能力已超過6500萬件,其中年生產(chǎn)能力300萬件以上的企業(yè)有3個、200萬件以上的企業(yè)有6個,使我國成為世界鋁輪轂生產(chǎn)大國。這期間鍛造汽車鋁輪轂技術的開發(fā)成功,境外鋁輪轂企業(yè)與境內企業(yè)間的合資合作,使得我國汽車鋁輪轂技術水平迅速達到了國際先進水平。隨著新技術、新工藝的不斷應用,自主創(chuàng)新能力的不斷提高,企業(yè)實力不斷增強,我國鋁輪轂行業(yè)正在努力做大做強,發(fā)展的主要目標是建成幾個年產(chǎn)能超千萬件的企業(yè)集團,早日使我國成為鋁輪轂生產(chǎn)強國。3整體式汽車鋁輪轂制造技術鑒于整體式汽車鋁輪轂是鋁輪轂的主打產(chǎn)品,在此著重對整體式汽車鋁輪轂的制造技術進行討論。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→機械加工→動平衡檢驗→氣密性檢驗→涂裝。3.1焦爐材料的選擇輪轂鋁合金的熔化設備,按爐型分為塔式爐、感應爐、傾轉爐、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,感應爐熔化速度快、合金成分均勻、生產(chǎn)環(huán)境好,傾轉爐可以配料也可以做保溫爐使用、使用安全、維護方便,固定爐可以配料也可以做保溫爐使用、使用和維護簡便;燃油爐熱值高、熔化效率高、使用維護方便,燃氣爐生產(chǎn)環(huán)境好、清潔、使用維護方便,煤制氣爐經(jīng)濟實惠,電能爐容易控制、生產(chǎn)環(huán)境好。其中以燃油或燃氣的塔式快速熔化爐為佳,同時配以鋁屑熔化室使用更加方便,是主選設備;如需配料則傾轉爐較為實用。熔化設備的關鍵在于爐溫的控制。由于輪轂鋁合金對含鐵量要求嚴格,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,配料時選用純度較高的純鋁錠,回爐料的比例要嚴格控制。為了降低成本,國內已有少數(shù)廠家采購液態(tài)鋁合金,并將其直接運送到生產(chǎn)現(xiàn)場,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的燒損及二次熔化時能源的消耗,是鋁輪轂制造技術發(fā)展的新方向。3.2分布式精制機。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、精煉機等。鋁液精煉的設備按形式分為固定式、移動式、吊裝式、簡易通管式,按精煉介質分為單一氣體、雙氣體、氣體加熔劑。固定式的設備運行平穩(wěn)、可靠、精煉效果好,移動式的則使用靈活、方便,吊裝式的使用方便,簡易通管式的使用簡單。為了提高精煉效果,避免對環(huán)境的污染,以采用雙氣體的固定式精煉機為最好,是主選設備,該精煉設備的關鍵在于控制系統(tǒng)的技術水平和設備的可靠性。細化變質處理以采用桿狀的AlTiB、AlSr合金為佳,不使用有污染的熔劑,已成為精煉細化變質處理的發(fā)展方向;而采用熱分析和密度當量儀進行精煉、細化、變質效果的爐前分析,則是鋁液快速分析技術發(fā)展的新趨勢。3.3低壓鑄造機、模具設計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、自動化程度高等特點,可滿足汽車鋁輪轂的需要,成為近年來國際上的主流工藝。國內汽車鋁輪轂成形技術,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生產(chǎn)。低壓鑄造機的關鍵在于爐壓的控制精度和設備的可靠性,選用的低壓鑄造機以進口主機、輔之以國產(chǎn)配套設備。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、無需邊缸的斜插模技術生產(chǎn)的鑄件質量更好,是鋁輪轂鑄造技術的一個新動向。3.4缺陷識別功能鋁輪轂X射線探傷設備采用的是工業(yè)實時成像系統(tǒng),使用的X射線管為進口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;缺陷的識別有人工識別和程序自動識別等方式,并有圖像處理和存儲功能。該設備有進口的和國產(chǎn)的,但國產(chǎn)設備在可靠性和自動識別程序方面有待進一步提高水平?？紤]到生產(chǎn)的自動化程度,在設備的進出口端要有輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動分離,有生產(chǎn)統(tǒng)計功能的設備是今后的發(fā)展趨勢。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效處理(T6處理),工藝要求爐溫均勻性好,爐內溫差△T≤±5℃。熱處理設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(爐內溫差△T≤±3℃)、產(chǎn)品質量好、生產(chǎn)效率高、節(jié)能,是大批量生產(chǎn)的主選設備。而燃氣吊筐式和輥棒式連續(xù)熱處理爐是該類設備的發(fā)展方向。小批量間歇式生產(chǎn)時可以使用周期爐。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,一般是采用進口或國產(chǎn)的單軸立式或臥式數(shù)控機床,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,同時滿足環(huán)保的要求,新的技術是采用高精度CNC雙軸立式加工單元,無切削液的干式加工——刀具微潤滑空氣冷卻方式,加工順序是先鉆后車,以產(chǎn)品螺栓孔定位,車削轉速達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,是鋁輪轂加工技術的新趨勢。3.7動手操作方式動平衡性能的檢驗方法有立式和臥式兩種方法,以臥式法為好,一般是采用手動操作方式。新的趨勢是采用臥式動平衡機,并在設備的進出口端增設輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動分離,同時附設標識打印等功能,以實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。3.8鋁輪轂泄漏時的氣泡來檢驗鋁輪轂氣密性檢驗的方法有水壓試驗和氦氣質譜漏氣試驗。水壓試驗是在不小于0.4MPa的氣壓下保壓30s,通過目測觀察水中鋁輪轂漏氣時的氣泡來檢驗鋁輪轂的漏氣情況,這是絕大多數(shù)廠家選用的氣密性檢驗方法。新的氣密性檢驗方法是采用氦氣質譜漏氣試驗,該方法利用氦氣質譜分析的原理,能夠快速自動檢測氦氣的泄漏情況(漏氣速率不大于1×10-6Pa·cm3/s),考慮到生產(chǎn)的自動化程度,在設備的進出口端要有輸送料道系統(tǒng),合格品與非合格品能夠自動分離,該技術是氣密性檢驗技術的新趨勢。3.9噴涂工藝和設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、運動銀、細銀、煙灰色、黑色等。由于電鍍工藝對環(huán)保影響大,應用量正在逐步減少,涂裝為主導工藝。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,為了確保涂裝的質量,生產(chǎn)現(xiàn)場要求清潔無塵。涂裝的方法有手動噴和自動噴,手動噴涂的涂層厚度及噴涂質量不易控制,自動噴涂可將涂層厚度的精度控制在10μm、且均勻,厚度可根據(jù)顧客的要求進行調節(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:預處理→噴底粉→噴色漆→噴透明粉;特殊的也有預處理→噴色漆→噴透明粉,或者預處理→噴透明粉。但后兩種工藝涂層的耐腐蝕性不如前者。目前采用的先進工藝和設備是:預處理→噴底粉→噴色漆→噴透明粉的涂裝自動生產(chǎn)線。先進的涂裝自動生產(chǎn)線由表面預處理、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、鋁輪轂可自轉為好,并帶有搬運機器人、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(轉速20000r/min以上)、環(huán)保型無鉻化預處理技術、噴粉技術、環(huán)保型水性漆技術,由于生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率高、節(jié)省涂料、環(huán)保好,是鋁輪轂涂裝技術發(fā)展的新趨勢。4國內外鋁輪轂行業(yè)的競爭正持續(xù)發(fā)展(1)鋁輪轂正在向大直徑、輕量化、高強度、美觀