新材料与工艺手册

[车身轻量化] 整体式铝轮毂的先进设计与制造技术

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发表于 2012-8-29 16:49:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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长期以来,钢制轮毂占据了汽车轮毂应用的主导地位。随着人们对汽车安全、环保、节能、舒适等方面要求的不断提高,以及铝制轮毂在设计与制造技术上的不断进步,铝制轮毂以其安全、散热好、耐腐蚀、美观、舒适、质轻、节能、疲劳强度高、加工性能好、材料可回收等特点博得了市场青睐,正逐步代替钢制轮毂成为最佳选择。20世纪70年代起发达国家开始大批量推广应用铝轮毂,铝轮毂成为铝合金在汽车上的第二个应用广泛的领域。 1设计技术
为了满足使用功能和市场的需求,铝轮毂在结构上有整体式和多件组合式等多种结构设计;在外观造型上有宽轮辐、窄轮辐、多轮辐、少轮辐等多种造型设计。出于安全的原因,在铝轮毂的外观造型和结构设计时必须要以满足安全和使用功能的要求为前提。对于普通乘用车而言,整体式铝轮毂足以满足其性能要求。
德国进行铝轮毂设计开发的主要方法和流程如下。
.市场调研、收集顾客需求和设计输入等信息。
.综合各种信息,绘制轮毂方案设计的草图并讨论研究。
.方案初步确定后,利用CATIA软件将轮毂由方案草图转变为3D数字模型,对设计进行评审,并与顾客交流。
.3D设计完成后,利用ANSYS软件进行轮毂的应力分析,根据分析的受力情况进行结构和轻量化的优化设计,并与顾客交流。
.优化设计完成后,采用快速原型制造技术制造出轮毂的实物模型,与顾客共同对实物进行评审。
.同步完成铸造模具的设计,利用MAGMA软件进行铸造过程模拟分析,优化模具设计和工艺方案设计。
.制造并验证模具,生产制造出真正的样轮。
.对制造出来的样轮进行各种性能试验和道路试验.只有当试验样轮经过充分地试验并证实其在行驶中的表现是优秀的,这时方可认为是完成了铝轮毂的设计。
整体式铝轮毂及其设计和分析示例见图1、图2。
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2制造技术
德国普通铝合金轮毂主要的生产和检验工艺流程是:配料→铝合金熔炼→铝液AlSr变质→AlTiB细化处理→光谱铝液成分分析→铝液Ar2气精炼除气→铝液热分析+密度分析→低压铸造毛坯→毛坯X射线探伤→淬火+时效连续式热处理→(材料金相及力学性能分析抽查) →钻孔→车加工→立式动平衡检验→(径向跳动及三坐标尺寸检验抽查)→打磨抛光→清洗→氦气气密性检验→前处理→烘干→喷涂底粉→烘干→喷涂水性漆→烘干→喷涂透明粉→烘干→性能试验(尺寸、盐雾、耐候、碎石、漆膜厚度、十字划格、力学性能、冲击.弯曲疲劳。径向疲劳等试验抽查)→最终检验→包装→入库。
德国锻造铝合金轮毂主要的生产工艺流程是:下料→(材料金相及力学性能分析抽查)→锻坯加热→预锻→成形锻→热处理→抽查材料金相及力学性能分析→旋压成形→钻孔→车加工→立式动平衡检验→(径向跳动及三坐标尺寸检验抽查)→打磨抛光→清洗→氦气气密性检验→前处理→烘干→喷涂底粉→烘干→喷涂水性漆→烘干→喷涂透明粉→烘干→性能试验(尺寸、盐雾、耐候、碎石。漆膜厚度、十字划格、力学性能、中击、弯曲疲劳、径向疲劳等试验抽查)→最终检验→包装→入库。
2.1铸造和热处理
低压铸造是一项要求极高的生产工艺技术,它是在密闭的状态下用大约0.1MPa的压力把金属液压进模具,这样有利于保持恒温和排除杂质,保证铸件内没有气孔且金属密度均匀、强度高,从而有效地克服了陈旧的重力铸造轮毂方法所造成的铸造缺陷。在铸造过程中,采用多种严格的铝合金配方(AlSi7Mg、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi2Mg等)、严格控制微量元素及杂质的含量(Fe≤0.15%)、采用Al-10Sr变质+Al-5Ti-1B细化处理、Ar2气精炼除气处理工艺,每一炉合金液都要经过温度、光谱分析、热分析、密度当量分析等项验证合格后方可投入使用,从而确保材料及力学性能的一致性。设计独特的“斜插式”低压铸造模具,通过带有模具温度控制的全自动铸造设备的精密冷却控制,确保高效率地铸造出尺寸精确、品质高且轮毂表面光滑细腻的铸件;随后的连续式热处理过程(淬火+时效),确保能够生产制造出高品质的毛坯;铸件要100%经过X射线探伤检测,合格的毛坯作为下一步深加工的坯件备用。为了减轻工人的劳动强度.毛坯均采用自动传输系统输送。
2.2机械加工
机械加工采用先进的CNC全自动加工生产单元加工轮毂,生产线自动上下工件,采用自动传输系统向各个生产工位输送工件,加工过程是“干切”。加工时采用独特的螺栓孔定位夹紧系统和先钻后车的生产工艺顺序,车床一次装夹即可完成轮毂内、外部的加工。车床主轴转速达3000r/min,这不但提高了生产效率,而且还提高了中心孔的精度、螺栓孔的位置精度,确保轮毂的动平衡性能。“干切”技术是环保型的干式机械加工技术,这种技术避免了过去机械加工中切削液的回收处理系统和废液排放问题;也避免了切削液对机床的腐蚀,保护了环境;铝屑的熔化回收更加简洁方便、回收率高,降低了制造成本。当然,这种干式机械加工方式对刀具的要求比较高,为了避免刀具积屑,刀具需要采用压缩空气冷却。为了增加轮毂外观的精致感,有些产品使用金刚石刀具精加工轮毂的正外表面(轮辐表面),使轮毂具有独特而明亮的金属表面光泽,产品外观表现的更加精致高雅。
2.3打磨抛光
为了确保轮毂的外观质量,每一个加工过的轮毂都要在去毛刺机上经过打磨后再由工人进行精心的打磨抛光,使其光滑平整;有的产品还要经过独特的“球体抛光”,以确保轮毂外在质量与内在质量更加完美地统一结合,体现出产品的精致。为了减轻工人的劳动强度,工件采用自动传输系统输送。
2.4涂装
轮毂是在先进和环保的涂装自动生产线上采用高级静电喷枪和高速(20000r/min)旋杯喷枪进行喷涂,其涂层厚度和色彩光泽均匀,喷涂质量好且节省涂料。涂料采用整车厂认可的环保型粉质和水性涂料。轮毂在喷涂前进行预处理,使之形成一层化学转化膜,这样可以提高涂料的附着性能,预处理是采用环保型的无铬化处理。涂层的喷涂顺序是:喷底粉→喷水性漆→喷透明粉,每喷一层涂层都要进行一次烘干处理,并进行相关的性能试验。
2.5性能试验
国家政府相关部门对轮毂只是限定最低安全要求,而德国的铝轮毂能够承受的载荷比标准规定的要高出10倍。各种铝轮毂不仅需要经过苛刻的试验室综合性能模拟试验,而且要在泥泞、盐碱、细砂和碎石等各种实际路况上经受长时间路试,以验证其综合性能。
2.6锻造技术
锻造铝轮毂是使用8000t级锻压设备来制造的。锻造工艺过程是将经过高温预热的圆柱形合金原料坯件,经过预锻、成形锻压制咸轮毂的机加毛坯形状。与非锻造工艺制造的普通铝轮毂相比,该工艺可使轮毂的强度提高3倍,同尺寸的轮毂质量可减轻20%以上。这项技术与旋压技术结合,主要用于赛车、跑车、越野车,大型客车、载货车等轮毂的生产。材料主要采用6000系列变形铝合金,生产过程为锻坯加热→预锻→成形锻。
2.7旋压技术
旋压工艺技术是在特定的温度和压力下,通过持续的旋转运动将轮毂的轮辋部位不断滚动延展,保持金属的致密程度和整个轮毂的动平衡,使轮辋更薄、更轻、更耐用。旋压出的轮毂在保持足够强度的同时,能大大减少材料的厚度,与普通铝轮毂相比,同尺寸的轮毂质量可减轻约15%。这项技术主要用于赛车、跑车、越野车等轮毂的生产,也可对铸造毛坯、纯铝件加工后采用旋压工艺。
3结束语
我国在20世纪80年代末期开始了铝轮毂的试制,伴随着中国汽车工业的快速发展,我国铝轮毂行业出现了强劲增长势头,经过个几年的艰苦努力,年生产能力已经超过了4000万件,已经成为世界第三大生产国。在铝轮毂的设计开发和制造技术方面,与德国等世界先进水平相比,国内企业尚存在较大的差距,即总体的生产技术与装备水平、产品的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步提高,因此我们还谈不上是铝轮毂生产强国。我们只有通过对比找出自身的差距。加大科研技术投入、下大力气进行技术创新,才能在不远的将来超越发达国家成为世界铝轮毂生产强国。
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