压铸工艺学习 汽车铝合金压铸轮毂成形工艺

轮毂是汽车行驶系统中的重要部件之一，也是一种要求较高的保安件。与钢制汽车轮毂相比，铝合金压铸汽车轮毂具有如下优点：

重量轻，可比钢制车轮毂重量减轻30%～40%，而据有关资料介绍，汽车的质量每减少1%，其耗油量将降低0.6%～1%；

减震性能好，吸收冲击能量强，从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；导热性好，热导率约为钢的3倍，可以降低轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命；

外形美观，采用不同工艺生产铝合金压铸轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足各类使用者的审美要求。

铝合金压铸轮毂的成形方法有很多，主要可分为铸造法和锻造法。轿车铝轮毂目前多用低压铸造工艺成形，为了提高其性能，现在有向挤压铸造（液态模锻）成形、半固态模锻成形方向发展的趋势。由于铸造法生产铝合金压铸轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，铸造法仍是生产铝合金压铸轮毂最普遍的方法，在目前全世界生产的铝合金压铸轮毂中，铸造的占80%以上。

一、铸造法

1金属型重力铸造法

金属型重力铸造是指在常压下，液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铝合金压铸件的一种铸造方法，这也是一种古老的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，因而铝合金压铸件比砂型铸造的组织致密，该法工序简单，生产效率高，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝合金压铸轮毂内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时金属液的收得率也较低。国外铝合金压铸轮毂生产此工艺已趋于淘汰，但国内有一些厂家仍在采用此工艺。

2金属型低压铸造法

低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定压力（一般为20～60kPa）直到铝合金压铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固，所以充填性好，铝合金压铸件缩松少，致密性高。该法中，坩埚表面的氧化膜不会被破坏，与其它铸造方法比较，气孔和夹渣缺陷少，产品内部质量好。由于低压铸造利用压力充型和补充，大大简化了浇冒系统的结构，使金属液收得率大大提高，一般可达90%，而金属型重力铸造仅40%～60%。目前低压铸造已成为铝合金压铸轮毂生产的首选工艺，日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的Wiru厂和Amcast工业有限公司的Wheel Tek分公司等均采用此工艺生产铝合金压铸轮毂，国内的铝合金压铸轮毂制造企业多数也采用此工艺生产，现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金压铸汽车及摩托车轮毂。低压铸造法的缺点是铸造时间较长，加铝料、换模具费时间，设备投资大，低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。

3压力铸造法

压力铸造的实质是使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铝合金压铸件的一种方法。采用压铸工艺生产的铝合金压铸件组织致密，机械性能好，强度和表面硬度较高，铝合金压铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝合金压铸轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难完全排除，常以气孔形式存留在铸件中，这些铝合金压铸件孔隙中的气体在热处理过程中会发生膨胀，使得铝合金压铸件“起泡”。为使铝合金压铸件也能适用于汽车保安件，近年来出现了一些无气孔压铸新工艺，最有代表的是充氧压铸法。充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充氧置换，并在高速高压下进行压铸，当液体金属充填时，一方面通过排气槽排出氧气，另一方面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应，形成氧化铝小微粒，分散在铝合金压铸件内部，使铝合金压铸件内不产生气孔。用充氧压铸法生产的铝合金压铸件，含气量为只有普通压铸法的1/10，可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比，充氧压铸的铝合金压铸轮毂具有成品率高，组织致密，良好的拉伸强度和耐疲劳性能等优点。国外该方法已广泛用于铝合金压铸轮毂的生产，日本轻金属株式会社于1983年开始用此方法大批量生产轿车铝合金压铸轮毂，较采用其它铸造方法生产的同类产品重量减少了15%，机加工切削量由原来的2～3mm减少到0.75mm，轮毂价格降低了10%。美国铸锻公司于1982年开始用充氧压铸法生产汽车铝合金压铸轮毂，代替了原来的低压铸造法，并使铝轮毂的重量减轻了18%。由于有较高的机械性能和较轻的重量，充氧压铸铝轮毂用于紧急救援车和高级车辆是十分理想的。

4挤压铸造法

挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳，没有湍流和不包卷气体，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密、晶粒细化，机械性能比低压铸造件高。产品既有接近锻件的优良机械性能，又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件，汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件，金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求，但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。日本已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产，丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备，每台设备不到2min即可生产一件铝轮毂，从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制，自动化程度非常高。国内也在广东建造了一个现代化的挤压铸造汽车铝合金轮毂厂，已生产多种规格和型号的汽车铝轮毂，经鉴定产品质量达到了国外同类产品先进水平。目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮毂生产的方向之一。

二、锻造法

1常规锻造法

锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%～17%，因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外，锻造铝轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本比铸造的高得多。

2铸造锻造法

针对常规锻造工序多，成本高的问题，近年来出现了一种称为铸造锻造的复合成形技术，它是将铸件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工的方法。由于将锻造作为零件最终成形的工序，因此可以消除铸造缺陷，改善制品的组织结构，使产品的力学性能比铸件大大提高，同时又充分发挥了铸造工艺在成形复杂件方面的优势，使形状复杂的产品锻造工序减少，材料利用率大大提高，生产成本降低。用铸造锻造技术生产铝轮毂，其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，但生产成本可以比普通锻造件下降30%。目前，该工艺自1996年9月成功地应用到批量生产中以来，已被多家日本公司采用，经济效果良好。国内在铸造锻造成形工艺方面虽有一些研究和应用，但还未见应用到铝轮毂的生产中的报道。

３半固态模锻工艺

在金属凝固过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到20%左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在金属凝固过程中施以强烈搅拌，可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中，这种经搅动制备的合金一般称为非枝晶半固态坯料，这种半固态坯料在固相率达到50%～60%时仍具有很好的流动性，可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形，这就是20世纪70年代初由美国麻省理工学院M.C.Flemings教授等开发出的一种新型的金属加工工艺半固态金属成形工艺。所谓半固态模锻，就是将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态后一次模锻成形，获得所需的接近尺寸成品零件的工艺，这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。半固态模锻具有许多独特的优点：零件在模内收缩较小，易于近终化成形，机械加工量减少；半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学性能高于压铸和挤压铸造件；成形不易裹气，宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多；成形温度低，模具寿命长。近10年来，半固态成形技术在国外获得了广泛的应用，已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域，被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相当长的一段时期内，半固态成形的主要市场是汽车工业，应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂，其中美国的AEMP（Alumax EngineeredMetal Process）公司与Superior工业公司合作于1992年在阿肯色州建成了全球首家半固态模锻铝合金汽车轮毂厂。用半固态模锻代替低压铸造生产ZL101铝合金车轮毂，不仅能减少机械加工量和提高生产率，而且还可以提高机械性能，减轻质量。国内对这种技术的研究起步较晚，虽然也有一些研究成果报道，但实际应用得很少。半固态模锻铝合金轮毂是一项高新技术，有一系列的优点，期待国内在新建的铝轮毂厂中，能有一个半固态模锻厂，以提高国产汽车在国际市场上的竞争能力。

三、结语

提高铝合金压铸模具设计与制造水平是改善产品质量和增强市场竞争力之关键所在，而数值模拟技术在铝合金压铸模具设计优化中起着十分重要的作用。国内外同行借助数值模拟方法对优化铝合金压铸模具（包括挤压过程和挤压工艺）进行了有益尝试，取得了不少科研和应用成果，这种动向值得注意。尽快把最新的有限元分析技术应用到整个铝合金压铸模具设计与制造过程中，让更多的模具工程师掌握这种优化设计方法，以提高我国铝合金压铸行业及其模具制造业的市场竞争力。