輪圈鑄造工藝介紹及相對應(yīng)的一些常見失效模式匯總


↑常見輪圈

當代的輪圈按照材料主要分為鐵輪圈和輕合金輪圈，而輕合金輪轂又以鋁合金產(chǎn)品為主。在今天的汽車市場中大多數(shù)車型使用的都是鋁合金輪圈。


↑一只鐵輪圈


↑多只鋁輪圈

目前，鋁合金輪圈制造工藝基本可分為三種，第一種是鑄造，相對來說是目前大多數(shù)汽車廠商都選擇使用的工藝；第二種是鍛造；第三種是MAT旋壓技術(shù)。

制造鋁制輪圈所使用的鋁合金材料包括A356、6061等。A356被鑄造鋁制輪圈大量選用，6061主要被鍛造鋁制輪圈選用。兩種材質(zhì)均是技術(shù)成熟的鋁合金材料。

01  鑄造法

•  重力鑄造法

重力鑄造，簡單地說，主要是靠鋁水自身的重力來沖填鑄模，是一種早期就開始使用的制造方法，具有成本低、工序簡單且生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢。

然而，澆注過程中夾雜物易卷入鑄件，有時還會卷入氣體，形成氣孔缺陷。重力鑄造生產(chǎn)的輪圈易產(chǎn)生縮孔縮松且內(nèi)部質(zhì)量較差，此外，鋁液流動性的限制也有可能導(dǎo)致造型復(fù)雜的輪轂良品率低。

•  低壓鑄造法

低壓鑄造是指鋁液在壓力作用下充入模具，在有壓力的情況下進行凝固結(jié)晶的工藝。

同樣的情況下，與重力鑄造相比，低壓鑄造輪轂內(nèi)部組織更為密實，強度更高。

此外，低壓鑄造利用壓力充型和補充，極大簡化澆冒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使金屬液收得率可達90%。目前，低壓鑄造已成為鋁輪圈生產(chǎn)的首選工藝，國內(nèi)多數(shù)鋁合金輪圈制造企業(yè)都采用此工藝生產(chǎn)。

但低壓鑄造法也有其缺點：鑄造時間較長、加料、換模具耗時長，設(shè)備投資高等。


↑低壓鑄造設(shè)備

02  鍛造法

•  鍛造法

鍛造是固體到固體的變化，通過拍、壓、鍛等手段來形成輪轂樣式。

在這整個過程中，不會發(fā)生液相變化，都是固體變化，所以它的力學(xué)性能比鑄造要高，生產(chǎn)的輪轂具有強度高、抗蝕性好、尺寸精確等優(yōu)點。晶粒流向與受力的方向一致，因此強度、韌性與疲勞強度均顯著優(yōu)于鑄造鋁輪圈。同時，鍛造鋁輪轂的典型伸長率為12%~17%，因而能很好的吸收道路的震動和應(yīng)力。另外，鍛造鋁輪圈表面無氣孔，因而具有很好的表面處理能力。

但是，鍛造鋁輪圈的最大缺點是生產(chǎn)工序多，生產(chǎn)成本比鑄造的高得多。雖然鍛造輪圈的性能更好，但汽車廠商在大部分車輛上還是主要使用鑄造輪圈，只有少部分豪華車配備鍛造輪圈。

•  擠壓鑄造法

擠壓鑄造也稱為液態(tài)模鍛，是集鑄造和鍛造特點于一體的工藝方法——將一定量的金屬液體直接澆入敞開的金屬型內(nèi)，通過沖頭以一定的壓力作用于液體金屬上，使之充填、成形和結(jié)晶凝固，并在結(jié)晶過程中產(chǎn)生一定量的塑性變形。

優(yōu)勢：充型平穩(wěn)，金屬直接在壓力下結(jié)晶凝固，所以鑄件不會產(chǎn)生氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷，且組織致密，機械性能比低壓鑄造件高且投資大大低于低壓鑄造法。缺點：與傳統(tǒng)鍛造產(chǎn)品一樣，需要銑削加工來完成輪輻的造型。

03  旋壓技術(shù)

旋壓技術(shù)最先在日本投入使用，嚴格而言仍應(yīng)算是鑄造中的一種，指的是在輪圈整體鑄造出型后再利用專用設(shè)備對受力處進行旋轉(zhuǎn)加壓處理，使得被處理位置金屬內(nèi)部分子排列發(fā)生改變，具體的分割面相比起一般鑄造產(chǎn)品呈現(xiàn)密度更高的纖維狀，從而改變整體金屬力學(xué)的工藝方法。

旋壓技術(shù)制造的輪圈的質(zhì)量、強度、延伸性等特性都已接近于鍛造輪圈，且現(xiàn)對于鍛造輪圈來說，更易生產(chǎn)?？偟膩碚f，MAT旋壓技術(shù)既可相對保證輪轂制造成本，同時還可使鑄造輪圈打造出與鍛造輪圈相近的重量和強度。目前由于國內(nèi)技術(shù)成熟度及成本原因，故應(yīng)用不多。




汽車行駛過程會產(chǎn)生橫向和縱向載荷，同時伴隨驅(qū)動力矩和制動力矩等，因此車輪需要承受相當大的載荷。為了確保用戶使用車輪的安全性，對每種規(guī)格的車輪都必須進行彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗及沖擊試驗三項性能試驗。

低壓鑄造擁有其他鑄造方式所沒有的優(yōu)點，且大部分的車輪均采用低壓鑄造方式，因此今天我們以低壓鑄造為例，結(jié)合上述三項試驗，來為大家分析一下在低壓鑄造過程中容易出現(xiàn)的鑄造缺陷。

•  縮松和氣孔缺陷

在Smithers從業(yè)多年的專家們眼中，縮松和氣孔的缺陷是測試發(fā)生失效的重要原因之一，產(chǎn)品缺陷降低了產(chǎn)品的延伸率,使得抗疲勞性能下降。

例如由于鑄造過程中冷卻工藝不合適或流道設(shè)置不合理，可能會出現(xiàn)輪輻及輪輞連接處的組織縮孔或疏松，同時晶粒結(jié)構(gòu)也會偏大。在進行測試時由于縮孔或疏松造成的應(yīng)力集中，容易在該部位導(dǎo)致裂紋源的產(chǎn)生。


↑輪輻及輪輞連接處的組織縮孔或疏松導(dǎo)致的失效

•  輪芯區(qū)域冷卻速度過低

由于低壓鑄造工藝的特點，輪心區(qū)域冷卻速度過低，導(dǎo)致部分區(qū)域硅變質(zhì)不好，從而導(dǎo)致機械性能較差，也是測試失效的原因之一。

例如安裝盤位置由于最終凝固結(jié)晶，如果模具的安裝盤位置冷卻風管的脫落或堵塞會導(dǎo)致冷卻速率過慢，造成晶粒粗大，變質(zhì)不好，降低產(chǎn)品的機械性能。


↑工藝特點導(dǎo)致的失效

•  車輪結(jié)構(gòu)問題

由于車輪結(jié)構(gòu)問題，部分區(qū)域比較薄弱不能承擔載荷壓力也是失效的原因之一。

例如目前由于車輪產(chǎn)品的輕量化趨勢，為了減輕產(chǎn)品重量，車輪各個部位會盡量減薄，可能導(dǎo)致部分位置由于過分減薄而無法承受設(shè)定的試驗載荷。


↑區(qū)域薄弱導(dǎo)致的失效

除了以上幾種失效外，車輪測試還有很多失效位置及失效原因。篇幅問題，今天暫不展開詳述。所有的失效原因追溯均需要對車輪的生產(chǎn)過程進行分析，并結(jié)合模擬結(jié)果優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)進行改善。




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