汽车铝合金轮毂铸造工艺研究

汽车铝合金轮毂铸造工艺研究

徐宁

(福州大学机械工程及自动化学院，福州350003)

摘要：结合汽车轮毂的铸造工艺实际情况，从合金材料选择、加压参数确定、浇铸尺寸确定、热处理变形控制和物理指标控制等方面分析汽车轮毂的金属模铸造工艺，总结汽车轮毂铸造过程中的工艺优化和提高铝合金轮毂的机械性能的途径。

关键词：铝合金轮毂；铸造工艺；汽车配件；变形控制；物理指标

收稿日期:2014-11-26

基金项目:福建省科技厅重点项目(2011H0007)

作者简介:徐宁(1959-)，男 ，湖南长沙人，副教授，主要从事机械制造技术方面的研究。

中图分类号：U463.343文献标志码：A

随着制造业的快速发展，铝合金部件逐步在汽车制造、飞机制造等机械制造业得到广泛应用，随着汽车工业轻量化进程的发展，汽车铝合金轮毂的研究成为了汽车工业的重要内容，但是由于对部件的结构复杂、尺寸多样，铝合金轮毂的铸造由于在浇注时热量分布、大尺寸部件的组合型芯精度难以控制，铸件内部质量和表面精度一直是阻碍铝合金轮毂发展的难题。

1铝合金轮毂在汽车制造业中的应用

1.1汽车铝合金轮毂的成型方法分析

汽车零部件的应用，包括汽缸盖，轮毂，进气歧管，汽缸盖罩，油底壳，发动机置挂支架，齿轮室和齿轮室盖等产品。由于轮毂的结构和种类较多，不同车型和精度要求不同，汽车轮毂的成型方法也在不断发展，比如：锻造法、铸造法、挤压铸造成型(液态模锻)以及半固态模锻成型等工艺，随着汽车制造技术的发展，汽车轮毂的制造也在由过去的低压铸造为主，逐渐的向挤压铸造和半固态铸造的方向发展[1]。

1.2铝合金轮毂的铸造工艺及工艺条件确定

铝合金汽车轮毂的工艺管理流程为：

铸件工艺分析→绘制铸件图→设计工装模具→制造工装模具→铸件的浇注及热处理→铸件检验→交付铸件并进行试加工→根据试加工结论进行模具修整→试生产→全面质量评审→工艺文件定型→总结归档

铸造工艺成型一般为：

配料准备→制造毛坯→热处理→机加工→喷涂→检验包装。

图1　奥迪A6 18″汽车铝合金轮毂

2汽车用铝合金轮毂铸造工艺控制分析

本次工艺分析以奥迪A6 18″铝合金轮毂的铸造为例进行工艺分析，轮毂外形尺寸为：18″×8″、ET45、PCD为5-112、CB 66.5。最大外径420mm，中心部位壁厚10-30mm，其他部位壁厚8.0-9.5mm，重量为5.65kg，三维实体如图1所示。

2.1部件指标分析

根据设计要求，铸件技术指标如下[2]：

1)铸件按HB 963-2001中Ⅲ类要求验收，指定部位按Ⅱ类要求验收；

2)铸件热处理状态为HB 5446-1990中T5；

3)材料化学成分为ZL205A铝合金；

4)热处理后力学性能为σb≥460MPa，δ5≥7%；

5)铸件应逐件尺寸检查，在保证加工面不小于1mm加工量的前提下按HB6103中规定CT11级验收，大于300mm尺寸按CT12级验收。

2.2浇铸方法选取

对比各类轮毂制造工艺，根据成本控制和精度要求来说，目前普遍选用的低压铸造法已成为最为经济和符合轮毂精度要求的铝合金轮毂生产铸造方法。我们在生产中用干燥、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(20～60kPa)直到铸件凝固后释放压力。此工艺在压力下充型和凝固，所以充填性好，铸件缩松少，致密性高。

2.3材料及合金配比参数选择

铸造材料选择按照项目需要优选了最佳产品和技术检验标准如表1所示。

表1　配套原材料清单

在目前高强度铝合金中，以Al-Cu-Mn系高强度铸造铝合金是最佳选择，项目中设计的铝合金就是选用这种铝合金工艺配比，同时根据需要添加了Ti、Cd、Zr、V、B等元素，具体成分配比如表2所示。

表2　ZL205A合金化学成分(%)

通过上述合金配比优化，使铝合金具有强度高、塑性好、硬度高、机械加工性优良、表面处理性好等优点，经热处理后，具有良好的力学性能，完全符合汽车轮毂的高性能要求。

2.4浇筑尺寸的确定

轮毂尺寸的确定是轮毂成型的重要工序，轮毂铸造模具是典型的金属型型腔模具，其模具是由成型、铸型排气、浇注、冷却和顶出几部分组成。铸造模具如图2所示。

图2　 汽车轮毂铸造模具结构图 注：图中 1-下模具冷却组件　2-下模　3-侧模　4-铁浇口套 5-上模冷却组件　6-上模　7-分流锥型立筒　8-上模连接环

2.4.1分型面确定

铸型的分型采用水平分型，由上模、下模和侧模三部分组成。上、下模材料采用热作模具钢，侧模则选用35CrMo 或QT400模具钢。为保证加工尺寸精确，上模与下模分型面选择在离车轮下端面上偏尺寸R处，侧模为与机器的水平液压抽芯机构连接的四块均等结构，并定位在上模的T型槽中。

2.4.2型腔尺寸确定

型腔尺寸的确定需要根据机加工余量和冷却顺序的渐变度,一般上部比下部增厚0.5-1mm。

2.4.3壁厚的确定

低压铸造工艺中，有效控制铸件的凝固过程是对壁厚控制的关键，而轮毂的不同部位由于壁厚不同，凝固时间就有所差异，因此需要确定每一部分的壁厚比，例如，中间铸口部位必须是最后冷却部位，才能起到补缩作用，此处壁厚比(铸型壁厚δm/铸件壁厚δt)控制在1.5-1.8之间，在轮毂边缘部位铸件壁最薄，应促进其快速冷却凝固，可选壁厚比4-4.8，存在着热节点的轮辋与轮幅相连接部位，则选择5以上的壁厚比，增大其冷却强度[3]。

2.4.4排气系统的设计

铸件采取分型面、顶出杆等处的间隙设置排气槽和排气塞来实现排气，在上模芯组件周边设置间隔5mm、深0.8-1mm的V型排气槽，在分流锥与上模芯组件配合处开设了深0.4mm的排气槽，并设置0.1-0.2mm的推杆间隙和排气塞。

2.4.5浇注系统设计

金属液充型时升液出口面积∑F的计算按照公式(1)：

(1)

(1)式中：G为金属液质量(5.65kg)t为充型时间

μ为金属液在某温度的阻力因数(0.35) g为重力加速度

γ为金属液在该温度时的密度2.4g/cm2H为金属液上升高度

金属液的线速度计算公式为：

(2)

通过公式(1)和(2)计算得出金属液充型线速度ω=65.4 cm/s，小于150 cm/s，在浇口与分流锥之间设置陶瓷过滤网(孔洞率>60%)，可以有效地避免紊流。

2.4.6冷却

本次铸造模具设置水冷却和保温棉等措施平衡不同部位的冷却速度，以保证顺序冷却。如在轮毂的热节处、模具外围设置保温棉，在车轮轮辐设置水冷却，而中心浇口处、轮辋部位则不设置冷却。

2.5热处理工艺参数的控制

2.5.1固溶温度控制

由于在加热过程中，高温有利于分子扩散从而使固溶体均匀，流动性好，但是，温度过高就会使铸件氧化加剧，合金成分变化，形成粗大的二次再结晶体，破坏其力学性能。根据合金成分的配比和性能分析，铝合金轮毂的铸造固溶温度可选择(535±5)℃。

2.5.2时效控制

固溶处理的最佳时效包括两个方面：常温时效和人工时效。淬火延续时间一般控制在30s以内，虽然淬火水温越低，冷却速度越快，但是，由于低温容易使合金变形，所以，根据所取合金配比成分，淬火水温控制在50-70℃之间最佳。淬火处理后到回火处理前的常温时效阶段，时间与铸件伸长率的提高成正比，但与抗拉强度和屈服强度成反比。通过测试处理后的铸件硬度可以确定温度与时间的各种参数，从而确定铝合金轮毂热处理工艺规范：固溶温度可选(535±5)℃、淬火水温60℃，延续时间小于15s、时效处理保持在(165±5)℃保温3～4h。在实际生产中可根据铸件尺寸大小、使用设备等实际情况适当调整。

2.5.3淬火尺寸变形控制

铸件的热处理变形主要包括应力释放变形、自重变形与淬火变形，根据不同变形产生的原因进行风险控制，其中在淬火时温度场分布不均匀发生的淬火变形是逐渐变形的主要方面，可以通过设计热处理工装对铸件淬火变形进行控制。在处理时选择垂直淬火，固溶结束后迅速采用液压机对铸件支臂尺寸进行校正直至符合图纸要求后，再进行时效处理。

2.6力学性能指标控制

影响铸件力学性能指标的风险因素，在已经取得合金配比优化之后，还需要充分的控制铸件充型的完整与均匀，避免欠铸和局部疏松(气孔)、贯通性疏松或开裂缺陷，这些都能够影响铸件的力学性能指标，造成质量隐患。这些铸造缺陷可以通过Vltomex工业CT对铸件内部组织进行了缺陷扫描，在排除内部缺陷后，以SHT4106-G型微机电液伺服万能试验数据为依据，具体控制措施已在铸造工艺设计优化中基本得到了控制[4]。

2.7外形尺寸精度控制

铸件的外形尺寸精度的控制除了在铸模的尺寸设计中要严格控制铸模尺寸之外，还需要进行气密性检验，铝合金轮毂的气密性检验一般采用水压试验(0．4MPa的气压下保压30s)或者氦气质谱漏气检验(漏气速率 1×10～Pa·cm /s)，然后根据尺寸精度检验结果对表面缺陷进行一定范围内的适当打磨和补铸。

3结语

汽车铝合金轮毂正在朝着大直径、高强度、轻量化、美观化的方向发展，在其生产制造研究中，不断的有新工艺和新要求出现，本次采取增强激冷或补缩，以促其形成顺序凝固。通过上述控制措施的实施，可以有效地控制铝合金挂梁铸件项目研制过程，经过生产验证，取得了良好的控制效果。

参考文献:

[1]王华侨，盛学斌，耿巍麟.铝合金先进铸造技术在发动机关键零部件成形中的应用(上)[J].金属加工(热加工)，2009(13)：12-16.

[2]王新节.汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用[J].铸造设备研究，2007(1)：21-27.

[3]关绍康，姚波，王迎新.汽车铝合金车身板材的研究现状及发展趋势[J].机械工程材料，2001(5)：18-23.

[4]李双寿，汤彬，曾大本，等.汽车用轻合金轮毂的发展及展望[C]//第四届有色合金及特种铸造国际会议论文集，2005：62-67.

责任编辑：吴旭云

Research on Technology of Automobile Aluminum Alloy Wheel Hub Casting

XU Ning

(School of Machine Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350003，China)

Abstract：Combining with the practical situation of automobile wheel hub casting process, this paper, from the alloy material selection, pressure parameters determination, casting size determination，heat treatment deformation control and physical index control，analyzes the metal mold casting process of automobile wheel hub, and sums up paths of the process optimization and ways to improve the mechanical performance of aluminum alloy wheel hub in the process of automobile wheel hub casting.

Keywords：aluminum alloy wheel hub; casting process; auto parts; deformation control; physical index