摘要：概述了铝合金车轮的特点、优势以及常用材料，介绍了铝合金车轮的主要制造技术，包括主要的铸造工艺：重力铸造、低压铸造、反压铸造和挤压铸造。重点介绍了锻造旋压工艺在铝合金车轮制造中的应用情况和发展前景，指出数值模拟技术在未来铝合金车轮制造中将发挥的重要作用。
关键词：铝合金车轮；制造技术；铸造；锻造旋压；数值模拟
前言
近年来，汽车工业朝着轻量化方向发展，在汽车中使用轻金属材料，成为减轻车身重量的有效措施。铝合金作为结构材料在车轮制造中得到了广泛应用，铝合金车轮与钢制车轮相比具有自身重量轻、传热性能好、散热效率高等优点，同时也能降低汽车制动时产生的热载荷，提高汽车的安全系数。铝合金车轮的大量使用符合材料高性能化、高质量化、高效率化、低成本化、低负荷化的“三高两低”的发展方向。目前铝车轮的生产工艺主要有铸造和锻造两种。
1铝合金车轮的常用材料
目前，铸造铝合金车轮主要有两类：一类是不需要热处理的，选用AlSi11或与之类似的合金；另一类是需要通过热处理提高静态力学性能以增加车轮寿命及塑性的，采用ZL101A或A356.2合金[1]。锻造铝合金车轮所用材料主要包括6061、6082、7075等，其中6061为应用最广泛的锻造铝合金。
2铝合金车轮的铸造技术
目前铸造铝合金车轮约占到铝合金车轮产品总量的95%，是最普遍的生产技术。铝合金车轮的铸造工艺主要有4种：重力铸造、低压铸造、反压铸造和挤压铸造。世界上大部分铝合金车轮采用低压铸造生产，是铝合金车轮铸造工艺中的主要技术，低压铸造铝合金车轮占我国铸造铝合金车轮全部产量的80%以上。
2.1重力铸造
重力铸造是最传统的铸造技术，工艺简单，模具寿命长，成本低，能够经济地进行大批量生产。但依靠金属溶液的自重充型，产品的致密性低，容易产生沙眼和孔洞等缺陷，表面性能较差，强度低。现在只有极少数厂家采用该工艺制造铝合金车轮，已经逐渐被其他工艺取代，趋于淘汰。目前只有日本EmKei（远轻）公司和部分国内厂家采用这种工艺，产量仅占其全部车轮产量的20%[2]。
2.2低压铸造
低压铸造技术已经发展相当成熟，其一般工艺过程是首先装配好金属升液管和铸型，并进行密封然后通入气体，接着将金属液经升液管压入铸型中，结晶后解除压力，使未凝固的金属液回流，最后打开铸型，取出铸件[3]。该工艺成本比传统的重力铸造稍高，能够在压力下进行结晶，得到均匀密度组织，并且具有较好的成形性和表面光洁度。但低压铸造在用于生产壁厚悬殊大、形状复杂、尺寸较大的铝合金车轮时容易产生一些铸造缺陷。
2.3反压铸造
反压铸造也被称作为压差铸造，是在低压铸造基础上发展起来的较为先进的铸造方法，利用压力差将金属充填进模具，能够得到更好的致密性和力学性能，提高材料的利用率，并且可以将气体融入到合金中，进一步提高强度和耐磨性。但其设备过于庞大，操作比较复杂。反压铸造可以分为低反压铸造、中反压铸造和高反压铸造。其中高反压模铸（HCM）可以近乎达到锻造的效果，德国BBS公司的RX/RY系列的铝合金轮毂就是用高反压模铸法制造的[4]。
2.4挤压铸造
挤压铸造集铸造和锻造特点于一体，也被称为液态模锻，是将熔融或半熔融状态的金属直接注入模具，形成外部形状，接着施加高压，发生塑性变形和高压凝固，得到最终的制件。该工艺的挤压比能够达到1000MPa以上，得到的制件没有缩孔、缩松等缺陷，工序简单，产品的组织结构和力学强度接近于锻件，具有潜在的应用前景。但是对于结构复杂的产品，挤压铸造难以进行生产，在一定程度上限制了挤压铸造的应用领域。该工艺在国内主要用来生产摩托车的铝合金车轮，日本的UBE（宇部兴产机械株式会社）对低压铸造技术的应用最为成功[5]。路洪洲等提出一种制造半固态铝合金车轮的方法，该方法将“近液相线半连续铸造方法”（near-liquidussemi-continuouscasting，LSC）和半固态挤压铸造相结合，首先通过LSC制造出6063铝合金半固体坯料，该坯料具有近球状、非枝晶且晶粒细小的显微组织结构，然后半固态铝合金坯料二次重熔后进行挤压铸造，该方法对半固态铝合金车轮的制造有一定的指导作用[6]。
3铝合金车轮的锻造技术
传统的铸造铝合金车轮技术工序较多、设备庞大、成本过高，并且产品容易有缺陷，质量很难保证。锻造-旋压工艺制造的铝合金车轮可以使铝合金车轮的壁厚减薄，重量减轻，车轮尺寸越大，轻量化效果越显著，没有了铸造工艺产生的气孔、疏松等缺陷，力学性能大幅提高。
3.1锻造-旋压复合工艺
锻造-旋压复合工艺的过程一般为：预锻制坯→锻造成形→精密旋压→热处理→机加工。旋压工艺是在一定的温度和压力条件下，通过旋转与挤压将轮毂进行延展，在锻造成形后，加入旋压工艺，能够在保证刚度的情况下使轮毂的壁厚大大减小，同时轮毂整体的动平衡和材料致密度也较好，使轮毂更轻更耐用。美铝车轮和运输产品部（AWTP）在苏州开设的铝车轮工厂使用的就是这种工艺，生产出的铝车轮强度是铸造铝车轮的4倍[7]。
3.2珀然锻造有限公司的铝合金车轮锻造工艺
图1是江苏珀然锻造有限公司采用锻造-旋压复合工艺生产的6061铝合金车轮。他们的生产工艺包括：6061铝合金棒料采用锯床锯切成重量为50kg重的棒料，在温度460～490℃的条件下预热2～3h。采用6000t压力锻造机进行预锻，锻成碗口形状，然后将锻坯翻转，通过12000t压力反面锻一次，锻成桶状。使材料有最大的流动性，从而达到材料的最佳流线，轮毂的轮辋造型通过25t的旋压机滚压成形。热处理工艺为固溶温度535±5℃，保温2～3h，在15min内淬火，水温40～60℃，在水中冷却120min时间。时效温度为170±5℃，保温9h。材料的机械性能达到抗拉强度330MPa，屈服强度300MPa，延伸率12%以上。与铸造铝车轮相比锻造铝车轮具有如下优点：（1）重量轻，操纵性好，可减重30%左右；（2）纤维化的晶粒组织使强度更高，安全可靠，机械性能是铸造的1.4倍左右；（3）散热更佳，不易爆胎；（4）真圆度高，动平衡佳；（5）一体成型，漂亮美观；（6）经济省油，节能环保。但由于该工艺成本高、工艺繁杂、投资大，还没有得到广泛的应用。不过对于汽车轮毂产业来说，不论从锻造铝车轮自身的优点，还是国家对于锻造铝车轮的政策来看，锻造铝车轮都有着巨大的市场潜力和应用前景，越来越多的汽车制造厂商都会选择锻造铝车轮。Wang等[8]利用触变锻造A356铝合金车轮，热处理后抗拉强度327.6MPa，屈服强度228.3MPa，伸长率7.8%。
4数值模拟在铝合金车轮制造中的应用
Sui等[9]建立低压铸造铝车轮的仿真试验，对低压铸造铝车轮的冷却和保温进行数字仿真，确定了不同阶段的冷却时间，优化了工艺参数，铸造的铝车轮经检测，证实能够有效地减少孔隙率缺陷，为低压铸造铝车轮的冷却工艺提供了参考。张立娟[10]利用有限元数值模拟了铝车轮旋压毛坯在高温下的受力情况，对比了模具改进前后毛坯旋压成形的结果，表明传统模具设计不能避免车轮的旋压变形，而新型模具设计能够有效防止车轮变形。对新型模具进行了试验验证，解决了铝合金车轮旋压过程的端面变形问题，为旋压铝合金车轮的模具优化设计提供了一定的指导作用。杨栋[11]等对7075铝合金的热镦粗过程进行热模拟压缩实验，研究了温度、应变速率、变形量对晶粒显微组织的影响，得到了7075铝合金在热变形动态再结晶过程中的晶粒度演化模型，使用该模型预报的晶粒尺寸与试验结果非常接近，误差最大不超过5.6%。
5铝合金车轮的发展趋势
未来铝合金车轮的发展趋势是根据车轮的使用环境和性能要求，选择合适的制造工艺，缩短制造流程，进一步降低成本，提高力学性能，充分利用数值模拟技术缩短研发周期，锻造旋压工艺将成为高性能铝合金车轮制造的首选。
作者：庞午骥 曹振伟 万金华 单位：淮海工学院机械工程学院 中国矿业大学机电工程学院 江苏珀然锻造有限公司
