锻造铝车轮的生产工艺简介及应用现状

刘智冲，勾春宇，常海平

( 中信戴卡轮毂制造股份有限公司，河北秦皇岛066003)

0 前言

铝车轮的生产工艺现在主要有两种，即铸造工艺和锻造工艺。目前应用最普遍的是铸造铝车轮，约占到铝车轮产品总量的95%。锻造铝车轮较铸造铝车轮机械性能更高、重量更轻、抗疲劳性更好，但由于工艺复杂、设备投资大、生产成本高，因而还没有得到大面积推广应用。随着汽车行业对轻量、高速、安全、环保等需求的日益迫切，锻造铝车轮在汽车领域中的应用将会越来越受到重视，逐步会成为高端轿车、载货卡车、商用客车等的最佳选择［1-2］。

1 锻造铝车轮的材料

一般来说，所有的变形铝合金都可用于锻造，但由于车轮锻件以强度为主要指标，所以铝车轮宜选用高强度、易热处理的形变铝合金，比如6061、6082 等，其化学成分如表1 所示。

锻造铝车轮的毛坯一般采用直径为8 寸(26.7 cm) 或其他规格的铸棒，使用前需对坯料的尺寸、重量、化学成分、显微组织、外观质量、含氢量等进行检查，尤其注意要尽可能地减少材料中的金属杂质和非金属杂质的有害作用。6061 合金中的有害金属杂质主要是Fe，Fe 在该合金中形成FeAl3，对性能有害，特别是对延伸率影响较大; 非金属杂质主要是氢和氧化膜，其来源之一是精炼气体中的水分，因为水与铝会发生反应，如有氢和氧化膜存在，热处理固溶后产品探伤会不合格，另外，它们对性能的危害也很大，会显著降低延伸率［3］。

表1 锻造铝车轮材料6061、6082 的化学成分%

2 锻造铝车轮的生产工艺

铝车轮的锻造成形是盘状或棒状的铸态坯料(图1) 在热状态下进行塑性变形的过程，与低压铸造相比，生产工艺有着明显的差异。

锻造铝车轮的生产工艺流程一般为：

制坯→锻造→旋压→热处理→机加工→涂装

(1) 制坯： 锻造铝车轮生产工艺的首要工序是制坯，利用摆动碾压(旋转锻造) 技术，将圆柱棒料制成饼状料，如图2所示，为后续的锻造成形提供合适的坯料。

摆动碾压技术是利用一个带圆锥的上模对毛坯局部加工，通过向旋转的毛坯施加一个倾斜力实现成型，这种方式可以在保证效率的前提下大幅度减少能量消耗，摆动碾压可以在250 t的压力下完成3 000 t 以上的普通压力机的工作，另一个优点是这种方式可以将棒料内部的材料均匀地分布到毛坯的表面，形成独特的螺旋形金属流线，从而提高锻造工序的整体表面和性能质量。制坯棒料初始温度可设定为500 ℃以上，模具预热温度约在450 ℃。

(2) 锻造： 锻造工序是将经过高温预热的制坯后毛坯，经过压力机锻造成形车轮的旋压前毛坯，主要是将车轮的轮辐和窗口部位锻造成形，如图3 所示。压力机一般需根据车轮成形所需压力的不同，选择4 000 吨或更高吨位的设备，如图4所示。

根据车轮成形难易程度的不同，锻造工序需考虑锻造的次数，即在一台压力机上进行几次锻造或在2 台压力机上进行初锻、终锻等。6061 铝合金的过烧温度为590 ℃左右，考虑加热炉的温差为±20 ℃，锻造毛坯的温度需控制在约500 ℃。为防止固溶加热过程中产生大晶粒，终锻温度一般控制在450 ℃以下。锻造模具的材料一般选用H13，模具温度需控制在约400 ℃。

(3) 旋压： 因为车轮本身结构原因，车轮的轮辋部位很难锻造成形，需要靠后续的旋压工艺成形。旋压工序是将锻造成形毛坯的短粗轮辋部位加工成形为车轮最终轮辋结构，如图5所示。

旋压设备一般选用立式三旋轮强力旋压机，也可选用卧式旋压机。如图6 所示为德国的立式三旋轮强力车轮旋压机，此旋压机的旋轮头可正、负双向较高速工作进给，在一个工步可完成粗旋和精整过程，辅助工序少，配套上下料机器人、周转带，是锻造铝车轮规模化生产线中的关键设备，生产质量及效率都很高。根据轮辋成形难易的不同，可采用冷旋或热旋工艺。

通过旋压工艺，可得到更高的材料致密性，明显增强力学性能。可将铝车轮的轮辋厚度从4.0 ～6.0 mm (铸造铝车轮)减薄至2.7 ～3.0 mm (锻造旋压铝车轮)。

(4) 热处理： 热处理是通过对毛坯在固态下加热、保温、冷却来改变其内部组织，从而获得所需机械性能的一种工艺方法。

锻造铝车轮一般采用T6 热处理工艺，即先固溶处理，再进行人工时效。采用该工艺可以使6061 锻造铝车轮各部位的抗拉强度均能达到350 MPa 以上。实际操作时，一方面提高固溶温度，使强化相Mg2Si 在固溶处理中充分溶解，同时也相应提高人工时效温度，使Mg2Si 沉淀析出，以获得最大强化效果。

(5) 切削加工： 旋压后的车轮毛坯的内外表面需通过CNC车床进行切削加工，螺栓孔、气门孔等需通过立式加工中心进行加工。铝车轮切削加工所需的CNC 车床和立式加工中心均为加工车轮的专用设备，如图8、9 所示。

(6) 表面处理： 铝车轮的表面处理工艺分为全涂装、抛光、电镀、精车等。

全涂装生产线，设备多，投资大，但生产效率很高，适合大批量规模化生产，如图10 所示。全涂装是铝车轮采用最多的一种表面处理工艺，是指车轮在自动生产线上采用高压静电喷枪和高速旋转喷枪进行喷涂，其涂层厚度和色彩光泽均匀，表面质量好且节省涂料，如图11 所示。涂料需采用客户认可的环保型粉质和水性涂料。车轮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处理。

锻造铝车轮推荐采用抛光工艺。因为锻造铝合金组织致密，表面质量优越，抛光后能达到与电镀媲美的外观效果，同时还可避免电镀对环境的污染，如图12 所示。

3 锻造铝车轮的优点

锻造铝车轮的品质是所有铝车轮制造工艺中最好的，锻造铝车轮有着高密度的金属晶体组织和良好的机械性能，重量轻、强度高、表面质量好。

(1) 机械性能好，和铸造铝车轮相比，强度可提高约60%，延伸率提高约2 倍，如表2 所示。

锻造铝车轮的承载能力强，实验证明，锻造铝车轮在承受72 000 kg 才变形5 cm，铁车轮只承受14 000 kg 后已变形5 cm，换句话说，锻造铝车轮的强度超越铁车轮的5 倍。

锻造铝车轮的刚性好，不易造成轮胎偏磨。按日本轻金属协会测试标准，模拟一辆货车以时速50 km/h 撞向路边石块。结果，锻造铝车轮经过冲击实验基本没有损坏; 而铁车轮损坏程度非常严重而不能够使用。

表2 锻造和铸造铝车轮的性能比较

(2) 重量轻，省油、起步快、制动效果好。相同规格的锻造铝车轮质量比铸造铝车轮轻约20%，比铁车轮轻约50%，如表3 所示。

表3 几种车轮的质量比较

根据世界铝业协会提供的数据，一般情况下汽车每减少10%的质量，其燃油消耗便可降低6% ～8%。由于锻造铝车轮重量轻的特性，安装后行车感觉方向较轻，高速行驶特别平稳; 同时，起步快、刹车轻、制动效果好，从而提高了驾驶舒适性。

(3) 散热快，不宜爆胎、延长轮胎和刹车系统使用寿命。对于高速行驶的汽车来说，因轮胎着地摩擦、制动等产生的高温爆胎、制动效能降低等现象屡见不鲜。

锻造铝车轮的热传导系数是钢铁的3 倍，加上铝车轮因其结构的特征，极易将轮胎、车底盘所产生的热量排散在空气中。即使在长途高速行驶或下坡路连续刹车的情况下，亦能使汽车保持适当的温度降低爆胎率。锻造铝车轮正常行驶时温度比铁车轮低20 ～30 ℃，轮胎在低温状态下可降低磨损26%，使每条轮胎多跑3 ～5 万公里不等。另外，由于车轮行驶温度低，所以对刹车系统不耐高温的材料及配件有极佳的保护效果，从而大大降低了刹车系统的维修费用。

(4) 真圆度高，驾驶平稳、舒适。锻造铝车轮是一体锻造成型后，通过CNC 车床加工完成，真圆度不到0.1 mm，高速行驶不会产生颤抖。而钢轮由钢板卷曲焊接而成，圆度误差在1 mm 以上。锻造铝车轮质地均匀，动平衡在50 g 以下，而钢车轮的动平衡大大超过了这个数字。因此，锻造铝车轮能更好地与车轴相连接，减少在行驶时的摆动和跳动，使行驶过程更加平稳舒适，并能够节省燃油消耗和延长轮胎寿命。

(5) 漂亮美观。锻造铝车轮可根据不同的风格要求，锻造出不同的轮辐窗口形状，且锻造表面质量好，易于处理。同钢铁车轮相比，经过全涂装或抛光、电镀等工艺处理后的锻造铝车轮表面，具有高贵的风范和气质，可明显提高整车的美感，如图13 所示。

4 锻造铝车轮的应用现状

锻造铝车轮最早是由美国铝业在1948 年发明的，并在以后的近60 年间不断改进和提高其性能。目前美国铝业是锻造铝车轮的全球领导者，拥有最多的产品规格，为主要原配车厂和车队用户配套，在全球商用车辆铝车轮市场的占有率超过75%。

在国外，锻造铝车轮在载货卡车、商用客车、高端轿车、摩托车等车上的应用非常广泛。在美洲，商用车上锻造铝车轮的配装率非常高，巴西、美国、加拿大等国都是锻造铝车轮需求大国。整车企业通用、福特、克莱斯勒等都已经在其生产的高端轿车、轻型皮卡等车型上普遍使用锻造铝车轮。在欧洲，Otto fuchs 公司生产的锻造铝车轮已普通应用在奥迪、宝马、奔驰、保时捷等的高端轿车、跑车上，沃尔沃、戴姆勒、雷诺等企业的载货汽车、挂车以及大客车上也装配了锻造铝车轮，但装配比例小于美国。在亚洲一些国家，比如日本、韩国等近些年锻造铝车轮的装配率也在提高。如图14 所示。

在国内，锻造铝车轮的应用还处在起步阶段。最近几年，东风、一汽解放、厦门金龙、中通客车等商用车企业开始装配锻造铝合金车轮。

和锻造铝车轮的应用相比，国内锻造铝车轮的生产企业近些年发展较快。中信戴卡公司分别在2004 年5 月、2005 年10月投资近6 亿元，建成亚洲第一条、第二条全自动锻造铝车轮生产线，年生产能力可达60 万件，产品种类包括轿车轮、摩托车轮、商用车轮等，为通用、福特、奥迪、标致等汽车厂配套如图15 ～17 所示，现在国内生产锻造铝车轮的企业还有浙江宏鑫、万丰奥特、台湾巧新等［4-5］。

随着汽车产业的发展和锻造铝车轮生产工艺的不断成熟进步，现在，锻造铝车轮应用到越来越多的车型上，比如油罐车、消防车、水泥搅拌运输车、军车等，如图18 所示。

最近，美国铝业又开发出了大型宽胎商用车轮，可用一个车轮替代原来的双轮双胎，大大减轻整车质量和油耗。

5 结论

锻造铝车轮的生产工艺复杂、投资大、制造成本高，因此，锻造铝车轮的应用在国外也仅仅处于起步阶段，在国内更是基本上一片空白。但是基于锻造铝车轮的诸多优点，对汽车产业来说，无论从安全、舒适、节能的角度，还是国家强制性法律法规来看，采用锻造铝车轮的意义和优势已越来越明显，锻造铝车轮将会有巨大的市场潜力和应用前景。

【1】王祝堂.铝合金车轮工业的发展［J］.轻合金加工技术，1994，22(3) ：17-18.

【2】郑祥健，金龙兵，王国军，等. 铝合金轮毂的生产和市场现状［J］.轻合金加工技术，2004(7) ：8 -11.

【3】陆斌.锻造铝合金车轮推动商用车轻量化进程［J］. 现代零部件，2010(6) ：6.

【4】史自力. 中国汽车铝车轮行业发展前景分析［J］. 经济经纬，2004(3) ：61-64.

【5】TSUMURA Kazuo，UEKI Naoshige，NEMOTA Nobuyuki. Development of one piece forged aluminum wheels for passenger cars［J］.Sumitomo Metals，1991，43(5) ：72-81.