李 偉，何順榮，李 丹

(合肥工業(yè)大學，安徽合肥 230009)

0 前言

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，汽車已成為現(xiàn)代人的生活必需品之一，融入到人們生活的各個方面。根據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，2014 年世界范圍汽車保有量達12 億輛，其中中國汽車保有量為1.54 億輛居世界第二[1]。汽車保有量的持續(xù)增長，不僅促使汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車市場的空前繁榮，同時也帶來了道路交通安全、環(huán)境污染和資源消耗等問題，解決這些問題最為有效的途徑之一就是汽車的輕量化。汽車輕量化是通過對先進加工技術和新型輕量材料的開發(fā)和應用，實現(xiàn)對產(chǎn)品結構的優(yōu)化設計與性能的提高。

鋁合金是制造汽車輪轂的材料中表現(xiàn)極為出色的一種，對鋁合金汽車輪轂的研究和開發(fā)也是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一。鋁合金輪轂作為重要的汽車部件，以其質(zhì)量輕、強度高、失圓度好、成型性能佳、回收率高等諸多優(yōu)點被世界各國廣泛研究與應用。最早的鋁合金輪轂出現(xiàn)在20 世紀20年代，由砂型鑄造生產(chǎn)而成并應用在賽車上。20 世紀30 年，出現(xiàn)鋼制輻條式車輪與鋁質(zhì)軋制輪輞相結合的車輪，為鋁合金車輪的發(fā)展奠定了基礎。二次世界大戰(zhàn)和世界性的能源危機對汽車“輕量化”提出迫切的需求，鋁合金車輪開始用于普通汽車。1958 年，整體鑄造的鋁合金車輪誕生，之后不久鍛造鋁合金車輪問世。1972 年，鑄造鋁合金車輪在雙門小轎車上得到了成批安裝，標志著鑄造鋁合金車輪批量應用于轎車的新局面。

我國對鋁合金輪轂的研發(fā)、生產(chǎn)與應用是從20世紀80 年代中期開始的，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，我國的鋁合金輪轂產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具有相當規(guī)模。

目前全世界范圍內(nèi)鋁合金汽車輪轂已經(jīng)被廣泛認可與接受，由于各國的積極參與研究開發(fā)，鋁合金輪轂的生產(chǎn)技術得到不斷發(fā)展。但隨著人們對汽車更安全、更舒適、更美觀要求的不斷高漲，鋁合金輪轂的生產(chǎn)技術仍然存在很多不足與進步的空間。目前，國內(nèi)外鋁合金輪轂成型方式使用較多的主要就是重力鑄造成型、低壓鑄造成型、鍛造成型等。其中，重力成型方式生產(chǎn)的鋁合金輪轂由于疏松、夾渣等缺陷較多，力學性能較差已趨于淘汰。鍛造成型方式生產(chǎn)的鋁合金輪轂成本過高，大大限制了其生產(chǎn)和應用的普及，而使用最多的低壓鑄造方式在生產(chǎn)19 寸以上大直徑輪轂時往往會產(chǎn)生較多缺陷，造成廢品。除了在成型方式上，鋁合金輪轂生產(chǎn)技術上還存在其他的不足，比如在鋁合金輪轂的疲勞強度檢測環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)試方法過于繁瑣，為了獲得合適的輪轂結構尺寸或生產(chǎn)工藝參數(shù)，一種產(chǎn)品甚至需要試驗上百次，耗費大量的人力物力，傳統(tǒng)的鋁合金輪轂的檢測方法無法精確識別輪轂鑄件的各類缺陷，使得大量存在質(zhì)量隱患的產(chǎn)品流入市場，造成安全隱患。本文針對以上問題，在廣泛查閱相關技術資料的基礎上，詳細介紹了解決上述問題的先進技術以及相關的制造工藝，并對鋁合金汽車輪轂生產(chǎn)技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 新興的鋁合金汽車輪轂成型工藝

1.1 鑄旋新工藝

鑄旋新工藝是日本學者在20 世紀90 年代末首次提出的的一種鋁合金輪轂新型制造工藝，此工藝將低壓鑄造與熱旋壓成型技術結合，實現(xiàn)了“質(zhì)量接近鍛造輪轂，成本接近鑄造輪轂”的目標。應用此工藝生產(chǎn)的鋁合金輪轂的力學性能指標較低壓鑄造輪轂大幅提高，如表1 所示，并且相同規(guī)格的輪轂輪輞壁厚減薄，所使用的原材料大幅減少，如圖1 所示。與低壓鑄造輪轂相比，同規(guī)格的鑄旋輪轂重量可以減小15%，從而進一步實現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化[2]。

表1 鑄旋輪轂和低壓鑄造輪轂輪輞處的力學性能指標

圖1 鑄旋輪轂和低壓鑄造輪轂的輪輞壁厚對比

鑄旋新工藝的關鍵技術是鑄坯的熱旋壓工藝，其原理如圖2 所示。在熱旋壓過程中，將預熱的鑄坯同心地裝夾在芯模上，當主軸帶動鑄坯旋轉后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)預先編制的程序，控制各旋輪做相應軌跡的行進，擠壓鑄坯，逐步使鑄坯緊貼模具表面，從而獲得要求尺寸的工件。

圖2 輪轂輪胚熱旋壓工藝原理圖

鑄旋新工藝生產(chǎn)的鋁合金輪轂性能之所以遠優(yōu)于普通鑄造工藝所生產(chǎn)的輪轂，其原因是熱旋壓過程中的熱塑性變形所造成的強化機制。近年來，熱塑性變形對A356 鋁合金的強化機制引起國內(nèi)外學者的普遍關注。Haghehenas 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，熱塑性變形對改善A356 合金共晶Si 相的形貌和分布有積極作用，可顯著提高鋁合金的韌性。許釋元[4]通過研究熱塑性形變對A356 鋁合金微觀結構的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱塑性形變對添加Sr 變質(zhì)的共晶Si 形貌無明顯影響，主要改變了共晶Si 的分布，并有效打斷棒狀Fe 相，降低了Fe 對合金的危害，提高了合金性能。

此外，鑄旋工藝參數(shù)的選取，包括旋壓溫度、旋輪角度和旋輪進給率等，對鋁合金輪轂的鑄旋成型有顯著的影響。旋壓溫度一般選擇在380 ℃～400℃，溫度過低則金屬塑性不足，影響正常旋壓進行；溫度過高則會導致金屬強度驟降，引起輪輻處的變形。旋輪的成型角是一個非常重要的工藝參數(shù)，成型角過大會造成隆起過高，造成開裂、起皺、表面粗糙等缺陷；成型角過小，則會使旋輪與毛坯的接觸面積增大，造成旋輪前端金屬堆積過多受力過大，甚至導致斷裂。因此，成型角一般在 20°～30°的范圍內(nèi)選定。為了獲得良好的成型狀態(tài)，在可能的條件下，進給率盡量取大一些，因為進給率過小，會由于彈性變形的緣故，引起材料的夾層現(xiàn)象，鋁合金輪轂的旋壓進給率一般在 0.5～3 mm/r 的范圍選取。

鑄旋新工藝是建立在熱旋壓工藝技術基礎上的，熱旋壓輪轂不受尺寸制約，鑄件性能良好、外觀美觀、材料利用率高，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，國?7 英寸以下轎車的鋁合金輪轂以鍛坯或鑄坯經(jīng)旋壓成型已經(jīng)成為主流生產(chǎn)模式。與世界發(fā)達國家相比，我國在這一方面的研究相對滯后。2006年燕山大學開發(fā)了我國第一臺車輪熱旋旋壓機并成功地應用于車輪生產(chǎn)線，2007 年5 月，國內(nèi)第一條車輪鑄旋生產(chǎn)線在戴卡輪轂制造有限公司投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力30 萬件。由此可見，我國還需大力發(fā)展鋁合金輪轂鑄旋新工藝技術。

1.2 半固態(tài)模鍛

半固態(tài)模鍛是一種介于固態(tài)成型和液態(tài)成型兩種成型方式之間的全新的材料成型工藝，最早由美國麻省理工學院M.C.Flemings 教授提出。半固態(tài)模鍛，就是將坯料加熱到有50%左右體積液相的半固態(tài)之后一次模鍛成型，獲得所需的接近成品尺寸零件的工藝。由于半固態(tài)模鍛的加工對象是半固/半液的混合漿料，所以它集中了重力鑄造、低壓鑄造等液態(tài)金屬成型工藝和鍛造、擠壓等固態(tài)金屬成型工藝的優(yōu)點，鑄件組織致密、力學性能好、可成型復雜零件、材料利用率高、機械加工量少、產(chǎn)品成本低等。近年來，半固態(tài)模鍛成型技術以其諸多優(yōu)點被廣泛應用于汽車零部件的生產(chǎn)，尤其是鋁合金汽車輪轂的生產(chǎn)，半固態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)的鋁合金輪轂的各項力學性能指標和生產(chǎn)效率均優(yōu)于同等規(guī)格低壓鑄造輪轂，如表2[5]所示。

表2 半固態(tài)模鍛工藝與低壓鑄造工藝鋁合金輪轂產(chǎn)品性能及生產(chǎn)效率對比

半固態(tài)成型需要在金屬及合金的凝固過程中，通過對其施以劇烈攪拌，破壞金屬及合金內(nèi)部的樹枝狀結晶組織以獲得具有均勻、細小的近球狀等軸晶的固-液混合漿料，再采用模鍛、擠壓等方式成型，最終制成金屬零件。

半固態(tài)成型工藝的關鍵技術在于半固態(tài)漿料的制備。主要有機械攪拌法、電磁攪拌法、應變誘發(fā)熔化激活法、噴射沉積法、超聲振動法等。其中，電磁攪拌法由于具有清潔、易控制的優(yōu)點，在商業(yè)上獲得大規(guī)模的應用。

在半固態(tài)漿料制備方法方面，國內(nèi)外研究人員做了大量探索研究工作。法國的C.Vives 提出了旋轉永磁體法制備半固態(tài)漿料工藝技術，英國Fan 等提出了雙螺旋機械攪拌式流變工藝，北京科技大學毛衛(wèi)民提出了低過熱度澆注和弱電磁攪拌式流變成型工藝，東北大學管仁國等人提出波浪傾斜板澆注式流變成型工藝，戚文軍等[6]采用低溫澆注法制備半固態(tài)坯料與半固態(tài)鍛造工藝相結合的方法，在635 ℃～655 ℃下澆注，用所獲得的具有細小均勻、近球形晶粒的A356 半固態(tài)圓棒坯在600 ℃下加熱60 min，使晶粒進一步球化，之后鍛造成型，再經(jīng)T6熱處理后，鋁合金輪轂的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為327.6 MPa，228.3 MPa 和7.8%，生產(chǎn)出了高性能鋁合金輪轂，有效地降低了鋁合金輪轂的生產(chǎn)成本。

目前，半固態(tài)成型技術在歐美發(fā)達國家已經(jīng)有相當規(guī)模的工業(yè)應用，自1992 年美國AEMP 公司建立了全球首家半固態(tài)模鍛鋁合金汽車輪轂廠以來，美國已建立多個針對汽車鋁合金零部件生產(chǎn)的半固態(tài)模鍛工廠。國內(nèi)在鋁合金輪轂半固態(tài)模鍛方面還處于小規(guī)模試生產(chǎn)階段，與歐美國家有相當大的差距，但是差距既是挑戰(zhàn)，亦是機遇。

2 計算機輔助工程技術

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，計算機輔助工程技術，又稱CAE（Computer Aided Engineering）技術，被廣泛應用于產(chǎn)品開發(fā)設計、制造過程模擬和產(chǎn)品結構性能分析等方面。通過各類CAE 軟件分析得出生產(chǎn)過程相關環(huán)節(jié)潛在的缺陷并針對缺陷給出合理的優(yōu)化方案從而大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進而提高企業(yè)競爭力。

2.1 鑄造數(shù)值模擬技術

目前，常用的鑄造數(shù)值模擬軟件有美國的ProCAST、ANSYS，德國的 MAGMASOFT，法國的 Simulor，西班牙的 Forcast，芬蘭的 CastCAE，日本的 Soldia 以及中國的華鑄CAE 等軟件。鑄造模擬軟件發(fā)展至今得到了相當成熟的商業(yè)化應用，國內(nèi)外鑄造廠商幾乎無一例外地運用此技術指導生產(chǎn)實踐。例如：楊奮飛等[7]應用鑄造數(shù)值模擬軟件ANSYS 對鋁合金輪轂低壓鑄造凝固過程中的三維溫度場進行了模擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)輪輻和輪輞的連接處出現(xiàn)溫度過高而影響鋁液正常補縮的情況，并且通過優(yōu)化鑄造過程的工藝參數(shù)解決了鑄件質(zhì)量問題，得出最佳澆注溫度為700 ℃和最佳加壓速度為 0.001 6 MPa/s。

鑄造數(shù)值模擬技術最為重要的目標就是實用化，判別一種鑄造模擬軟件是否實用化的標準是其能否準確地預測缺陷、優(yōu)化工藝。而實現(xiàn)此功能則需要依托全面精確的目標描述過程、科學快速的求解算法、易于獲得的物性參數(shù)、邊界條件和直觀生動的前、后置處理等。

目前，凝固過程溫度場、充型過程流動場、流動與傳熱耦合場的模擬技術相對較為成熟，而應力應變場和組織性能的模擬等仍需大力發(fā)展。未來應該從以下幾方面深入研究：①高精度的缺陷定量化預測技術；②熱物性參數(shù)及反求技術；③智能化鑄造工藝設計與優(yōu)化技術；④鑄造全過程模擬仿真及與鑄造數(shù)字化管理技術的融合[8]。

2.2 疲勞強度分析技術

輪轂是汽車上的重要安全部件，承載著車身的靜壓力、汽車行駛時的驅(qū)動力、制動力以及汽車轉向時的橫向載荷，極大程度上影響著汽車在正常行駛時的安全性、舒適性和平穩(wěn)性。據(jù)有關統(tǒng)計，80%以上的輪轂破壞都是由于疲勞破壞導致的。所以，輪轂的抗疲勞性能是輪轂質(zhì)量的重要指標。在新的車輪產(chǎn)品投放市場之前，必須對其進行特定的強度試驗（一般包括彎曲疲勞、徑向滾動疲勞和沖擊試驗）。采用計算機輔助工程中的有限元技術可以在新產(chǎn)品設計開發(fā)階段對車輪的強度和疲勞壽命進行分析，通過各種模擬實驗，預先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中存在的問題并進行優(yōu)化改進，從而可以減少試驗次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，降低開發(fā)成本。

美國與德國對輪轂疲勞壽命的研究比較早，他們開發(fā)的FLIPS 系統(tǒng)可以模擬輪轂的疲勞彎曲試驗環(huán)境[9]，分析輪轂上的應力分布情況，從而發(fā)現(xiàn)可能的缺陷。英國MSC 工程軟件公司于20世紀90 年代末設計開發(fā)了MSC.FATIGUE 下的“WHEELS”模塊[10]，用以分析旋轉體的疲勞壽命，并繪制出相關應力點的疲勞云圖，使疲勞壽命的預測更為準確。近年來，國內(nèi)也有不少學者對鋁合金輪轂疲勞壽命做過相關研究工作。曲文君等[11]應用ANSYS 應力分析軟件對鋁合金輪轂進行靜力學分析，并與試驗結果進行了對比，得出如下結論：在同樣載荷作用下，輪輻最窄處的應力值較大，在輪轂動態(tài)疲勞試驗過程中，輪輻最窄處最容易出現(xiàn)疲勞裂紋，與實際試驗結果一致。王永山等[12]利用UG 軟件對鋁合金車輪進行強度分析，如圖3 所示，找出了最大應力集中區(qū)域，采用應力離散法，加強了薄弱點，弱化了應力過剩處，使整體應力分布均勻，在滿足強度要求的前提下，減小了輪轂厚度，實現(xiàn)了輕量化目標。

圖3 鋁合金輪轂彎曲疲勞壽命分析圖

3 X 射線無損檢測技術

由于輪轂生產(chǎn)中鋁合金材質(zhì)和成型工藝的因素，在輪轂中容易出現(xiàn)氣孔、針孔、夾雜、裂紋、偏析等缺陷。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須在不破壞輪轂的前提下，對其進行檢測，X 射線無損檢測技術以其自動化程度高、缺陷識別準確等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的人工檢測中低效、誤判、漏檢等不足，成為鋁合金輪轂生產(chǎn)中不可或缺的有效工具，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，并且大幅提高了生產(chǎn)效率。W.R.E.THUNDER 3 型X 射線鋁合金輪轂缺陷檢測系統(tǒng)是專為鋁輪轂缺陷檢測而設計研發(fā)的，是一種高效的流水式檢測系統(tǒng)，其檢測速度可達130 只/h，可24 h 連續(xù)工作，適用于不同尺寸的輪轂，如圖4[13]所示。

圖4 W.R.E.THUNDER 3型X射線檢測系統(tǒng)

X 射線無損檢測技術能否準確快速地檢測出鋁合金輪轂缺陷的關鍵技術在于計算機圖像處理能力以及描述過程算法的準確程度等因素。陳志強等[14]在以數(shù)字圖像處理和模式識別技術的理論基礎上，開發(fā)了“基于 X 射線的汽車輪轂缺陷自動檢測與識別系統(tǒng)”軟件。針對 X 射線圖像隨機噪聲大、對比度低等問題，使用改進的幀積分降噪算法，有效地抑制了噪聲，提高了對比度，從而有效提高了缺陷類型識別的正確率。吳鑫等[15]針對鋁合金材料針孔缺陷的人工分級評判的缺點，研制了一套基于計算機圖像處理和模式識別的鋁合金針孔自動分級軟件，采用了小波平滑濾波、區(qū)域分割和 BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類幾種方法相互補充，對實現(xiàn)鋁合金材料針孔缺陷自動分級問題具有重要意義。

鋁合金輪轂X 射線檢測技術自誕生以來，被廣泛運用于國內(nèi)外各大汽車輪轂制造廠商，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)輪轂X 射線檢測機的廠商主要有德國的YXLON（依科視朗）、意大利的Basello（寶石?。┖椭袊腄NDT（丹東無損）。這些廠商生產(chǎn)的設備技術成熟、運行穩(wěn)定可靠，得到了廣大輪轂生產(chǎn)廠商的認可。鋁合金輪轂X 射線無損檢測技術的應用是一種趨勢，需要在使用中不斷得到完善和升級，才能達到最佳的應用效果。

4 結語

（1）大力開發(fā)鑄旋新工藝和半固態(tài)模鍛成型工藝，在吸收國外先進生產(chǎn)技術經(jīng)驗的同時，提高國內(nèi)自主研發(fā)能力，可以使國內(nèi)汽車行業(yè)在鋁合金輪轂生產(chǎn)技術及產(chǎn)品質(zhì)量方面再上一個新臺階。

（2）合理運用計算機模擬軟件、有限元分析軟件、X 射線無損檢測設備可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

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