低壓鑄造鋁合金車輪平衡的影響因素和改善措施

王順新 王佳琦 朱利利 蔡衛(wèi)民

摘要：從鋁合金車輪設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)方面，對(duì)改善車輪平衡問題進(jìn)行梳理、分析、總結(jié)，抓住了影響車輪平衡的主因——毛坯變形，提出了減小毛坯變形、改善車輪平衡問題的思路和方法。

關(guān)鍵詞：車輪；變形；平衡；設(shè)計(jì)；研究

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國已經(jīng)成為全球最大的汽車生產(chǎn)國和消費(fèi)國。用戶對(duì)整車審美的追求，使得汽車外形尺寸越來越大，車輪也越來越大。隨車車輪尺寸的增大也會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面的影響，其中車輪的平衡問題就是一項(xiàng)比較突出的問題。

隨著車輪尺寸增大，輪胎扁平化，整車在行駛過程中輪胎和車輪總成的減振效果變差、噪聲增大，嚴(yán)重影響整車的NVH評(píng)價(jià)。為了降低整車噪聲和振動(dòng)，改善NVH效果，各大整車生產(chǎn)廠家對(duì)車輪的平衡提出了較高的要求。表１是某主機(jī)廠對(duì)車輪動(dòng)不平衡量的要求。

為了滿足主機(jī)廠對(duì)車輪平衡的要求，車輪生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)計(jì)、制造的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，找出影響車輪平衡的因素，進(jìn)行改善，提高車輪平衡檢測(cè)工序的成品率。

車輪設(shè)計(jì)

1.車輪造型設(shè)計(jì)

1）車輪造型設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行平衡匹配設(shè)計(jì)，圖1所示是兩種車輪造型的配平設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2）對(duì)造型比較特殊的、外輪緣凸出的造型結(jié)構(gòu)，采用外輪緣正面加工后進(jìn)行涂裝的設(shè)計(jì)，可以有效改善車輪的平衡合格率。

以下是某個(gè)外輪緣凸出造型，外輪緣正面采用鑄造和機(jī)加工結(jié)構(gòu)的平衡檢測(cè)案例。

當(dāng)外輪緣正面凸出部位為鑄造表面時(shí)，檢測(cè)車輪變形量在0.8～1.0mm，機(jī)加工后的檢測(cè)平衡的合格率為60.42%（見圖2）。

當(dāng)外輪緣正面凸出部位為機(jī)加工表面時(shí)，檢測(cè)車輪變形量在0.8～1.0mm，機(jī)加工后的檢測(cè)平衡的合格率為100%（見圖3）。

減少輪輻數(shù)量（≤20根）， 加大輪輻側(cè)面拔模角度α（≥10°），可以有效減小壓鑄時(shí)車輪與模具之間的結(jié)合力，有效減小壓鑄毛坯的變形（見圖4）。圖4中，F(xiàn)為壓鑄機(jī)施加外力在輪輻側(cè)面單位面積上的力，單位為N；F1為車輪與底模之間的單位面積上的結(jié)合力，單位為N；F2為壓鑄機(jī)施加外力沿輪輻側(cè)面單位面積上的分力，單位為N。

在模具涂料性能不變的情況下，車輪與模具底模之間的單位面積上的結(jié)合力F1保持不變，當(dāng)造型拔模角α越小，需要的壓鑄機(jī)施加的外力F就越大。

按照F1=Fsinα，當(dāng)拔模角由7°調(diào)整到10°時(shí)，壓鑄機(jī)施加的外力F會(huì)減小1.425倍，能夠有效降低車輪在脫模過程中產(chǎn)生的應(yīng)力（見圖5）。

F7/ F10= sin10/sin 7=1.425? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中 F7 —— 7°拔模角時(shí)施加在輪輻側(cè)面單位面積

上的外力，單位為N；

F10 —— 10°拔模角時(shí)施加在輪輻側(cè)面單位面積

上的外力，單位為N；

模具設(shè)計(jì)

目前，低壓鑄造成型工藝已經(jīng)成為全球鋁合金車輪的主要成型方式，這種成型方式的主要優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、金屬利用率高、生產(chǎn)成本低及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于鋁合金車輪壓鑄時(shí)鋁液溫度控制在680～720℃，模具需要與車輪一起經(jīng)歷升液→充型→增壓→保壓→卸壓過程，在壓鑄過程中，模具的溫度在460～720℃變化。

1）為了改善模具熱變形對(duì)車輪變形的影響，采用了分體式底模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（見圖6），讓模具在鑄造過程中有膨脹的空間，降低了底模在高溫狀態(tài)下的凸起或塌陷的產(chǎn)生，從而減小車輪鑄造毛坯的變形。

2）對(duì)于大尺寸（≥19in）、大窗口造型的車輪（見圖7），在模具設(shè)計(jì)時(shí)需要加厚外輪緣部位的毛坯厚度，以增強(qiáng)壓鑄毛坯狀態(tài)時(shí)的外輪緣部位強(qiáng)度，減小外輪緣在圓周方向的端面變形，改善機(jī)加工時(shí)車輪定位、裝夾效果。

制造工藝

1.壓鑄工序

1）控制鋁液充型溫度（控制在670～710℃）和充型速度（實(shí)際控制在20～30m/s），防止局部粘鋁現(xiàn)象的發(fā)生，保證在圓周方向上脫模力的均勻性（見圖8）。

2）改善模具涂料性能。模具涂料的作用一是脫模，在模具與車輪之間形成一層耐高溫的薄膜，使得快速?zèng)_刷的金屬鋁液在填充模具型腔時(shí)順暢，從而使車輪毛坯更容易與模具分離；二是潤滑，模具涂料能夠防止車輪毛坯與模具直接接觸，減少毛坯與模具之間的摩擦，防止出現(xiàn)毛坯粘鋁現(xiàn)象；三是隔離，模具涂料將車輪毛坯與模具隔離開，有效保護(hù)了模具，延長模具的使用壽命。

因此，提高模具涂料性能主要是提供的抗侵潤性和顆粒均一性，改善涂料噴涂工藝則為控制涂料溫度和涂料厚度，能夠有效提升模具涂料的附著力，有效減小車輪毛坯的脫模力，減小毛坯變形。

3）快速降低毛坯的溫度，使得鑄造毛坯晶粒細(xì)化，提高毛坯強(qiáng)度，減小脫模時(shí)毛坯的變形量，同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率、降低了單件生產(chǎn)成本。

通過對(duì)壓鑄毛坯的研究發(fā)現(xiàn)，在同一件車輪上，靠近外輪緣部位的毛坯外觀光亮、內(nèi)部組織晶粒細(xì)小，而靠近中間法蘭部位的外觀較為粗糙、內(nèi)部組織晶粒較為粗大，靠近外輪緣部位的材料強(qiáng)度也較高。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，快速降低壓鑄時(shí)的毛坯和模具溫度，提高脫模時(shí)毛坯的剛性，能夠有效減小毛坯的變形量。目前普遍使用的方法是使用水冷或水霧冷卻的模具代替過去的風(fēng)冷模具，大大降低了壓鑄毛坯的變形量，同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率，降低了單件生產(chǎn)成本。

在使用風(fēng)冷模具時(shí)，19in、20in車輪單件壓鑄時(shí)間大約是7～8min，使用水霧冷卻或水冷卻后，單件壓鑄時(shí)間大約是5min。

4）控制鑄造過程中的毛坯的溫度場(chǎng)，減小圓周方向上相應(yīng)部位溫度差，降低由于溫度差過大造成毛坯的收縮率不一致而產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力（好的溫度場(chǎng)溫度差在10℃左右），改善毛坯的變形（見圖9）。

2.熱處理工序

鋁合金車輪使用的是T6熱處理工藝，包括固熔、淬火和時(shí)效三部分。一般固熔溫度控制在（540±5）℃，淬火水溫控制在（80±10）℃，時(shí)效溫度控制在（150±10）℃。

1）通過控制熱處理淬火速度和溫度，降低車輪的內(nèi)應(yīng)力，減小車輪的變形。

淬火冷卻速度越快越好，但是淬火冷卻速度過快會(huì)使鑄件的內(nèi)應(yīng)力加大、變形嚴(yán)重，因此需要根據(jù)車輪的大小、形狀的復(fù)雜程度來選擇冷卻速度和溫度。

A356 鋁合金車輪宜在較高水溫中淬火，對(duì)易變形的復(fù)雜輪型，可采用80℃以上的水淬火。車輪在熱水中的停留時(shí)間，以冷透為原則，一般是3 min左右。

2）通過改進(jìn)熱處理設(shè)備——由箱式連續(xù)熱處理爐改成步進(jìn)式熱處理爐——讓車輪在熱處理過程中溫度控制更均勻，克服了料架式熱處理爐的同一料架、不同位置的車輪熱處理溫度差異較大，變形量較大的問題。

3.機(jī)加工序

機(jī)加工序不但要控制本工序車輪加工過程產(chǎn)生的變形量，而且還需要改善熱加工工序已經(jīng)產(chǎn)生的變形對(duì)車輪平衡的影響。

1）改善機(jī)加工過程車輪變形的措施：使用專用車輪機(jī)加工夾具，減小裝夾變形；在毛坯上設(shè)計(jì)出機(jī)加工藝輪緣結(jié)構(gòu)，使車輪裝夾牢靠；控制機(jī)加工的主軸速度和刀具進(jìn)給量，控制切屑力；改善切削液，帶走切削熱，降低車輪溫度減小變形。

2）改善熱加工工序已經(jīng)產(chǎn)生的變形對(duì)平衡影響。過去，對(duì)于熱處理后毛坯變形較大的車輪，采用人工對(duì)車輪端面的變形量進(jìn)行檢測(cè)，找出不同模具、不同生產(chǎn)批次熱處理毛坯的變形情況，根據(jù)變形的位置和大小對(duì)毛坯進(jìn)行分類。按照變形量的位置和大小，人工調(diào)整機(jī)加工卡盤，并采用人工定位裝夾的方法進(jìn)行加工。這種簡(jiǎn)單的人工分類方法，可以挽救部分毛坯變形位置相同、變形量一致的車輪毛坯，但效率比較低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

目前，對(duì)于自動(dòng)化程度比較高的鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)，均在研究自動(dòng)檢測(cè)、分類方法降低毛坯變形對(duì)于車輪平衡的影響。

通過對(duì)熱處理后毛坯外輪緣機(jī)加定位面進(jìn)行掃描，找出機(jī)加工時(shí)定位裝夾點(diǎn)，要求定位裝夾點(diǎn)的軸向偏差≤規(guī)定值（閥值）。規(guī)定值（閥值）是根據(jù)不同車輪造型、不同尺寸、不同平衡標(biāo)準(zhǔn)要求由實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)分析而定。

當(dāng)掃描結(jié)果找出的裝夾點(diǎn)之間的軸向偏差≤規(guī)定值時(shí)，自動(dòng)在選定的定位裝夾點(diǎn)上做標(biāo)記，車輪直接下轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)加工。

當(dāng)掃描結(jié)果找出的裝夾點(diǎn)之間的軸向偏差＞規(guī)定值時(shí)，設(shè)備在選定的定位裝夾點(diǎn)上做標(biāo)記，并下轉(zhuǎn)到端面銑加工設(shè)備，對(duì)選定的定位裝夾點(diǎn)進(jìn)行銑加工后再下轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)加工（見圖10）。

通過使用自動(dòng)掃描、定位裝夾后，車輪平衡會(huì)得到較好的改善。

表2是某款同批次生產(chǎn)的車輪，使用自動(dòng)掃描+定位裝夾前后的平衡情況統(tǒng)計(jì)分析表。由統(tǒng)計(jì)情況可以看到，使用自動(dòng)掃描+銑削定位點(diǎn)+定位裝夾方案，可以顯著改善車輪的平衡，大大提高車輪平衡成品率。

結(jié)語

通過對(duì)鋁合金車輪設(shè)計(jì)、制造過程的分析可見：車輪設(shè)計(jì)、制作的各個(gè)環(huán)節(jié)均會(huì)對(duì)平衡產(chǎn)生影響，因此，需要從車輪造型設(shè)計(jì)開始，密切關(guān)注大尺寸車輪的平衡問題。

改善鋁合金車輪平衡主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：

1）通過造型設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)改善平衡。

2）通過生產(chǎn)過程中控制、減小熱處理后毛坯的變形量改善平衡。

3）對(duì)于正面機(jī)加工表面的造型，可以通過機(jī)加工的方案改善平衡。

4）對(duì)于正面非機(jī)加工表面的造型，可以使用對(duì)毛坯面進(jìn)行掃描，找出合理的定位裝夾位置的方案改善平衡。

總之，為了改善低壓鑄造鋁合金車輪的平衡問題，需要從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)策劃和管控。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程控制，有效提高成品車輪平衡檢測(cè)的合格率。