铝合金轮毂模具为什么要预热

是铝合金压铸模具，或者挤压铸造模具，采用挤压铸造代替压力铸造生产铝合金车轮，不仅克服了压铸件内部容易形成气孔和氧化夹杂的缺陷，而且提高了成品率及材料利用率。

车轮材料的化学成分(质量分数)为：1.5%～3.5%的Cu,10.5%～12.0%的Si,＜0.3%的Mg，＜1.0%的Zn，＜0.5%的Mn，＜1.3%的Fe,＜0.5%的Ni,＜0.5%的Sn，其余为Al。力学性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。

铝合金车轮挤压铸造工艺

上海交通大学 洪慎章 曾振鹏

摘 要 采用挤压铸造代替压力铸造生产铝合金车轮，不仅克服了压铸件内部容易形成气孔和氧化夹杂的缺陷，而且提高了成品率及材料利用率。介绍了铝合金车轮挤压铸造的模具结构及设计参数，分析了挤压铸造的工艺参数及选择依据。

关键词：铝合金车轮 挤压铸造 模具结构

目前，国内卡丁车(类似碰碰车)都从国外进口，其中铝合金车轮是一个重要零件。过去，国外采用压力铸造生产该铸件，铸件质量差，且成品率低，劳动强度大。针对该铸件的结构特点和性能要求，如何提高其产品质量、降低原材料消耗、节约能源、提高劳动生产率及降低铸件成本，是当前生产中的关键。从研制的情况可知，采用挤压铸造代替压力铸造是今后制造铝合金车轮行之有效的工艺。

1 车轮材料、要求及铸件设计

图1所示为铝合金车轮零件图。车轮不仅有较高的性能要求，而且形状十分复杂。

图1 车轮零件图

车轮材料的化学成分(质量分数)为：1.5%～3.5%的Cu,10.5%～12.0%的Si,＜0.3%的Mg，＜1.0%的Zn，＜0.5%的Mn，＜1.3%的Fe,＜0.5%的Ni,＜0.5%的Sn，其余为Al。力学性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。

该车轮内外形的尺寸精度较高，都应加放加工余量及余块。按挤压铸造工艺的要求，把形状复杂的车轮零件图设计如图2所示的铸件图。由该图可见，为便于从铸件内孔脱出及简化模具加工，把原来的阶梯轴孔设计成圆柱形中心孔，其直径为�φ30 mm，内壁斜度为3°〔1〕。

图2 车轮铸件图

2 模具结构及设计参数〔1〕

2.1 挤压铸造模具结构

铝合金车轮挤压铸造的模具结构如图3所示。它主要有凸模、右凹模、顶杆镶块和左凹模组成所要求的型腔。左凹模和右凹模分别固定在左凹模定模板和右凹模动模板上，左凹模定模板用螺钉紧固在下模板上，右凹模动模板经过侧缸在导柱上实施开启及闭合。

图3 车轮挤压铸造模具

1.上模板 2.凸模固定板 3.凸 模 4.导 柱 5.右凹模 6.右凹模动模板

7.垫 板 8.下模板 9.顶杆镶块 10.左凹模 11.左凹模定模板

采用2000 kN油压机改装进行挤压铸造，其工作过程是：将定量的合金熔液浇入型槽后，固定在活动横梁上的凸模以一定速度向下挤入型腔，压力达一定数值后保压；铝合金凝固后卸压，凸模通过工作缸的回程向上移动，顶杆镶块通过下顶缸从铸件内向下退出，直到全部脱离铸件之后，再用侧缸开启右凹模，取出铸件。

2.2 模具设计的主要参数

(1) 间隙 凸模与左、右凹模之间的间隙要适当。过小则因凸模与凹模的装配误差而相碰或咬住；过大则合金熔液通过间隙喷出，造成事故；或者在间隙中产生纵向毛剌，减小加压效果，阻碍卸料。合理的间隙与加压开始时间、加压速度、压力大小、工件尺寸及金属材料有关。根据实际生产经验，单边间隙取0.1 mm。

(2) 脱模斜度 合金熔液在凸模压力下凝固成铸件，冷却后紧包在凸模及顶杆镶块上。为了便于凸模及顶杆镶块脱出，故在凸模及顶杆镶块上设有3°的脱模斜度。由于铸件外形呈圆状，且分在左、右两片凹模，只要右凹模向右移动一定距离，铸件就易从左凹模取出，故不必设置脱模斜度。

(3) 排气 在左、右两片凹模完全闭合后，合金熔液因缓慢地浇入型腔，型腔中气体可基本排出。挤压铸造时，留在凸模导向部分的少量气体，通过凸模与凹模之间的间隙排出。

(4) 模具材料 挤压铸造是在一定的压力和一定的温度下进行的，不存在像压铸模那样受到金属液的冲刷。工作压力比压铸时高，只要求模具在高温下有一定的抗压强度即可。另外，为了防止与合金熔液接触的模具表面产生热疲劳裂纹，左右凹模、凸模及顶杆镶块均采用3Cr2W8V合金模具钢制造，热处理后硬度为HRC48～52，型腔表面进行软氮化处理。

3 挤压铸造的工艺参数

挤压铸造是铸锻结合的工艺，其生产工艺过程是：合金的熔化、模具的准备(清理、预热、喷涂润滑剂)、金属的浇注、液态金属的加压、压力的保持、压力的去除及铸件的取出等。

为保证铸件质量，须合理选择工艺参数〔1～2〕。

(1) 比压 压力大小对铸件的物理力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的单位压力是很重要的。如果比压过小，铸件表面与内在质量都不能达到技术指标；比压过大，对性能的提高不十分明显，还容易使模具损坏，且要求较大合模力的设备。挤压铸造试验是在2 000 kN油压机上进行的。试验证明，适合于本铝合金车轮挤压铸造的比压应在50～60 MPa范围内选取。

(2) 加压开始时间 从车轮挤压铸造试验的结果来看，其加压开始时的间隔时间过长，铸件的强度及伸长率降低。现用的开始加压时间是3～5 s，较为合适。

(3) 加压速度 挤压铸造要求一定的加压速度，在可能情况下，以加压速度快一点为好。加压速度快，则凸模能很快地将压力施加于金属上，便于成形、结晶和塑性变形。但也不宜过快，否则会使部分合金熔液的表面产生飞溅及涡流，使铸件产生缺陷，以及在凸、凹模之间的间隙中流出过多的合金熔液，形成难以去除的纵向毛刺。因此，必须使凸模缓慢地压入液态金属中。由于使用的油压机工作进给速度较慢，故利用工作行程的速度进行压制。

(4) 保压时间 压力保持时间主要取决于铸件厚度，在保证成形和结晶凝固条件下，保压时间以短为好。但是保压时间过短，则铸件内部容易产生缩孔，如果保压时间过长，则会延长生产周期，增加变形抗力，降低模具使用寿命。考虑本车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用12 s左右。

(5) 模具预热温度 模具若不预热，合金熔液注入型腔后会很快凝固，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，否则会延长保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂。对本车轮挤压铸造模具的预热温度为200～300℃，通常是用煤油喷灯进行加热。

(6) 合金浇注温度 浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影响。过低，合金极易凝固，所需单位压力大；过高，易产生缩孔。必须指出，挤压铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度高。一般希望把浇注温度控制在比较低的数值，因为挤压铸造时希望消除气孔、缩孔和疏松。在浇注温度低时，气体易于从合金熔液内部逸出，极少留在金属中，易于消除气孔。此外，也可减少缩孔形成机会，同时由于浇注温度较低，金属溢出较少，可减少毛刺。对本车轮挤压铸造的浇注温度选用720～740℃为最合适。

(7) 润滑剂 润滑剂的作用是保护模具，提高铸件表面质量和便于从模具内取出铸件。采用机油石墨润滑剂，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%机油中，搅拌均匀即可。用喷枪喷涂在模具型腔表面上，其厚度为0.05～0.1 mm，过厚会影响铸件表面质量。

(8) 冷却 挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件的出模温度较高。为了防止高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放入砂堆中，待冷却到150℃以下时再取出空冷。

4 结 论

在汽车、摩托车及自行车等交通工具零件生产中，世界各国逐渐用铝合金代替钢质材料的系统工程研究是今后长时间需要解决的问题。铸造技术和热锻技术有机结合，形成先进的挤压铸造成形工艺，在技术上和经济上明显优于压力铸造工艺。它特别适合于形状复杂、带有多孔或台阶形状类零件的成形，是一种具有较宽的适用性、较大推广价值及很有发展前途的工艺。

铝合金轮毂的制造方法有三种：重力铸造、锻造和低压精密铸造。

1.重力铸造法是利用重力将铝合金溶液倒入模具中，成型后用车床加工抛光，完成制作。

制造工艺简单，不需要精铸工艺，成本低，生产效率高，但容易产生气泡(砂眼)，密度不均匀，表面光洁度不够。

吉利很多车型都装了这种方式生产的轮毂，主要是前期，很多新车型都换了新轮毂。

2.锻造法：整块铝锭用千吨压机直接挤压在模具上，密度均匀，表面光滑细致，轮毂壁薄，重量轻，材料强度最高，比铸造法高出30%以上。

但由于需要精密的生产设备，而成品率只有50%到60%，制造成本高。

3.采用低压精密铸造法，在0.1Mpa的低压下进行精密铸造，这种铸造方法成形性好，轮廓清晰，密度均匀，表面光滑，可实现高强度、轻量化和成本控制，成品率达90%以上。

是高品质铝合金轮毂的主流制造方式。

重力铸造机 heavy casting machine

消防器材 fire control equipment

铝合金车轮比普通车轮更轻便，因此更加上燃油，并能让车子更好的控制加速刹车。

第一、制作铝合金车轮都是使用含铝量高达97%的原材料，用炉子加热到700摄氏度以上使它融化，大概需要25分钟。融化后的铝直接流向一个注入氩气的混合器中，这样可以除去里面的氢气，还增加了铝液的密度，甚至凝固时产生的气孔数减少。再加入粉末状的钛、镁和其他金属元素和助焊剂混合在一起，这样形成一种能将铝氧化物推动到表面的化学物质，借助水流撇去这些杂质，到这里液态雨就可以开始用于铸造了。车轮的模具由高强度的钢制成的，这实际上是三个模具为一套。

第二、上层的模具用来形成车轮的内面，四个侧模具用来形成车轮的边缘，底层的模具用来形成外表面。生产一套模具需要三到四个星期，计算机模拟检查液体里的流量和温度，这样可以进一步避免铸造车轮的缺陷风险。铸造机是被设计用来通过加压注入注射、底部填充模具，从底部往上注射的方法，可以有效降低音。气泡形成而造成缺陷的风险。铸造前液化的铝金属流过耐高温陶瓷制成的过滤片，过滤掉多余的氧化铝。一旦铸成铝需要约七到十分钟凝固，然后模具自动打开新铸的轮毂，工人把它进入到温水里时它冷却下来。现在车轮需要先用一个复杂的热处理工艺，这道工艺从开始到结束需要12个小时。

第三、首先加热车轮到480摄氏度，这样可以重置分子结构，强化金属。下一步被称为淬火，把车轮浸泡在80度的水中30秒，将新中的金属的强度锁定，然后再把车轮加热到180度，连续九小时，以便进一步稳定金属。刚出来的车轮边缘很粗糙，一些多余的金属需要被修剪掉，所以将轮子放在电脑导向车床上，这种车床可以精密的修理边角，根据技术图纸指标将误差控制在0.05毫米内。至于更复杂的车轮底座，则需要人工用刀片手工修剪。现在开始测试车轮性能，主要测试车轮的气密性，给车轮打气并把它浸泡在水中。如果出现任何气泡，就意味着金属上有小孔这种情况。

第四、在车轮检查会判定为不合格。没有气泡的话，车轮会放在自动喷漆的流水线上。首先做一个基本涂层，一般都是经典的银色或者黑色，然后用一个透明的外套保护油漆并防止不锈。从1500克左右的轮子里，工厂随机会选择两三个用来测试性能和寿命。然后工人会安装覆盖中心轴上的装饰感，这通常就是特定的汽车品牌的标志。最后的工序便是外观检查，这是为了确保这些铝合金车轮的外表和它的性能一样棒。

一、瑞纳原配钢轮毂与铝合金轮毂的区别

      钢轮毂：优点是制造工艺简单，成本相对较低，抗金属疲劳能力强。 但是缺点也很明显，如重量大，惯性阻力大，散热性较差等等。

      铝合金轮毂：其优点是重量轻，制造精度高，强度大，惯性阻力小，散热能力强，视觉效果好等等，缺点是制造工艺复杂，成本高。

二、合金轮毂的选择--制造方式

      铝合金轮毂的制造方法有三种：锻造、低压精密铸造、重力铸造。

      1、锻造法：整块铝锭由千吨的压力机在模具上直接挤压成型，好处是密度均匀，表面平滑细致，轮毂壁薄而重量轻，材料强度最高，比铸造方法高三成以上，但由于需要较精良的生产设备，而且成品率只有五到六成，制造成本较高。

      2、低压精密铸造法：在0.1Mpa的低压下精密铸造，这种铸造方式的成形性好，轮廓清晰，密度均匀，表面光洁，既能达到高强度，又能控制成本，而且成品在九成以上。是目前高品质铝合金轮毂的主流制造方法。

      3、重力铸造法：利用重力把铝合金溶液浇注到模具内，成形后经车床处理打磨，即可完成生产。制造过程较简单，不需精密的铸造工艺，成本低而生产效率高，但是容易产生气泡(砂眼)，密度不均匀，表面平滑度不够。

      推荐使用低压铸造工艺的轮毂(锻造工艺的轮毂价格昂贵，而且全是进口产品，国内暂时没用生产线)。同等尺寸的轮毂，低压铸造密度大，相对重力铸造的质量重一些，价格比重力铸造轮毂贵50至100元。

三、瑞纳改装轮毂中要注意的基本参数

      1.尺寸：轮毂尺寸其实就是轮毂的直径，我们经常能听到人们说的15寸轮毂、16寸轮毂这样的说法，其中的15、16寸指的就是轮毂的尺寸(直径)。

      2.宽度：轮毂宽度又俗称为J值，轮毂的宽度直接影响到轮胎的选择，同样尺寸的轮胎，J值不同，选择的轮胎扁平比和宽度也就不同。

      3.PCD与孔位 ：的专业名称叫节园直径，是指轮毂中央的固定螺栓间的直径，一般的轮毂大多孔位是5颗螺栓和4颗螺栓，而螺栓的距离却也各有不同，所以我们经常可以听到4X103，5X114.3，5X112这样的叫法，以5X114.3为例，就代表这颗轮毂的PCD是114.3mm，孔位5颗螺栓。在选择轮毂的时候，PCD是最重要的参数之一，为了安全和稳定性的考虑，最好还是选择PCD与原车一致的轮毂来进行升级改造。

      4.偏距：英文是Offset，俗称ET值，轮毂螺栓固定面与几何中心线(轮毂横剖面中心线)之间的距离，说得简单些就是轮毂中间螺丝固定座与整个轮圈中心点的差值，通俗点说就是轮毂改装之后是向内缩进还是向外凸出。对一般轿车而言，ET值为正，对少数车辆和一些吉普车而言为负。比如一台车的偏距值为40，若是换上了ET45的轮毂，在视觉上就会比原厂的轮毂更缩入轮拱内。当然，ET值不仅仅影响到视觉上的变化，它还会与车辆的转向特性、车轮定位角度都有关系，差距过大的偏距值可能导致轮胎不正常磨耗，轴承易磨损，甚至根本无法正常安装(刹车系统与轮毂相互摩擦无法正常转动)，而大多数情况下，同一个品牌的同一款样式的轮毂会提供不同ET值可以选择，改装之前要考虑综合因素，最保险的情况是在不改装刹车系统的前提下，保持改装轮毂的ET值与原厂ET值相同。

      5.中心孔：中心孔是用来与车辆固定连接的部分，就是轮毂中心与轮毂同心圆的位置， 这里的直径尺寸影响到我们安装轮毂是否可以确保轮圈几何中心可以和轮毂几何中心吻合。

四、瑞纳轮毂的参数：

      PCD：4x100

      CB：54.1

      ET：46

      下图为瑞纳原装14寸(钢轮毂)、16寸轮毂(铝合金)宽度与搭配的轮胎参数

合金轮毂和碳纤维轮毂制造工艺完全不同

先说合金轮毂

锻造轮毂和铸造轮毂都区别，理论上来说，是强度都问题。

铸造轮毂（铝）都抗拉强度是230MPa左右；铝A356

锻造轮毂（铝）都抗拉强度达到330-350MPa；强度比铸造轮毂高30%，所以重量可以做都更轻更薄。铝6061

简单来讲，铸造就是把铝合金融化了以后浇到模具里去，让他自然冷却凝固形成的产品。在这个过程当中，铝合金内部会产生气孔，疏松和夹渣。不光是抗拉伸强度，本身还有很多铸造缺陷。

锻造轮毂直接把铝合金用一万吨以上的压机压到模具里面成型，这样做密度会更高。经过锻造都合金强度、晶粒、致密成都都会提升。

锻造轮毂用的铝合金材料和铸造的合金不一样，由于铸造合金要求里面含有一些非晶体成分，导热性并没有锻造轮毂好；锻造轮毂都致密度更高而且更轻更薄，所以安全性也更好。铸造的轮毂，合金要有很好的流动性，流到模具里去，所以要加一些非合金材料，比如硅；锻造不需要考虑流动性，冲击性就比较明显。铸造轮毂用冲击试验机实验轮辋表面可能会形变和开裂，锻造就不会，冲下去就会回弹，不会变形，也不会开裂。

现有的锻造技术也分3类：

万吨以上液压机锻造出来的（压力越大，合金致密度月高，强度也就越高）

铸造旋压

铸造过程中加压

理论上来说，锻造轮毂强度比铸造轮毂强度高30%，前者重量减轻20%都情况下强度依然比铸造的强。碳纤维轮毂更是如此，因为更轻，强度也更高。

强度更高也就意味着可以做都更轻，而汽车就是追求轻量化，簧下质量减轻一公斤相当于簧上10公斤。轻量化也使得汽车都操控性更好（轮毂轻，加速更快，刹车距离更短，也就更安全）。

车辆的轻量化，轮毂做轻量化是最容易的，因为车身结构的轻量化改变涉及多个零件，而轮毂只要强度要求过关直接装上去就能用，不需要考虑别的零件。

铸造/锻造轮毂现在已经把钢圈这个市场吞噬掉了，碳纤维轮毂也是这样，因为好的东西肯定是会把差的替代，先是高端市场，然后技术被攻破，成本降下来之后进入中低端市场。

现在新能源汽车最关键的技术之一，电池还没有大的技术突破。考虑到长续航电池设计重量就比较重，轮毂轻1KG，一辆车有5个轮毂（加备胎），就轻五公斤，电池就可以做更大一些，续航也就更长。

碳纤维轮毂现有2种加工方法

真空热压法，RTM工艺

现在通常使用第一种，但是也仅有几家公司会做，科尼赛格

carbon revolution使用的是RTM工艺

还有一种是兰博基尼的专利，锻造碳纤维，但是到现在为止没有运用在制造轮毂上，可能是锻造碳的强度不如铺层设计过的强度大。

铝合金材料不仅比铁更轻，而且硬度也比铁更高，用来做轮毂再适合不过。但是铝合金终归是金属，高中物理知识告诉我们，金属具有延展性，所以铝合金轮毂也是会失圆的。加上铝合金硬度高，很难通过锤子砸的方式修复，所以只能用车削的方式修复。车削轮毂会让轮毂变薄，无法承受较强的冲击力，遇到坑洼路很容易破裂，具有安全隐患。

在国外拥有比较成熟的修复铝合金轮胎失圆的技术，它们是采用加热的方式将轮毂重新放到模具中还原，但目前国内据了解还没有将这样的技术引进。因此，无论是铁轮毂还是铝合金轮毂，如果已经失圆就不建议进行修复了，因为修复过后也还是会有安全隐患。