国内汽车铝轮毂制造业及其技术的发展

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摘要:对汽车铝轮毂的发展趋势、生产技术状况以及国内汽车铝轮毂制造技术的发展趋势进行了论述。介绍了铝轮毂主要的生产工艺技术以及先进生产工艺技术的应用。

　　作为汽车最重要的安全部件，轮毂承受着汽车和载物质量作用的压力，受到车辆在启动、制动时动态扭矩的作用，还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障碍物冲击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变受力。轮毂的产品质量和可靠性不但关系到车辆和车上人员、物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性能，这就要求轮毂的尺寸和形状精度高、动平衡好、疲劳强度高、刚度和弹性好、质量轻、美观、材料可回收等，而铝轮毂以其良好的综合性能满足了上述要求，在安全性、舒适性和轻量化（至少减轻30%的质量）等方面起到了重要的作用。

    1 汽车铝轮毂的发展趋势

    汽车铝轮毂正在向大直径、轻量化、高强度、美观化的方向发展，为了满足使用功能和市场的需求，铝轮毂在结构上有整体式和多件组合式的设计，外观造型上有宽轮辐、窄轮辐、多轮辐、少轮辐等形状设计，外观式样有涂装、轮辐车亮面涂透明漆、抛光涂透明漆、电镀等，涂装的颜色有运动银、细银、烟灰色、黑色等色彩。铝轮毂使用的材料有Al-Si系列合金（AlSi7Mg、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg）、Mg合金、6061变形铝合金，其中以采用Sr变质的AlSi7Mg合金用量最多（约90%）。铝轮毂的成形工艺有重力铸造、低压铸造、挤压铸造、半固态铸造、锻造、旋压成形和几种工艺的组合等工艺形式；挤压铸造和半固态铸造技术可以改善材料的金相组织，提高产品的力学性能，特别适用于制造大规格、轻量化铝轮毂；旋压成形技术是在热锻工艺基础上发展起来的塑性变形加工技术，铝轮毂在锻造制坯后利用旋压工艺使之成形，这种工艺生产的铝轮毂的力学性能，比同规格铸造铝轮毂的提高18%以上，还可减轻约20%的质量，产品主要是大规格、轻量化铝轮毂以及赛车铝轮毂。近来又出现了一种全新概念的新型轻量化铝轮毂——内置空气铝轮毂，通过空腔技术进一步减轻轮毂20%的质量。

    目前，汽车铝轮毂装车率在60%左右，铝轮毂的尺寸为304.8mm-762mm，OEM的主流市场是以381mm-457.2mm轮毂为主，其中406.4mm轮毂所占市场份额最大，而改装市场的主流市场是以457.2mm-558.8mm轮毂为主。对于普通乘用车而言，整体式低压铸造铝轮毂足以满足性能的要求，因此当前汽车铝轮毂成形技术主要采用低压铸造工艺（占总量的80%以上）。

    2 国内汽车铝轮毂行业的发展进程

    20世纪70年代，发达国家开始大量推广应用铝轮毂。我国在20世纪80年代末开始了铝轮毂工厂的建设，90年代中期进入发展期，并且持续保持着强劲的增长势头。到2006年我国汽车及摩托车铝轮毂年生产能力已超过6500万件。据行业计，2006年生产汽车铝轮毂3 400万件，其中出口1800万件；生产摩托车铝轮毂2800万件，其中出口400万件；是世界铝轮毂生产大国。我国铝轮毂制造行业经过了几个发展阶段。

    2.1 起步阶段

    1988年成立的秦皇岛戴卡轮毂制造有限公司是国内第一个铝轮毂生产企业，生产低压铸造铝合金汽车轮毂；第二个是1989年开始筹建的广东南海中南铝合金轮毂厂，该厂生产低压铸造、重力铸造的汽车和摩托车铝轮毂。这两个公司逐步发展壮大起来，成为行业的先行者。

    2.2 发展阶段

    1994-1997年是国内铝轮毂行业的发展阶段。随着1994年我国汽车工业产业政策的出台，我国汽车、摩托车工业进入发展期。这一时期国内铝轮毂的产量小、价格高，相对于其他铝制品属于高利润产品。高价位吸引众多投资者参与，国内出现了投资建设铝轮毂厂的第一个高潮，这一时期新上了十几个铝轮毂厂。而此阶段国内轿车工业规模尚小，铝轮毂的用量较少，国际市场又尚未打开，有限的国内市场由初期的两个铝轮毂厂及进口产品互相竞争，变为国内近20个厂家的竞争，铝轮毂产能远大于国内市场的需求，竞争显得异常激烈。

    2.3 调整阶段

    1998-2001年是国内铝轮毂行业调整时期。受1998年亚洲金融危机的影响，世界经济处于低迷状态，此时铝轮毂在我国尚属于新兴产业，新建的部分铝轮毂企业，由于缺乏有经验的技术人员，技术工艺不成熟，产品质量不过关，生产成本居高不下，各种原因导致这部分企业步履维艰，未能挺过金融危机这一难关，出现了行业内的并购和资源整合。此时台商大举投资进入大陆铝轮毂制造行业，这一时期投资兴建的企业数量虽然不太多，但是这些企业都是独资公司，其市场大都在境外，少量在中国大陆市场。
2.4 高速发展阶段

    2002年至今，随着我国加入WTO，国民经济呈现良性发展势态，国家对基础建设投入的增加，扩大内需以及私人购车环境的形成，使我国汽车需求呈现出快速的增长，由于我国汽车制造业的快速发展以及国际市场的不断开发，国内开始了新一轮投资
铝轮毂的高潮，新建扩建企业多、投资力度大、建设规模大、技术水平高、国产技术装备逐步开发应用成为这一时期投资的特点，其中民营和外资成为投资的主力。
到2006年底，国内新建了近50个铝轮毂厂，加上原来的30多个，全国已有约80个铝轮毂厂，年生产能力已超过6500万件，其中年生产能力300万件以上的企业有3个、200万件以上的企业有6个，使我国成为世界铝轮毂生产大国。这期间锻造汽车铝轮毂技术的开发成功，境外铝轮毂企业与境内企业间的合资合作，使得我国汽车铝轮毂技术水平迅速达到了国际先进水平。

    随着新技术、新工艺的不断应用，自主创新能力的不断提高，企业实力不断增强，我国铝轮毂行业正在努力做大做强，发展的主要目标是建成几个年产能超千万件的企业集团，早日使我国成为铝轮毂生产强国。

    3 汽车铝轮毂制造技术的发展趋势

    鉴于整体式汽车铝轮毂是铝轮毂的主打产品，在此着重对整体式汽车铝轮毂的制造技术进行讨论。整体式铝轮毂主要的生产工艺流程是:熔化→精炼→低压铸造→X射线探伤→热处理→机械加工→动平衡检验→气密性检验→涂装。

    3.1 熔化设备及技术

    轮毂铝合金的熔化设备，按炉型分为塔式炉、感应炉、倾转炉、固定炉，按能源形式分为柴油炉、天然气炉、煤制气炉、电能炉。塔式炉熔化速度快、烧损少、能耗低，感应炉熔化速度快、合金成分均匀、生产环境好，倾转炉可以配料也可以做保温炉使用、使用安全、维护方便，固定炉可以配料也可以做保温炉使用、使用和维护简便；燃油炉热值高、熔化效率高、使用维护方便，燃气炉生产环境好、清洁、使用维护方便，煤制气炉经济实惠，电能炉容易控制、生产环境好。其中以燃油或燃气的塔式快速熔化炉为佳，同时配以铝屑熔化室使用更加方便，是主选设备；如需配料则倾转炉较为实用。熔化设备的关键在于炉温的控制。由于轮毂铝合金对含铁量要求严格，欧洲客户要求w（Fe）≤0.15%，因此炉衬必须采用非金属材料制作，配料时选用纯度较高的纯铝锭，回炉料的比例要严格控制。

    为了降低成本，国内已有少数厂家采购液态铝合金，并将其直接运送到生产现场，采用液态铝合金直接铸造铝轮毂这种工艺方式，大大减少了原材料熔化时的烧损及二次熔化时能源的消耗，是铝轮毂制造技术发展的新方向。

    3.2 精炼设备及细化技术

    铝液的精炼方法有气体法和熔剂法，处理方式有通入管路法、钟罩压入法、精炼机等。铝液精炼的设备按形式分为固定式、移动式、吊装式、简易通管式，按精炼介质分为单一气体、双气体、气体加熔剂。固定式的设备运行平稳、可靠、精炼效果好，移动式的则使用灵活、方便，吊装式的使用方便，简易通管式的使用简单。为了提高精炼效果，避免对环境的污染，以采用双气体的固定式精炼机为最好，是主选设备，该精炼设备的关键在于控制系统的技术水平和设备的可靠性。

    细化变质处理以采用杆状的AlTiB、AlSr合金为佳，不使用有污染的熔剂，已成为精炼细化变质处理的发展方向；而采用热分析和密度当量仪进行精炼、细化、变质效果的炉前分析，则是铝液快速分析技术发展的新趋势。
3.3 铸造设备及技术

    整体式汽车铝轮毂的成形工艺分为金属型重力铸造、低压铸造、挤压铸造、锻造工艺、旋压工艺；而低压铸造具有生产效率高、铸件组织致密、自动化程度高等特点，可满足汽车铝轮毂的需要，成为近年来国际上的主流工艺。
国内汽车铝轮毂成形技术，总产量的80%以上是采用低压铸造工艺生产，其余采用金属型重力铸造、挤压铸造和锻造工艺技术生产。

    低压铸造机的关键在于炉压的控制精度和设备的可靠性，选用的低压铸造机以进口主机、辅之以国产配套设备。保温炉为熔池式的，模具以四开模的形式为主，模具冷却是水、气并用。由于铝轮毂正在朝大型化方向发展，因此设备的刚性一定要好，并有足够的开合模的力量。保温炉采用坩埚炉更方便，模具采用全气冷、无需边缸的斜插模技术生产的铸件质量更好，是铝轮毂铸造技术的一个新动向。

    3.4 X射线探伤

    铝轮毂X射线探伤设备采用的是工业实时成像系统，使用的X射线管为进口160kVA的金属管，能穿透50mm以上的铝合金件，并能清晰地观察到缩松、针孔等缺陷；缺陷的识别有人工识别和程序自动识别等方式，并有图像处理和存储功能。该设备有进口的和国产的，但国产设备在可靠性和自动识别程序方面有待进一步提高水平。考虑到生产的自动化程度，在设备的进出口端要有输送料道系统，合格品与非合格品能够自动分离，有生产统计功能的设备是今后的发展趋势。

    3.5 热处理设备及技术

    铝轮毂的热处理工艺为固溶处理和时效处理（T6处理），工艺要求炉温均匀性好，炉内温差△T≤±5℃。热处理设备按炉型分为周期炉、连续炉，按能源形式分为天然气炉、煤制气炉、电能炉。轮毂在炉内的放置多采用料架，产品分开放置以防轮毂变形。连续热处理炉按传动方式又分辊棒式、吊筐式、推盘式。连续热处理炉的炉温均匀性好（炉内温差△T≤±3℃）、产品质量好、生产效率高、节能，是大批量生产的主选设备。而燃气吊筐式和辊棒式连续热处理炉是该类设备的发展方向。小批量间歇式生产时可以使用周期炉。

    由于连续热处理炉的生产量大，因此设备的可靠性和控制水平十分重要，为了工艺的可追述性，要配备温度记录仪。为方便操作，提高车间面积利用率，热处理生产线以U型布置为佳。

    3.6 机械加工设备及技术

    在铝轮毂的加工方面，一般是采用进口或国产的单轴立式或卧式数控机床，高精度CNC加工单元，切削液冷却。传统的加工顺序是在线外去除冒口，然后以毛坯外圆定位先车后钻，对于铝轮毂而言加工精度是足够的了。

    为了提高生产效率和加工精度，同时满足环保的要求，新的技术是采用高精度CNC双轴立式加工单元，无切削液的干式加工——刀具微润滑空气冷却方式，加工顺序是先钻后车，以产品螺栓孔定位，车削转速达3000r/min，并将去冒口在钻床上完成，减少了钻冒口工序。尽管加工时没有切削液的冷却，由于切削速度快产品的温升小，所以铝轮毂的加工精度和效率均高于传统工艺，是铝轮毂加工技术的新趋势。

    3.7 动平衡检验

    动平衡性能的检验方法有立式和卧式两种方法，以卧式法为好，一般是采用手动操作方式。新的趋势是采用卧式动平衡机，并在设备的进出口端增设输送料道系统，合格品与非合格品能够自动分离，同时附设标识打印等功能，以实现生产的自动化。

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3.8 气密性检验

    铝轮毂气密性检验的方法有水压试验和氦气质谱漏气试验。
水压试验是在不小于0.4MPa的气压下保压30s，通过目测观察水中铝轮毂漏气时的气泡来检验铝轮毂的漏气情况，这是绝大多数厂家选用的气密性检验方法。新的气密性检验方法是采用氦气质谱漏气试验，该方法利用氦气质谱分析的原理，能够快速自动检测氦气的泄漏情况（漏气速率不大于1×10-6Pa·cm3/s），考虑到生产的自动化程度，在设备的进出口端要有输送料道系统，合格品与非合格品能够自动分离，该技术是气密性检验技术的新趋势。

    3.9 涂装设备及技术

    铝轮毂的外观式样有涂装、轮辐车亮面涂透明漆、抛光涂透明漆、电镀等，涂装的颜色有银灰色、运动银、细银、烟灰色、黑色等。由于电镀工艺对环保影响大，应用量正在逐步减少，涂装为主导工艺。

    涂装是铝轮毂生产的最后一道工序，其目的是提高铝轮毂的耐腐蚀性和美感，为了确保涂装的质量，生产现场要求清洁无尘。涂装的方法有手动喷和自动喷，手动喷涂的涂层厚度及喷涂质量不易控制，自动喷涂可将涂层厚度的精度控制在10μm、且均匀，厚度可根据顾客的要求进行调节；喷枪有静电喷枪和空气喷枪，后者只适用于喷油漆；涂装的工艺流程是:预处理→喷底粉→喷色漆→喷透明粉；特殊的也有预处理→喷色漆→喷透明粉，或者预处理→喷透明粉。但后两种工艺涂层的耐腐蚀性不如前者。目前采用的先进工艺和设备是:预处理→喷底粉→喷色漆→喷透明粉的涂装自动生产线。

    先进的涂装自动生产线由表面预处理、烘干、静电粉末喷涂、喷漆、固化等组成，传输系统以地面链的方式将铝轮毂水平放置、铝轮毂可自转为好，并带有搬运机器人、粉末回收系统、粉末更换系统和废水处理装置。采用的自动化涂装工艺装备中，选用了静电喷枪和高速静电旋杯喷枪技术（转速20000r/min以上）、环保型无铬化预处理技术、喷粉技术、环保型水性漆技术，由于生产线的生产效率高、节省涂料、环保好，是铝轮毂涂装技术发展的新趋势。

    4 结束语

    （1）铝轮毂正在向大直径、轻量化、高强度、美观化等方向发展，汽车主流市场是以38cm-45cm低压铸造铝轮毂为主，40cm轮毂所占市场份额最大。

    （2）6500万件的年产能，使得我国成为世界铝轮毂生产大国，境外铝轮毂企业与境内企业间的合资合作，使得我国汽车铝轮毂技术迅速接近了国际先进水平。我国铝轮毂行业正在努力做大做强，力争早日成为铝轮毂生产强国。

    （3）铝轮毂制造技术的主要发展趋势是自动化、智能化、节料、节能和环保，具体措施有:液态铝合金直输送生产现场、铝液无污染精炼、铝液热分析、斜插式低压铸造模具、X射线自动探伤、氦气自动试漏、干式机械加工、高速静电旋杯喷枪、无铬化处理、喷粉和水性漆等新技术新工艺。