年产200万件铝轮毂可行性研究报告--第四部分--工艺技术方案.doc

年产200万件铝轮毂生产基地项目 可行性研究报告（项目申请报告）第四章工艺技术方案4.1 工艺技术方案的选择4.1.1 原料路线确定的原则和依据铝锭是铝合金轮毂生产的主要原料，由于不同地区资源条件的差异，不同时期原料供应的变化，铝锭的价格也随之改变。近年来为了资源综合利用，很多采用旧铝回收进行成份调节后，可以降低铝轮毂的生产成本。从铝合金轮毂的生产工艺要求来看，我们的原材料铝锭用量确定：70%采用新购A356.2铝锭，30%采用废旧铝回收进行成份调节。4.1.2 国内、外铸造工艺技术概况4.1.2.1挤压铸造法挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳，没有湍流和不包卷气体，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密、晶粒细化，机械性能比低压铸造件高（见表4-1）。产品既有接近锻件的优良机械性能，又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。表4-1挤压铸造与低压铸造铝合金轮毂的力学性能比较10挤压铸造适合于生产汽车工业中的安全性零件，汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件，日本已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产，丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备，每台设备不到2min即可生产一件铝轮毂，从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制，自动化程度非常高。4.1.2.2锻造法常规锻造锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%-17%，因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外，锻造铝轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本比铸造的高得多。铸造锻造法针对常规锻造工序多，成本高的问题，近年来出现了一种称为铸造锻造的复合成形技术，它是将铸件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工的方法。由于将锻造作为零件最终成形的工序，因此可以消除铸造缺陷，改善制品的组织结构，使产品的力学性能比铸件大大提高，同时又充分发挥了铸造工艺在成形复杂件方面的优势，使形状复杂的产品锻造工序减少，材料利用率大大提高，生产成本降低。用铸造锻造技术生产铝轮毂，其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，但生产成本可以比普通锻造件下降30%。目前，该工艺自1996年9月成功地应用到批量生产中以来，已被多家日本公司采用，经济效果良好。国内在铸造锻造成形工艺方面虽有一些研究和应用，但还未见应用到铝轮毂的生产中的报道。半固态模锻工艺在金属凝固过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达20%左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在金属凝固过程中施以强烈搅拌，可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中，这种经搅动制备的合金一般称为非枝晶半固态坯料，这种半固态坯料在固相率达到50%-60%仍具有很好的流动性，可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形，这就是2世纪70年代初由美国麻省理工学院M.C.Flemings教授等开发出的一种新型的金属加工工艺半固态金属成形工艺。所谓半固态模锻，就是将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态后一次模锻成形，获得所需的接近尺寸成品零件的工艺，这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。半固态模锻具有许多独特的优点：零件在模内收缩较小，易于近终化成形，机械加工量减少；半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学性能高于压铸和挤压铸造件；成形不易裹气，宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多；成形温度低，模具寿命长。近10年来，半固态成形技术在国外获得了广泛的应用，已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域，被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相当长的一段时期内，半固态成形的主要市场是汽车工业，应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂，其中美国的AEMP（Alumax Enginered metal Process）公司与Superior工业公司合作于1992年在阿肯色州建成了全球首家半固态模锻铝合金汽车轮毂厂。用半固态模锻代替低压铸造生产ZL101铝合金车轮毂，不仅能减少机械加工量和提高生产率，而且还可以提高机械性能，减轻质量（见表4-2）。国内对这种技术的研究起步较晚，虽然也有一些研究成果报道，但实际应用得很少。半固态模锻铝合金轮毂是一项高新技术，有一系列的优点，期待国内在新建的铝轮毂厂中，能有一个半固态模锻厂，以提高国产汽车在国际市场上的竞争能力。表4-2半固态模锻与低压铸造铝合金轮毂的性能比较4.1.2.3金属型重力铸造法金属型重力铸造是指在常压下，液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法，这也是一种最基本的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，因而铸件比砂型铸造的组织致密，该法工序简单，生产效率高，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时金属液的收得率也较低。国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰，但国内仍在大量采用此工艺。4.1.2.4金属型低压铸造法低压铸造是将铸型放在一个密闭的炉子上面，型腔的下面用一个管(叫升液管)和炉膛里的金属液相通。如果在炉膛中金属液面上加入带压力的空气，金属液会从升液管中流入型腔。待金属液凝固以后，将炉膛中的压缩空气释放，未凝固的金属从升液管中流回到炉中。控制流入炉膛空气的压力、速度,就可以控制金属流入型腔中的速度和压力，并能让金属在压力下结晶凝固.这种工艺特点是铸件在压力下结晶，组织致密，机械性能好；低压另一个特点就是用一个升液管将铸型直接和炉膛连通，在压力的作用下，直接浇注铸型，不用冒口，浇口也很小。所以金属的利用率高。4.1.3 铸造工艺技术方案的比较和选择理由根据企业的生产经营实际情况，挤压铸造、锻造等工艺投资额太大，是低压铸造投资额的2-5倍，是重力铸造的4-10倍，根据低能耗生产这个核心指导方针的要求，我们确定：采用重力铸造与低压铸造相结合的工艺。4.1.4 热处理工艺技术方案铸造铝合金热处理的目的:铸造铝合金在铸态下的力学性能往往不能满足使用要求，需通过热处理进一步提高。热处理的目的，是为了解决以下问题：充分提高铸件的力学性能，改善合金的切削加工性能;消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等造成的内应力；稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起镶边产生体积胀大现象；消除偏析和针状组织，改善合金的组织和力学性能。铸造铝合金热处理特点基于多相铸造铝合金的组织特征：固溶体晶粒周围存在粗大的共晶组织；固溶体内部浓度不均匀和存在第二相质点；晶粒间不仅有气孔和显微缩孔，而且还有非金属夹杂，它们都能使晶粒彼此隔绝，从而阻碍着扩散过程的进行，因此铸造铝合金和变形铝合金热处理有很大的不同。变形铝合金组织致密，保温时间只要几十分钟，很少超过12小时。而铸造铝合金在淬火温度下需要经过很长时间保温，往往要几小时，甚至几十小时，才能使强化相在固溶相中达到最大的溶解度，这是铸造铝合金热处理的主要特点之一。金属型铸件或采用冷却较大、压力下结晶的铸件，其组织较砂型铸件的晶粒细小，固溶体和第二相质点的接触面较大，这就是为加速扩散过程创造了条件，从而提高了热处理效果，保温时间也可以大大缩短。铸造铝合金热处理的另一个特点是铸件形状复杂，壁厚不均匀。为了避免热处理变形，有时需要特制的热处理夹具和在温度较高的水（50100）或油中淬火。为了缩短生产周期和提高铸件性能，通常都采用人工时效。4.1.5铸造铝合金热处理强化的基本原理对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如46昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100200）内发生，称人工时效。铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。 铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。 硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。 沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。 在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程： 形成溶质原子偏聚区G·P（）区 :在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（）区。G·P（）区与基体保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。  G·P区有序化形成G·P（）区 :随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（）区。它与基体仍保持共格关系，但尺寸较G·P（）区大。它可视为中间过渡相，常用”表示。它比G·P（）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。 形成过渡相 :随着时效过程的进一步发展，铜原子在G·P（）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相。由于的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。 形成稳定的相:过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为相此时相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长，相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效”。相聚集长大而变得粗大。 铝铜二元合金的时效原理及其一般规律对于其他工业铝合金也适用。但合金的种类不同，形成的G·P区、过渡相以及最后析出的稳定性各不相同，时效强化效果也不一样。几种常见铝合金系的时效过程及其析出的稳定相列于表31。从表中可以看到，不同合金系时效过程亦不完全都经历了上述四个阶段，有的合金不经过G·P（）区，直接形成过渡相。就是同一合金因时效的温度和时间不同，亦不完全依次经历时效全过程，例如有的合金在自然时效时只进行到G·P（）区至G·P（）区即告终了。在人工时效，若时效温度过高，则可以不经过G·P区，而直接从过饱和固溶体中析出过渡相，合计时效进行的程度，直接关系到时效后合金的结构和性能。4.1.5热处理设备选型：铝合金轮毂的热处理设备，与铝合金铸造件的热处理设备完全一样，只需要对日过线的工件大小、件数进行工艺设计，就能完全满足要求。国内市场的设备、工艺都很成熟。4.1.6数控加工设备：铝合金轮毂的数控加工设备，采用现在市面上流行的CNC机床就能达到要求。一般选择台湾远东的数控加工机床。在此不再描述。4.1.7涂装生产工艺与生产线：由于国内汽车主机厂对铝轮毂的防护性能要求越来越高，装饰性能要求不尽相同，我们可以分为这样几种需求：一是表面喷塑；二是把喷塑层作为底层，再进行喷漆处理；三是要求喷底漆和面涂；四是先喷底漆与面漆，最后再喷二道罩光漆。我们可以把工艺方案定为四种：工艺方案1：表面前处理脱水烘干喷粉固化成品下线；工艺方案2：表面前处理脱水烘干喷粉固化转线打磨喷底漆流平喷面漆流平固化成品下线工艺方案3：表面前处理脱水烘干喷底漆流平喷面漆流平固化成品下线工艺方案4：表面前处理脱水烘干喷底漆流平喷面漆流平喷罩光漆1流平喷罩光漆2流平固化烘干成品下线涂装工艺与设备的特点：表面前处理：先铬化、再水洗后，还要通过循环纯水洗与新鲜纯水洗，以确保工艺表面无杂质，增强涂层的附着力。因此，前处理需要配置一套出水量为每小时2吨的纯水制备装置。前处理设备采用全封闭自动喷淋式，水泵选用立式泵，喷淋系统采用上行下送方式，由水泵将槽液通过管道输送到棚体顶部，再由两侧下送，使喷淋压力上下均匀。预脱脂、脱脂和铬化3个槽均采用燃油间接加热方式，换热器直接放在槽底部，壳程里通高温气体介质，管程内通低温液体介质，通过水泵的作用，在对工件进行喷淋处理的同时，处理液通过管程内流动达到换热效果。除铬化、纯水段槽体和棚体选用不锈钢材质外，其余工位均为普通Q235材质：喷淋管路系统除纯水段采用不锈钢材料处，其余工位均采用PP管，喷嘴采用PV快速换装式喷嘴，方便在堵塞时及时更换清洗；全部棚体为分段拼装结构，棚体框架之间采用螺栓连接，棚体之间为冷铆扣压工艺，安装维修方便，外表无焊接变形，整体美观。棚体两侧面各设有检修门及平台、楼梯等检修维修辅助装置，槽体上部均架有安全网，既作为检修通道，又可防止工作掉入槽液中，各工艺段之间均设有防溅门以防止串液，棚体的进出口处、预脱脂与脱脂之间，及铬化段共设置4套强制排废气系统。前处理的出口端，设置了压缩空气自动吹水装置，压缩空气经过油水分离、杂质过滤后，由气梳向下斜30度吹向工作，将水向下赶，以增加烘干效果；在前处理出口处，设置人工检验、吹水工位，供人工目测检验、补充吹干之用。烘干、粉末和油漆固化：固化炉均设计成高架结构，工件从烘道两端的底部沿30度角进出，热能损耗低，从室温升到工艺温度时间约为45分钟。风管及炉内壁均采用SUS304不锈钢，外壁为Q235冷轧钢板，保温层则采用100mm厚的矿渣岩棉保温，四周外壁加挂一层50mm厚的夹芯彩色钢板进行保温，共计150mm，炉外壁温度不大于室温10度，漏热少。各烘干固化炉内采用下送风上回风的强制热风循环方式，对工件涂层进行加热；热风循环风次数为每分钟4-7次，每个烘道的顶部均设置了强制排废气系统，由管道连接到室外。加热系统采用燃油间接加热方式，设计方针：一是炉内呈负压状态，以有效防止热量外溢，二是采用耐高温过滤器，确保空气洁净度，三是内壁及换热器全部采用不锈钢材料，四是保温层采用硅酸铝耐火纤维，五是加热炉的热空气出口部分，采用水冷却式耐高温、低噪声离心风机。喷粉及喷漆系统：采用工件自动旋转、自动喷涂加人工补喷方式，在喷粉室、喷漆室一侧设置一台升降机，机上配置两把高压静电喷枪，自动上下往复喷涂，另设一个手动喷涂工位，有工件复杂、死角、沟槽等处，进行人工补喷。粉末回收装置采用贴附式脉冲反吹滤芯装置，实现自动回收、筛粉与供粉。喷粉室采用不锈钢板折弯制造成组件，现场拼装，用螺栓紧固，输送链从喷粉室顶部通过，顶部用软塑板密封，以防漏粉。室内各断面风速设计控制在每秒0.4-0.7m，确保粉尘不外溢。底漆、面漆、罩光漆等喷涂室均采用二级水帘式喷涂室，微正压送风方式，送风量为每小时1.2万方，抽风量为每小时1.1方，设置调节风门装置，正负压可调节。抽风系统分别单独接到车间外，加活性碳吸附过滤装置。4.2 工艺流程和消耗定额4.3 主要生产设备表所需生产设备数量与价格预算熔化炉连续熔解保温炉，一套，计70万除气精炼装置1套，计3万元重力铸造机六台，共计42万模具4套，计16万元模具加热炉1套，20万元热处理固熔-时效炉新生产线一条，共计200万切割浇冒口机2台，共计8万钻中心孔机2台，计6万去毛刺机1台，25万元液压矫正机计30万喷丸机1台，25万元数控加工单元4组(8台)，计400万元数控工装夹具及其它计20万元攻钻二用机3台，共计1.5万元台式钻床1台，计0.3万元铝屑压饼回收装置一套，计30万涂装生产线新生产线一条，共计150万涂装工装夹具及其它计10万元轮毂包装线及自控电气计20万元厂区辊道与物流设施计50万元空压机2套，40万元配电房及变电设备计80万元供水及冷却循环装置计40万元电动吊钩起重设备计15万元设备安装调试计30万元冲击试验机 型式试验机计50万光谱分析仪一套，计15万其它检测设备计120万