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      日本這間破廠房內(nèi),如何造出世界頂級鍛造鋁鎂合金輪圈

      2018年02月23日 9:46 7050次瀏覽 來源:   分類: 鋁資訊

         由小野太郎創(chuàng)辦的Washi Beam以紡織機的繞線軸起家,并憑借獨創(chuàng)的區(qū)域鍛壓技術成為行業(yè)的龍頭老大。進而在1984年迎來一個轉(zhuǎn)折點,成功獲得德國BBS鍛造輪圈系列的代工業(yè)務,宣告向汽車用鍛造輪圈轉(zhuǎn)型。

      Washi Beam作為BBS品牌唯一一個鍛造加工中心、日本BBS金字商標持有者,日本BBS是世界上頂尖的鍛造輪圈制造廠之一,為何BBS輪圈被譽為世界頂級鍛造輪圈,為何日本BBS深得F1賽車的信賴,在BBS經(jīng)典的“Y”形輪輻之下,蘊含了日本BBS怎樣的生產(chǎn)技術?在日本BBS亞太區(qū)營業(yè)顧問楊狄邦先生的安排下,筆者深入日本BBS輪圈制造的腹地,為大家解密日本BBS輪圈的那些事。

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      圖:由于高岡工廠是Washi Beam的發(fā)源地,廠區(qū)內(nèi)的不少建筑都有一定的年份,保留了Washi Beam成長的印記。
        日本BBS工廠簡介
      日本BBS鍛造輪圈的工廠,亦就是Washi Beam的廠房,位于日本本州島中西部沿海的一個小型城鎮(zhèn),富山縣高岡市。小野集團之所以選擇在高岡市開設工廠,是因為高岡市鄰近日本著名的鋁合金冶煉中心,地理上的接近令Washi Beam與原材料供應方的合作更為緊密,輪圈以及其他工業(yè)用轉(zhuǎn)軸的鋁合金原材料的取得非常方便,供應方能夠向Washi Beam提供后者所需標號的鋁材。
      由于人口密度較低,當?shù)貨]有太大的土地壓力,Washi Beam的廠房幾經(jīng)擴張,主要由6至8所平房建筑組成,廠房區(qū)域內(nèi)亦可以見到被精心修葺過的植物,完全不像想象中的重工業(yè)廠房,反而更像現(xiàn)在國內(nèi)興起的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)。只有往返于高岡工廠與負責涂裝的小矢工廠之間的Washi Beam卡車在大院內(nèi)繁忙地穿梭,以及機械加工廠房的Washi Mayer以及BBS標志,提醒著我們,這就是日本BBS品牌輪圈的誕生地。
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      圖:進入辦公樓,陳列區(qū)擺放了日本BBS的產(chǎn)品,包括F1賽車用的鍛造鎂合金輪圈、為車廠OE的鋁合金輪圈以及改裝用的經(jīng)典“Y”爪輪圈。
        1、鍛造技術
      首先必須再次重提輪圈成型的兩種主要工藝,鑄造與鍛造,以及精加工的數(shù)控加工中心。鑄造(Cast)是將原材料加熱至流質(zhì)的熔融狀態(tài),注入模具中,冷卻后成形;鍛造(Forge)則是對材料加熱至少量軟化,然后用鍛壓機將毛坯壓向模具,擠壓成形;數(shù)控加工則是將整塊的材料進行切割、刨削、研磨等的加工。鑄造過程由于金屬要熔化成流質(zhì),在冷卻為固體時分子結(jié)構重新成形,會受到在加熱過程中溶解的氣體、水蒸氣等的影響,令分子結(jié)構形成塊狀,強度較低,但生產(chǎn)較為容易。
      而鍛造則是在不破壞分子結(jié)構的前提下,加熱令分子間作用力減少易于“變形”,因此即使改變形狀,微觀分子結(jié)構仍然保持緊密,同時分子束可跟隨鍛壓模具“流動”,力學性能高,生產(chǎn)成本比鑄造高出許多;數(shù)控加工以直接切割的方式,刀具會破壞掉原有的微觀分子流向,在復雜的受力環(huán)境下顯得較脆,因為需要進行大量切削以及浪費原材料,生產(chǎn)成本亦較高。
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      圖:左下方的是鍛造輪圈截面,右上方是鑄造輪圈截面,從照片已經(jīng)可以看到兩種制造方法,其金屬組織的區(qū)別,鑄造的金屬顆粒塊較大,鍛造輪圈則基本上看不出金屬顆粒。
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      圖:日本BBS的研發(fā)中心,負責輪圈的設計,制定生產(chǎn)流程,以及輪圈成品的測試。
      2、鍛造技術
      日本BBS則始終堅持只使用鍛壓技術來制造每一顆輪圈,數(shù)控加工只占據(jù)極少的分量,如切除輪輻之間的多余材料、鉆螺絲孔以及輪圈邊緣拋光等不涉及輪圈力學結(jié)構的步驟。而隨著鋁合金加工技術的發(fā)展,如今有不少的輪圈廠研發(fā)出可以實現(xiàn)將材料在熔化與固體之間的狀態(tài)進行成形,或者將輪圈進行初次鍛壓之后,進行熱壓或者數(shù)控加工相結(jié)合的方式,來生產(chǎn)輕量化輪圈。
      雖然新型的加工技術能夠提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本,但由于它們都無法制作出性能完美的輪圈,日本BBS依然堅持采用成本高昂而且難度大的三次鍛壓的鍛造工藝,按照自己的經(jīng)營哲學,生產(chǎn)每一顆輪圈。正正是這樣的執(zhí)著,才使得Washi Beam能夠?qū)BS品牌升華,晉升為頂級車廠以及頂級賽車領域的合作伙伴。
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      圖:左圖是他廠鍛造輪圈微觀結(jié)構,右圖是BBS鍛造輪圈微觀結(jié)構,日本BBS的鍛造輪圈分子分布更均勻。
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      圖:滾動疲勞測試,日本BBS的要求是要進行50萬公里的測試,也就是說比一輛汽車的報廢里數(shù)還要多。
      1、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
      日本BBS用以制作鍛造輪圈的機器,主要有3千噸、5千噸、7千噸、8千噸以及9千噸的鍛壓機,根據(jù)不同輪圈的設計鍛造壓力選擇不同“噸位”的鍛壓機。BBS鍛造輪圈采用多重鍛壓工藝。制作一顆輪圈,要先從圓柱形的毛坯鋁材,經(jīng)過第一次鍛壓成餅狀;二次鍛壓與三次鍛壓是由同一臺鍛壓機完成的,將餅狀的初鍛品進一步鍛壓出輪輻、輪沿等細節(jié)。當然在輪圈被鍛壓之前,要先將材料加熱到一個特定的溫度,讓材料軟化至一定程度,既有比常溫更高的延展性,同時也不會破壞分子之間的分子作用力,以確保力學性能。Washi Mayer在這方面擁有非常豐富的技術與經(jīng)驗。
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      圖:Washi Mayer的鍛造生產(chǎn)車間全景,擺滿了日本BBS的輪圈。
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      圖:壓力達到9千噸的鍛壓機。
        2、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
        三次鍛壓分別使用不同的模具,那么為什么要進行三次鍛壓,而不能一次成形呢?舉一個例子:好比做拉面,我們要先將一塊面團拉成一根“棍”,然后再將“棍”經(jīng)過反復的延展,才能夠做成一份拉面。
        假如我們用一臺足夠大的機器,將面團直接一次性從“團”拉成“絲”,因為面團本身的延展性有限,是不可能做到的。而鋁合金的延展性比面團更差,因此如果一次性壓出整顆輪圈,鋁合金材料很難到達曲度較大的位置,會造成鍛造成形的變形,甚至因為過度拉扯材料而產(chǎn)生撕裂。一次鍛造不可能鍛壓出一顆輪圈,不少輪圈制造廠會在一次粗鍛之后,就將“餅”送入加工中心,直接切割出輪圈。
        而日本BBS則選擇了二次鍛制,將“餅”繼續(xù)鍛壓,將金屬壓入第二次鍛壓的模具之內(nèi),令金屬的內(nèi)部組織流線得以不被加工刀具切削而破壞。鍛壓機緩緩向輪圈胚體加壓,輪圈與模具之間因為摩擦而發(fā)出“咯咯”的聲音。經(jīng)過第二次鍛壓與第三次鍛壓,輪圈的輪輻已經(jīng)直接成型,不需要任何的大幅度切削加工,令輪圈的微觀金屬結(jié)構得以保全,Washi Beam將近40年的鍛壓技術保證能夠以鍛造的方式實現(xiàn)BBS輪輻纖細造型。要指出的是,因為鍛壓機的壓力是沿著輪圈軸向的方向,無法拉伸出輪圈的輪框,因此輪框要交到下一個工序來完成。
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      圖:Washi Beam工程部根據(jù)輪圈設計的需求,向鋁合金生產(chǎn)廠定制規(guī)定標號的鋁合金材料,切割成圓筒形之后,就可以開始鍛壓了。
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      圖:右方的是一次鍛壓后的模樣,左圖是二次、三次鍛壓之后的模樣,可見經(jīng)過三次鍛壓之后,輪圈已經(jīng)基本成型了,眼尖的讀者可以馬上辨認出這是哪款車的配套輪圈了吧。
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      圖:輪圈在鍛造過程中,為了避免輪圈與模具因為巨大的壓力而粘連在一起,而需要在模具與工件之間涂上離型劑與潤滑劑,因此左方亮黑色的半成品,雖然很接近成品的顏色,但實際上是離型劑與潤滑劑的顏色,洗掉之后會露出鋁合金原色(圖右)。
        3、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
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      圖:在計算機的控制下的鍛壓過程。
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      圖:看似鍛壓的過程中,要考慮到鋁合金是否會撕裂或不能完全填充模具,因此模具的設計非常關鍵,這也被日本BBS的工程師視為最高機密。
        4、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
        輪框是用滾壓的方式拉出來的,原理就好像陶藝工藝店玩陶藝:將輪圈固定在一個自轉(zhuǎn)設備上,滾刀壓緊輪框位置,當自轉(zhuǎn)設備啟動,液壓滾子用極高的壓力將輪圈外沿壓緊,就像用搟面杖做餃子皮那樣,將輪框通過擠壓的方式拉伸出來。從成型的過程來看,也算是一種鍛造工藝,并且是最能夠保持金屬原始特性的冷鍛。
        不少的鍛造輪圈廠會為了提高效率以及節(jié)省成本,將輪圈進行加熱,令輪圈軟化,延展性更好之后開始進行滾壓。但日本BBS的工程師們則認為輪圈軟化之后分子結(jié)構會因此而變得較為松散,而輪框作為承載輪胎的主體,其強度不能有一絲妥協(xié)。因此日本BBS依然堅持采用低溫(接近常溫)滾壓的方式,讓鋁合金微結(jié)構在不遭受任何破壞的情況下加工出輪框。
        首先要將上一步鍛壓過程中,輪沿部分的多余材料切除,然后就可以放入滾壓機了。伴隨著機器的轟鳴,套在模具上的輪圈,隨著滾子的徐徐進給,輪框逐漸地一邊變薄一邊變高。在加工機器里被自動機械臂抬出來之后,可以看到輪圈大概成型了,接下是輪圈成型的最后幾個步驟,就是將輪圈放入機械加工中心進行精加工以及熱處理等。
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        圖:左方的就是滾壓用的模具,將工件套上模具上方,滾子就會根據(jù)模具的形狀將輪框碾壓出來。
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      圖:機械臂一邊將滾壓完成的輪圈取出(機械臂右方),一邊將將要滾壓的輪圈(圖片左方)放入滾壓機。
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      圖:方程式賽車用的頂級鎂合金鍛造輪圈,并不會因為是賽車輪圈,就“高輪一等”有一套專用的生產(chǎn)流程,它們與其他輪圈共享生產(chǎn)設備以及制造過程,共線生產(chǎn)。
        5、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
        所有的基本成型步驟桀紂之后,接下來要將輪圈送到下一個流程,熱處理。日本BBS的工程師并沒有透露熱處理的種類,但從熱處理設備以及輪圈制作過程的需求來推斷,應該是退火工藝。退火工藝要將工件加熱到某個溫度,然后緩慢冷卻。它能夠令輪圈消除鍛造以及切割時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力防止輪圈變形,以及改善金屬組織結(jié)構提高輪圈的延展性和韌性等,令輪圈更加耐用。
        退火之后,輪圈將被運送到高度自動化的機械加工中心?;旧鲜且詸C械人進行操作,機械加工中心負責完成鍛造工藝無法實現(xiàn)的步驟,例如把輪輻之間的多余的鋁材切除,以及精加工出螺絲孔、中心孔以及輪圈法蘭位置的偷空部位等。機械加工之后,專門的技工對刀具切割而產(chǎn)生的毛邊進行打磨,之后輪圈就算基本成型了。
        之后還有非常關鍵的一步,對輪圈進行噴丸強化,以提高零件機械強度以及耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性,以及進一步消除鍛造輪圈的殘留應力。經(jīng)過噴丸之后,輪圈本體就算完成了(部分需要拋光的款式,則需要再次“回爐”機械拋光),運送到小矢工場完成涂裝之后,便可回到成品質(zhì)檢科,檢查沒有問題之后就可以裝箱入倉了。
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      圖:對輪圈進行退火處理的爐子。
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      圖:退火處理完之后,就別送入數(shù)控加工中心進行機械加工。
        6、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
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      圖:機械加工完畢的輪圈,將會被送到人手檢驗以及最終修正的工序。
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      圖:人工檢查的步驟主要是將機械加工的殘余毛邊清除掉。
        7、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
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      圖:噴丸處理之后,輪圈呈現(xiàn)出啞光色澤,這是由于鐵微粒以極高的速度對輪圈表面進行噴射,改變了輪圈表面的形態(tài),變得粗糙就像砂紙一樣。
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      圖:如IS-F的OE輪圈,需要進行特殊的機械拋光處理,就需要另行處理,而其他沒有特殊效果的輪圈,就會運送到小矢工場進行涂裝。
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      圖:對涂裝效果進行確認,就可以作為成品出貨了。
         8、帶你看輪圈生產(chǎn)過程
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      圖:BBS倉庫,輪圈數(shù)量那叫一個可觀。
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      圖:BBS輪圈的配件,例如有McGard代工的輪圈螺絲。
        結(jié) 語
        
        真金不怕紅爐火,真鍛不怕攝影機。一長串緊密合作的頂級汽車制造商以及在各個賽場上取得輝煌的戰(zhàn)績背后,是日本BBS對產(chǎn)品品質(zhì)以及品質(zhì)堅持不懈的追求。業(yè)精于勤,看似簡單的鍛造輪圈,積淀了Washi Beam工程師們超過40年的鋁合金加工技術。
         Washi Beam對于日本BBS品牌的經(jīng)營并沒有固步自封,挑戰(zhàn)使用更高硬度的鋁合金來制造鍛造輪圈,成功開發(fā)出新型的以航空等級鋁材鍛造而成的Dura系列。此外由于經(jīng)營出色,Washi Beam有能力將德國BBS出售的賽車部門整體收購至囊中,從以往為BBS賽車部門代工輪圈的角色,升格為直接經(jīng)營BBS參與的所有賽事的操手。

      責任編輯:陳巖

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