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摘要：本文對某低壓鑄造輪轂的模具進行優化，主要是針對冷卻系統進行優化，以適應該輪轂的正面造型及輻條結構特征，從而對具有異形輻條結構的鑄造方式進行探索和總結。

關鍵詞：輪轂：低壓模具結構優化；水冷

前言

2018年，全國狹義乘用車銷量為2235萬輛，同比下降5.8%，打破了中國乘用車市場銷量26年來的上升趨勢，并開啟了長達數年的汽車市場“至暗時刻”，上下游產業鏈動蕩加劇，內卷嚴重。而輪轂作為汽車上重要的外觀件和安全件，在產業鏈動蕩中看似穩如泰山的地位，加大了投資人對輪轂行業的投資熱情，導致現在產能嚴重過剩。作為安全件，我們要保證輪轂的結構強度，作為外觀件，我們也要保證輪轂的造型美觀。同時20年國家放開了汽車輪轂的改裝政策，允許進行同規格輪轂的個性化改裝，激活了國內輪轂的汽車后市場。這使得輪轂的造型更加的多樣化，增加了鑄造難度。而輪轂的結構強度和涂裝質量，都深受鑄造質量的影響，而模具設計的好壞，更是直接影響鑄造的成型質量和效率。

1低壓鑄造原理簡介

汽車輪轂主要分為鋼制輪轂和鋁制輪轂。相較于鋼制輪轂，鋁輪轂所具有的輕量化、美觀、良好的減震性和散熱性等優點，再加上國內汽車市場內卷加劇，使得鋁輪轂逐漸成為主流。目前就乘用車市場而言，僅小部分車型的低配款采用鋼制輪轂，其余多數采用鋁合金鑄造或鍛造輪轂。而鋁合金輪轂制造工藝中，最主流的生產工藝便是低壓鑄造工藝。其將經過干燥的壓縮空氣以一定的壓力作用在密封的保溫爐中A356.2鋁液液面上，使鋁液以一定的流速和流量沿升液管自下而上通過澆注系統充滿型腔。型腔中鋁液與模具進行熱交換，在一定壓力下由上而下地順序結晶凝固到升液管處卸壓，澆口杯中的少量鋁液和升液管中的鋁液靠重力作用回流到保溫爐中。其基本原理如圖1所示。低壓鑄造輪轂，由于鋁液是在壓力下凝固，故逐漸組織細密，機械性能好，且具有較高的延伸性。

2低壓鑄造模具結構

根據低壓鑄造原理進行設計的輪轂模具結構如圖2所示。鋁液在20～60KPa的壓力作用下，通過下模中心的升液管和澆口杯進入到模具型腔進行充型，澆口同時起到帽口作用。模具上下模在輪轂輻條背腔線處進行分型和上下模定位。外側輪輞則分為四塊等分的邊模，合模時四塊邊模緊抱住上下模，最終形成封閉的型腔。其中下模的澆口杯和升液管與下模分離，一是易損件為了方便更換，二則是防止升液管中鋁液溫度散失過快，二者均采用陶瓷材料。上模中分流錐頂底部分離，分流錐底部采用普通H13鋼，頭部采用鎢鋼，以提升分流錐的耐腐蝕性，增加使用壽命。

3輪轂模具冷卻系統

汽車輪轂的低壓模具結構，經過幾十年的發展，已經基本定型了。其澆注系統、排氣系統和頂出系統都形成了比較固定的形式。只有冷卻形式一直在變，由最初的全風冷，到局部水冷甚至全水冷或者水霧混合，各個成型廠都在摸索著適合自己工廠的冷卻工藝。通過長期的經驗積累，我們發現，對輪轂模具冷卻方式影響最大的便是輻條的結構。而其結構又直接影響著輪轂的正面造型。正是由于各式各樣的輪轂造型，導致了輪轂模具的冷卻方式也是五花八門。本文通過對某特殊造型的輪轂模具冷卻系統優化過程的描述，來淺談一下冷卻系統對成型質量和效率的影響。

4冷卻系統優化

該輪轂配套某型號汽車高配車型，尺寸規格為18x7.5J，即高18英寸，寬7.5英寸，采用5°深槽輪輞，外觀為黑色全涂裝后正面精車，具體造型如圖3所示。其正面造型由一大兩小共15根輻條構成，如果將一大兩小輻條看做同一輻條部分，則為傳統的五孔五輻條造型。而傳統五輻條造型，五根輻條寬大均勻，是非常好的鋁液通道和輪輞補縮通道，冷卻系統非常簡單，采用全風冷結構，如圖4所示。底模螺栓孔處采用整圈風管B1，然后到輻條與輪輞的R角處，依次分布B2-B5四圈風管。然后上模從輪盤中心處治輻條R角處，依次分布T1-T6六根風管，與底模對應。在邊模上，輻條R角處熱節的冷卻效果直接影響輪轂的鑄造質量，所以也需要在此處設置冷卻風管。在鑄造X光檢查站，出現最多的缺陷便是輻條此處R角不良，主要是冷卻不到位導致縮松。同樣但對于變種的該輪轂而言，其一大兩小輻條的冷卻方式便是該模具設計的難點。首先我們來看三根輻條的截面形狀，如圖5所示。從圖中我們可以明顯看出，大輻條的截面積明顯大于兩個小幅條。如果在同一位置采用整圈風冷，則會出現小幅條率先凝固，則達不到從內輪緣由上往下并由外往內的順序凝固要求，而且還會堵塞輪輞的補縮通道，造成輪輞澆不足和輻條疏松。針對這個輻條結構的具體情況，我們在冷卻系統方面做出了以下優化。在輻條冷卻的環形風管上，保留小幅條上的風管，但提前進行堵塞，使其上機之處小幅條冷卻風管不出風，專冷大輻條，如圖6所示。后續根據上機的具體情況，決定小幅條出風量的大小。同時對小幅條的窗口面進行隨型挖槽，壁厚比模具壁厚小2mm，并增加保溫棉，用以保證小幅條處有足夠的模溫，延長其凝固時間。如圖7所示。圖6圖7最后是將邊模的冷卻形式由風冷改為水冷。相較于風冷，水冷屬于急速冷卻，其冷卻速度快，噪聲小，冷卻效果也好，并能有效降低冷卻時間，提升生產效率。但對于該輪轂特殊的輻條造型，我們在風冷改水冷上也比較糾結。因為是一大兩小的特殊結構，在大輻條上用水冷是沒有問題的。但在小幅條上加水冷，很可能會使本就脆弱的冷卻通道提前凝固，使鋁液無法順序凝固。但在鑄造工藝上，考慮到底模小幅條處鋁液的流動性，我們在原則上默認底模B5風冷不開，B4視具體情況決定。這樣就能保證底模模溫，防止小幅條過早凝固。這就要求邊模的冷卻效果要更好，以彌補底模B5風管關閉的不足，這種情況下采用邊模水冷是比較好的方式。針對邊模水冷，我們采用邊模整圈水冷，增加一個環形的水冷鑲件，然后在小幅條和輻條間窗口面增加隔熱槽，以保證冷卻效果重點作用在大輻條上。同時環形水冷能保證邊模整圈有一個比較均勻且略低的溫度。如圖8所示。模具回廠后，開始首次上機試模。經過不斷調整工藝，達到了首件合格的工藝要求，即輪轂各部位X光檢測符合產品標準，產品標準圖9。但很遺憾沒有到達首件全部位零缺陷的理想狀態，在輻條與輪輞交接的R處，仍然存在一些三級一下的縮松和渣孔，如圖10。其初版工藝參數如下，充型時間38s，保壓時間150s，卸壓40s，總工時238s，采用三段充型，充型壓力最大850mbar。此次模具上機之初，我們將上下邊模的風冷管道全部開啟，結果導致小幅條凝固過早，補縮不及時，出現了澆不足和較大縮松。為了避免小幅條過早凝固，在后期我們關閉了T5和B5風管，使輻條與輪輞連接的R角處全靠邊模風管冷卻，并調低了下模B4風管的出風量，才最終達到首件合格。之后我們連續生產了60件，以驗證該工藝參數的穩定性。經過自動X光機全檢，該批次輪鑄造缺陷全部等級全部符合產品標準。之后產品經過機加工和半成品涂裝，然后對涂裝半品精車正面，再噴透明粉完成產品下線。在終檢成品下線時，我們發現精車后的小幅條正面存在批量的密集針孔，影響了整個正面造型。分析其原因，是在關閉上下模T5和B5風管之后，下模小幅條位置過熱，雖然增加了鋁液的流動性并減緩了凝固過程，但也導致了小幅條密集的小針孔。還未精車前僅憑X光很難發現。針對小幅條正面精車后密集針孔的問題，我們在模具和工藝上做了以下調整。取消B4和B5兩個風管的整圈全輻條冷卻形式，改為做四根整圈風管，分別對大輻條和小幅條進行冷卻，即改為B4，B5，B6，B7。這樣在調機時，針對大輻條冷卻的B4和B6，可以按正常風流量走，而小幅條的B5和B7風，則可以根據實際情況調節出風量，使小幅條不至于過熱也不至于過早凝固。具體如圖11所示。上機試制之后，我們發現小幅條的鑄造缺陷有明顯改善，基本達到了零缺陷，在輻條R角處的縮松基本消失了。在精車之后，小幅條處的密集針孔問題也得到了解決。

5總結

對于這種同時具有大小輻條且小幅條還要精車正面的異形輪轂結構，其鑄造難點就在于對小幅條的冷卻的控制。過冷會造成補縮通道堵塞，過熱會使精車后出現密集針孔。針對這種情況，我們采用大小幅條分開冷卻的形式，在保證大輻條冷卻效果的基礎下，動態調節小幅條的冷卻時間和出風量，重點關注小幅條的鑄造質量。但這也會造成一些問題，一是下模增加了兩圈風管，且與原有風管的位置很接近，這對鉗工裝配時增加了難度。再就是小幅條出風量的動態調整，再自動X光全檢的情況下，需要增加手動X光的抽檢頻率。另外對于這次模具優化過程中的一些不足也做一下總結。一是本次優化過程主要依據的是資深鑄造工程師的自身經驗，沒有很好的結合模流軟件進行CAE分析，進行設計—分析—再設計的過程。這也是CAE分析―本廠化‖過程做得還不夠好，我們需要結合成型廠自身的實際情況和技術經驗，通過與計算機輔助技術的不斷磨合，形成具有本廠特色的經驗值，這樣才能使CAE結果更準確，在鑄造工藝參數的確定中發揮更多的作用。再就是我們的生產工時并沒有得到提升。這次優化雖然使鑄件質量得到了提升，但在生產效率方面卻沒有明顯的改善。我們也計劃在該產品以后新開的模具中，對上下模增加水冷卻結構，以提升生產效率，這需要在后續進行持續改善。

參考文獻

[1]邱孟書，王小平.《低壓鑄造實用技術》機械工業出版社.2011

[2]潘曉濤，賀伯平，陽林，鄧超權.《汽車鋁合金輪轂低壓鑄造模具設計》

[3]趙麗紅.《低壓鑄造鋁合金輪轂鑄型壁厚與鑄件壁厚的關系》

作者:蔣勤 單位:重慶戴卡捷力輪轂制造有限公司