低壓鑄造鋁合金輪轂模具設計優化

李玉升

(濱州盟威戴卡輪轂有限公司，山東濱州 256602)

0 引言

鑄造和模鍛是鋁合金輪轂制造中常用的兩種方法，其中低壓鑄造生產的輪轂又占多數。低壓鑄造與傳統的鑄造工藝如壓力鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造等工藝相比，低壓鑄造更容易實現自動化并且材料的利用率更高。鋁合金輪轂的低壓鑄造技術正因為它的操作簡便、自動化程度高、所生產的零件質量較高的特點，而受到了廣泛的開發與應用。它對鑄型的要求低，同時可以滿足在多種鑄型中使用，在氣體壓力下調節金屬液體的充型過程使得充型過程中能夠相對穩定，產生的缺陷也較少[1]。

隨著世界對環保節能重視程度的不斷提升，以及制造企業進入微利時代，促使輪轂行業探尋節能減耗的發展之路。其中提高生產過程中的金屬利用率成為重要的一種方法。金屬利用率就是加工后的輪轂質量與初期毛坯質量的比值，成品輪轂質量是一定的，只能通過降低初期毛坯的質量來提高此數值。初始原材料用量少了，代表著生產過程中的能源、加工成本、人工成本等都會降低，效益就會提升。現在大部分的輪轂廠平均的金屬利用率在63%～65%左右，有25%左右的切削加工余量。

1 模具基本設計

合理的模具設計是取得高效率和高效益最重要的一環。低壓模具在設計時，模具的梯度、模具鋼的厚度、冷卻系統的設計等都是關鍵，合理配置后，才能達到事半功倍的效果[2]。

(1)模具的梯度

模具的梯度是指模具輪輞型腔部分自上而下由薄增厚的趨勢，這種趨勢要符合順序凝固的基本要求。輪轂凝固時由遠離澆口的內輪緣部分開始，逐漸地向輪輞、輪輻、中心部位凝固，順序凝固起到補縮的作用，減少縮松、縮孔等缺陷。在保證順序凝固的基礎上，輪輞的厚度要盡可能地減少，這樣可以減少毛坯的質量，提高金屬的利用率，減少原材料使用、能源消耗以及減少加工過程中鋁屑的產生，同時加工量的減少也相對地提高了刀具的壽命，一舉多得。

(2)模具鋼的厚度

模具鋼厚度是模具設計的關鍵之一。在沖型階段中模具鋼會吸熱，鋁液溫度降低散熱，由于鋼的熱傳導能力較強，鋁液與模具接觸的表面凝固較快，組織致密，性能較好，此時模具鋼厚點對冷卻有好處。當鋁液溫度與模具鋼溫度達到一致后，進入使用冷卻介質對流輻射散熱階段，此時模具鋼越厚散熱越慢，生產效率降低，產品性能會有一定地弱化，此時模具鋼薄些對產品有好處。從以上看出，在產品沖型和冷卻的階段中，模具鋼厚度的要求處于2個不同的方向，因此設計出合理的模具鋼厚度，才既滿足產品性能要求又滿足節拍生產的需求。

(3)模具的冷卻系統

模具的冷卻系統經歷了風冷、水霧逐漸向水冷發展。現在單純風冷已經不能滿足生產節拍的需要，為了提高節拍產量，水冷已經是主流的發展方向。但是實際生產過程中，模具鋼受到激烈的溫度變化，非常容易破裂，這已經成為水冷推廣的攔路虎。

2 產品選擇及方案規劃

經過對某公司模具設計資料的統計分析，輪輻部分的設計余量基本在1.5～2 mm，法蘭部位設計余量在2～3 mm，輪輞部位的設計余量在5～7 mm，輪輻和法蘭部分設計余量已經較少且該部位整體占比也較少，改進的余地不大。輪輞部位余量大占比也大，成為改進的重點部位。經過計算，輪輞部位每減少1 mm余量，平均毛坯質量減少約500 g。

提高產品金屬利用率，可以轉化為兩個基本前提：(1)減少輪輞部位的切削余量，如果能設計為0梯度最好，即毛坯上下加工余量一致；(2)保證輪輞部位的順序凝固。這兩個前提是一個整體，不能單獨拆分。輪輞余量減少代表的是順序凝固難度增加，特別是在輪輞自身沒有冷卻梯度的0梯度設計時，此時如何保證輪輞部位能夠順序凝固是設計的關鍵點，一般是通過在輪輞上端部位設計冷卻通道、改變模具鋼的厚度及梯度來保證。

經過對該公司現有產品金屬利用率、產品結構、生產過程穩定性等分析，從中選出一款產品作為優化對象。選擇產品的基本數據：產品規格40.64 cm×16.51 cm，產品質量9.6 kg，毛坯質量14.285 kg，金屬利用率67.2%，輪輞加工余量約6.1 mm。

經過模具工程師設計調整、鑄造工程師用ProCAST軟件模擬生產過程，在多次優化調整后，最終通過減薄鋼模具厚度、調整模具鋼梯度、設計邊模水冷滿足了產品的輪輞的順序凝固要求(見圖1—圖3)。

圖1 模具圖紙設計

圖2 沖型過程溫度場

圖3 凝固過程溫度梯度

此時的輪輞加工余量由原先的6.1 mm減少到4 mm，整個輪輞設計為0梯度。

3 生產驗證

新模具委托昆山某模具廠制作，進廠后按正常程序做進貨檢驗。在實際生產前做了整體的生產策劃，包括調整鑄造機械手夾持位置，由輪輞中部改到輪井部位以便減少輪輞夾持變形，整個生產過程中全部單獨運輸、收集各過程產生的廢品數據、異常品資料等。

初次生產63只毛坯，合格品48只，成品率為76.19%，主要廢品為輪輻縮松，如圖4所示。應用ProCAST軟件模擬多循環生產，輪輻根部會逐漸地產生缺陷，如圖5所示。通過優化冷卻參數及調整邊模保溫后再次生產，成品率達到了97.03%，滿足批量生產要求。優化后毛坯質量為13.315 kg，比優化前質量減少0.97 kg，金屬利用率提高到72.1%，該模具已批量生產，生產過程穩定。

4 結論

隨著全國鋁合金輪轂產能的不斷提高，客戶的選擇越來越多，要求也越來越嚴格，輪轂廠的效益逐漸降低，節能減耗成為降低成本的關鍵手段之一。在滿足產品質量及生產效率的前提下，通過降低毛坯質量的方式來減少生產成本是一種簡單可行、見效快的方案。