基于專利分析的汽車輪轂低壓鑄造模具冷卻新裝置對比研究

沈天成 張章 姚佳 馮運坤

1.常州機電職業技術學院，中國·江蘇 常州 213164

2.江蘇海洋大學，中國·江蘇 連云港 222005

1 引言

低壓金屬型鑄造是將液態金屬在壓力作用下充填型腔、凝固從而獲得鑄件，此過程中鑄件可以得到充分補縮，獲得組織致密、力學性能高的鑄件。并且金屬液利用率較高，澆注系統相對簡單，適用各種鑄型材料，是一種被自動化生產所接受的鑄造工藝。但其缺點也較明顯，鑄造周期長、生產效率低。而鑄件的冷卻占據了模具大部分生產周期，因此不斷優化該工藝下的冷卻系統，縮短冷卻節拍，提高冷卻均勻性很有必要。

2 風冷、水冷應用于輪轂生產

風冷系統作為一種點冷方式，一般有著風管的緊密排布，通過吹風使輪轂表面溫度快速下降。而在輪轂周圍環境中，輪轂主要是從內到外溫度從高到低。因此，鋁合金熔液會朝著冷卻風口對應點收縮。這樣會使冷卻點位置發生偏移，從而發生表面冷縮情況，進而造成鑄件表面冷熱不均勻，產生應力裂紋。

水冷系統作為一種面冷方式，有著優于風冷的冷卻效果，但冷卻銅管的使用仍會帶來許多不足，并且模具型腔內部復雜的結構會導致鑄件局部受熱冷卻不均，產生局部缺陷等。而在水冷技術上，隨形冷卻水路的設計有著重要研究意義。

3 輪轂模具冷卻裝置研究概況與不足

目前大多數模具冷卻裝置都是采用不同直徑的銅管或者鋼管彎曲的方法加工成形，然后裝配在模具上加工出來的冷卻槽中，通過銅管或者鋼管中的低溫冷卻介質，主要以熱傳導的方式將模具和鑄件中的熱量以熱交換的方式帶走，從而實現對模具和鑄件局部冷卻的目的。

如果鑄件曲面結構復雜，局部位置壁厚差別過大，如鋁合金輪轂的輪輻、輪輻與外輪緣相交（熱節）處，這就造成了模具上機械加工出來的冷卻槽距離模具內腔表面的距離存在不同程度的差異，難以獲得均勻的溫度場分布，無法做到隨形冷卻，從而使得鑄件產生壁厚不均、翹曲變形等缺陷；另外，由于鑄件局部壁厚不均勻，經常會在壁厚變化過度區域產生鑄造缺陷，甚至因冷卻不均導致內應力過大而出現裂紋，如輪輻根部、輪輻與外輪緣交界處等。

其次在生產中，鑄造模具需要經常下機維護保養，這種冷卻管需要反復拆卸和安裝，不僅影響生產效率，而且存在漏裝或者錯裝的風險，造成不必要的損失。最后此類水冷盤或者風冷盤的銅管與外部冷卻介質還需要對接，一般是采用焊接的方法，使用壽命短，而且經常漏水漏氣，不僅影響產品質量和生產效率，而且給生產線的6S 管理帶來諸多麻煩。

如申請號為CN201210089113.4 的中國發明專利“汽車輪轂低壓鑄造真空水冷模具系統”，其公開的車輪頂模冷卻裝置包括不銹鋼風管、銅管、冷卻銅塞，冷卻銅塞上鉆有圓形孔，銅管裝配在冷卻銅塞的圓形孔內，不銹鋼風管裝配在銅管內部，冷卻銅塞、銅管、不銹鋼風管相互連接在一起組成的頂模冷卻裝置[1]。其冷卻配置較多（約為3～21 個），耗時較長。冷卻方法大致為：通過低壓鑄造機的冷卻系統控制冷卻風的溫度與朝向（吹向冷卻銅塞），由此將銅塞吸收的熱量（來自輪輻及輪網）釋放到模具體外。這樣的風冷系統難以達到隨行冷卻目的，在凝固過程中經常會在壁厚變化過度區域產生鑄造缺陷，降低鑄件局部力學性能。

如申請號為CN201911390671.2 的中國發明專利“一種模具水冷裝置及系統”，其公開的模具水冷裝置特征在于水冷通道有兩組，其進水口位于冷盤上部，出水口位于下部。分別位于所述水冷盤的兩個半圓環內，并繞著環形水冷盤的中心軸線呈180°對稱旋轉，通過在頂模中心位置、底模中心位置或底模外輪緣位置設置環形水冷盤或者風冷盤[2]。其明顯的不足在于，水冷裝置耗汽量較多，節電不節能，熱效率低;運行條件（密封真空環境）較嚴格，外氣易滲入，降低冷卻效率。同時，設備建造需專用冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等設備，初期投資較大;需使用循環水，對水資源消耗多且對冷卻水水質要求較高。最后，溴化鋰溶液對碳鋼具有強烈的腐蝕性，影響機組壽命和性能。

如申請號為CN201721626559.0 的中國發明專利“低壓鑄造鋁合金車輪用冷卻裝置”，通過設置水冷盤，在底模與水冷盤之間設置若干用于傳遞熱量的導熱片,導熱片位于輪輻部與輪網部的連通處，以解決現有導熱片覆蓋面積大但不能對底模熱節點進行精準散熱的問題[3]。雖然有效避免了整圈導熱片中部分導熱片懸空不能進行有效散熱的問題，但不足的是，需要在底模上設置若干用于固定所述導熱片的凹槽，并且每個輪輻部位對應至少一個所述凹槽，凹槽設置數量大，操作麻煩。脫離整體結構的設計，分散設置導熱片加大了工作量，并且導熱片精度要求高，后續的拆卸與保養維護容易對導熱片造成不良影響。

4 SLS 工藝應用于模具生產

選擇性激光燒結（SLS）作為一項快速成型技術，理論上說，任何加熱后能夠形成原子間聯接的粉末材料都可以作為SLS 的成形材料，并且未燒結的粉末可收集二次利用。由于成形材料多樣，因此SLS 適合于多項領域，如原型設計驗證、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。

SLS 工藝不僅成形過程與零件復雜程度無關，無需設計和制造復雜的支撐系統，實現了自由制造，其整個工藝過程以數字化形式呈現，包括CAD 模型的建立和數據處理階段、鋪粉階段、燒結階段以及后處理等過程[4]，生產周期短，適用于新產品的開發。對比傳統模具冷卻水路，金屬3D 打印技術以其高成型自由度的特性很好地解決了模具制造的成形限制。面對鑄造模具內部結構具有的深肋位置，通過該工藝制造的模具隨形冷卻水路可以突破傳統水道布局的限制，提高鑄件冷卻均勻性，實現鑄件的快速順序凝固，有效縮短冷卻周期，進一步減小了鑄件翹曲變形量、提高模具零件性能和延長模具使用壽命[5]。

5 SLS 工藝應用于輪轂模具冷卻新裝置

為解決上文提到的鋁合金汽車輪轂模具鑄造專利方案中存在的諸多不足，現結合SLS 工藝通過制造模具隨形冷卻水路提供一種新的模具水冷方案，具體是通過SLS 工藝在在模仁基座上打印出帶冷卻通道和接口的模仁鑲件，模仁鑲件內部設置隨形冷卻水路，并確定模仁鑲件和模具相接觸處為冷卻面，使得模仁鑲件內部的冷卻通道中心與冷卻面保持等距離，從而實現模具的隨形冷卻[6]。

由于模具冷卻面與模仁鑲件直接接觸，減少了熱量傳輸的界面，有利于模具和鑄件中熱量的傳遞。因此增加了模具和鑄件的溫度梯度，一方面有利于減少鑄造缺陷的產生，降低局部冷卻不均導致鑄件縮松或鑄件應力裂紋的可能性，從而有效提升鑄件成品率。另一方面有利于縮短生產節拍，提高生產效率。

而經SLS 工藝在模仁基座上打印出的帶冷卻通道和接口的模仁鑲件與模仁基座共同組成一套模具冷卻裝置，使其成為一個完整的、結構穩定的整體，可以有效避免冷卻介質的滲漏，下機維護保養時無需拆卸，增加了模仁鑲件的使用壽命[7]。這一設計省去了銅管傳輸冷卻介質，相對于傳統的冷卻裝置，減少了模具壁厚，節省了模具用料，此外不需要加工安放銅管的槽，因此節省了模具生產成本。

6 結語

通過金屬3D 打印技術設計的模具隨形冷卻水路對于鑄件在模具中的生產在行業內有著被人們廣泛接受的積極意義，同時作為教具在教育行業的應用也日益增多。而應用在模具鑄造上的金屬3D打印技術仍需進一步提高自動化程度，豐富打印材料體系，降低使用成本，以提質增效為目標不斷進發。