鋁合金車輪低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)的問題及優(yōu)化策略研究

摘要：隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金車輪因其重量輕、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。低壓鑄造作為生產(chǎn)鋁合金車輪的主要工藝之一，其模具的設(shè)計(jì)與性能直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。為解決低壓鑄造過程中模具預(yù)熱不均、材料疲勞以及鑄件與模具分離困難等問題，從模具結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，針對性提出了優(yōu)化策略，該策略可延長了模具的使用壽命，提升鑄造效率。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪；低壓鑄造；模具結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-07-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.023

1 前言

低壓鑄造是常見的鋁合金車輪生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)品質(zhì)量較高，廣泛應(yīng)用于汽車輪轂的制造。模具的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是確保鑄造產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。隨著汽車工業(yè)對車輪性能要求的提升，如何通過模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足高強(qiáng)度、輕量化的需求成為研究的焦點(diǎn)。因此，優(yōu)化鋁合金車輪的低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)，不僅關(guān)系到生產(chǎn)成本和效率，更直接影響到產(chǎn)品的市場競爭力和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文旨在通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，探索新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)路徑，以提升鑄造效率和質(zhì)量。

2 鋁合金車輪低壓鑄造模具的作用

鋁合金車輪低壓鑄造模具專為低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)，在制造過程中可確保鋁合金車輪的精確成形和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，低壓鑄造模具通常在嚴(yán)格控制的環(huán)境中制作，使得熔融鋁合金能夠在較低的壓力下被注入模具內(nèi)部。這一過程中，由于采用了低壓技術(shù)，熔融金屬在填充模具時速度較慢，從而減少了氣泡和雜質(zhì)，顯著提高了成品的內(nèi)部質(zhì)量和機(jī)械性能。而且由于其更為精密的設(shè)計(jì)和制造工藝，這些模具可以生產(chǎn)出復(fù)雜形狀和細(xì)節(jié)清晰的車輪產(chǎn)品，滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)對外觀和性能的雙重要求。

例如，在汽車行業(yè)對輕量化和強(qiáng)度有更高追求的背景下，使用低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)出來的車輪不僅重量更輕，而且承載能力強(qiáng)、耐用性好。從生產(chǎn)的角度分析，因這種類型的模具通常采用耐高溫、耐腐蝕性強(qiáng)的材料制作而成，并且可以承受連續(xù)生產(chǎn)過程中所遭遇到的各種應(yīng)力，所以使用低壓鑄造模具不僅可以提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，還有使用壽命長及維護(hù)方便等特點(diǎn)，可以減少頻繁更換或修理模具帶來的額外開銷。

3 鋁合金車輪低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)存在的問題

3.1 模具預(yù)熱不均勻

低壓鑄造過程中，模具預(yù)熱是關(guān)鍵步驟，其質(zhì)量直接影響到鑄件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。模具預(yù)熱的主要影響因素為模具的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及加熱方式，模具中熱分布不均會導(dǎo)致鋁合金在注入模具時部分區(qū)域過熱而另一部分區(qū)域過冷，這種溫差會使鑄件在凝固過程中出現(xiàn)熱應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生變形或內(nèi)部裂紋。

具體而言，由于模具尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其各個區(qū)域受熱速度和保溫效果存在顯著差異。例如，在模具的厚壁區(qū)域與薄壁區(qū)域之間，熱量傳遞和積累的速率不同。厚壁區(qū)域因?yàn)橘|(zhì)量較大，需要更長時間來達(dá)到設(shè)定溫度；而薄壁區(qū)域則相對較快達(dá)到所需溫度。

這種溫度上的不均勻性會在鋁合金注入模具時產(chǎn)生不良后果。如果核心區(qū)域未能充分預(yù)熱至適宜溫度，則可能導(dǎo)致填充不完全或形成微缺陷，如氣孔和夾雜物等。同時，模具預(yù)熱不均勻還會導(dǎo)致冷卻過程中產(chǎn)品的熱應(yīng)力問題加劇。

在鑄造完成后，車輪需要在模具中進(jìn)行冷卻以形成最終結(jié)構(gòu)。如果模具在預(yù)熱階段就存在溫度分布不均，則冷卻速率也會隨之不一致。這種情況下，某些部位可能因冷卻過快而收縮異常，而其他部位則可能由于冷卻過慢而導(dǎo)致應(yīng)力集中。這些內(nèi)部應(yīng)力最終可能引起成品變形或產(chǎn)生裂紋，增加機(jī)械應(yīng)力，從而降低模具的使用壽命和可靠性。

在生產(chǎn)中，這種問題的解決需長時間調(diào)整模具溫度，或者頻繁更換受損模具，導(dǎo)致降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本[1]。

3.2 模具材料疲勞

低壓鑄造模具在反復(fù)的加熱和冷卻過程中極易發(fā)生材料疲勞，逐漸失去原有的機(jī)械性能，表現(xiàn)為硬度下降、強(qiáng)度減弱以及韌性降低。從生產(chǎn)角度分析，模具在鑄造過程中需承受快速升溫和冷卻的循環(huán)條件。每次鑄造時，鋁合金液體注入模具內(nèi)部，在高溫作用下，模具表面迅速升溫；而在鑄件冷卻和固化階段，模具則需要迅速散熱。

這種劇烈的溫度變化使得模具材料經(jīng)歷大量的熱膨脹與冷卻收縮過程，從而引起內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生。隨著生產(chǎn)模次的增加，這些應(yīng)力會累積并導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)上的損傷。而且在鋁合金注入和固化過程中，由于金屬液體對模腔壁施加壓力以及后續(xù)冷縮現(xiàn)象，在模具各部分之間形成了不均等的機(jī)械應(yīng)力。尤其是在復(fù)雜設(shè)計(jì)特征如凹陷、凸起或薄壁區(qū)域周邊容易形成應(yīng)力集中區(qū)域。

隨著時間推移，在高溫、冷/熱循環(huán)及不均勻機(jī)械負(fù)載作用下，即便是高強(qiáng)度、耐高溫的特殊鋼也會逐步展現(xiàn)出疲勞跡象。開始形成微小裂紋，并在連續(xù)作業(yè)中逐步擴(kuò)展。這些裂紋最初可能不易被察覺，但它們將逐漸擴(kuò)大至影響整個結(jié)構(gòu)完整性的程度。

模具材料疲勞現(xiàn)象會使得模具的細(xì)微結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)裂紋、變形甚至斷裂，不僅影響模具的使用壽命，還會影響到鑄造車輪的精度和質(zhì)量。因此，模具設(shè)計(jì)和材料的選擇需要考慮到這種高溫下的疲勞特性，以確保模具能在高負(fù)荷下保持良好的性能[2]。

3.3 鑄件與模具分離困難

鑄件與模具分離是低壓鑄造中的重要環(huán)節(jié)，分離的順利與否直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和鑄件的表面質(zhì)量。分離困難主要是由于模具表面的設(shè)計(jì)不當(dāng)或表面處理不當(dāng)引起的。如果模具的表面涂層選擇不當(dāng)或者涂層老化，極易導(dǎo)致鑄件在冷卻后與模具表面粘連，難以分離。而且如果模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，例如模具的倒角尺寸不合理，或者分型面設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會使鑄件難以從模具中順利脫出。

鑄件與模具的粘連不僅增加了生產(chǎn)中的物理損傷風(fēng)險(xiǎn)（如鑄件表面被拉傷或者變形），還可能導(dǎo)致模具損壞，從而增加模具維修或更換的頻率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的提高。同時，鋁合金的材料特性也會影響鑄件與模具的分離。鋁合金在高溫時具有較強(qiáng)的流動性，這使得液態(tài)金屬容易滲入模具表面的微小縫隙中。

在冷卻和固化過程中，鋁合金體積收縮，導(dǎo)致鑄件表面與模具之間的機(jī)械鎖合效應(yīng)增強(qiáng)。此過程中鋁合金與模具材料之間的化學(xué)反應(yīng)也可能在界面處形成化學(xué)結(jié)合，進(jìn)一步增加了分離的難度。例如，鋁與某些模具材料可能發(fā)生界面反應(yīng)，形成薄層的金屬化合物，這種化合物不僅會提高粘附力，還會導(dǎo)致鑄件表面出現(xiàn)瑕疵。

此外，如果鑄造溫度過高或保溫時間過長，鋁合金產(chǎn)品與模具之間的接觸時間增加，導(dǎo)致更強(qiáng)的粘附現(xiàn)象。模具的冷卻速度不均勻也可能導(dǎo)致鑄件各部分收縮不一致，增加鑄件在脫模時卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

整體而言，鑄件與模具分離困難的問題是多因素共同作用的結(jié)果。這種現(xiàn)象不僅會影響生產(chǎn)效率，還可能導(dǎo)致鑄件表面質(zhì)量問題，如劃痕、變形或粘模等缺陷，增加后續(xù)加工的難度。

4 鋁合金車輪低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略

4.1 利用熱力學(xué)模擬，優(yōu)化模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為確保鑄造過程的均勻性和高效性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命，可采用熱力學(xué)模擬金屬流動、溫度分布以及固化過程中的熱應(yīng)力，解決模具中的熱積聚、不均勻冷卻和應(yīng)力集中等問題。

設(shè)計(jì)階段，技術(shù)人員可在CAD軟件中輸入鋁合金的物理性質(zhì)（如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)）和模具材料的熱力學(xué)特性，構(gòu)建模具的三維模型。例如，H13工具鋼的熱導(dǎo)率約為24.3 W/（m·K），在450 °C時的比熱為460 J/（kg·K）。具體而言，可使用如ANSYS、MAGMA等專業(yè)鑄造模擬軟件進(jìn)行熱力學(xué)模擬，可初步將鑄造溫度設(shè)定為680 °C，模具預(yù)熱溫度設(shè)定為200 ℃，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每分鐘降溫5 ℃，并關(guān)注模具中溫度過高或過低的區(qū)域，避免模具中鋁合金過早凝固或模具過熱，對于遠(yuǎn)高于平均溫度的區(qū)域增加冷卻通道或調(diào)整材料。

然后，基于模擬結(jié)果對模具設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。例如，如果通過模擬明確模具的某區(qū)域存在熱積聚，需在該區(qū)域增加直徑為8 mm，距離熱點(diǎn)區(qū)域25 mm的冷卻通道，以增強(qiáng)該區(qū)域的冷卻效果。

最后，調(diào)整參數(shù)后需再次運(yùn)行仿真程序直至找到最優(yōu)解。例如，如果發(fā)現(xiàn)某一設(shè)計(jì)下輪輻根部區(qū)域存在過早固化而導(dǎo)致材料流動不足，則可考慮優(yōu)化該區(qū)域冷卻通道數(shù)量或調(diào)整其布局以延長局部固化時間；反之若發(fā)現(xiàn)某區(qū)域能夠承受更快速冷卻則相應(yīng)減少該處冷卻資源投入。經(jīng)過迭代改進(jìn)后，需達(dá)到以下目標(biāo)：確保整個鑄件表面與內(nèi)部在完成鑄造后能夠盡可能同時達(dá)到室溫，使得所有區(qū)域都有足夠時間進(jìn)行適當(dāng)收縮而不引起內(nèi)部應(yīng)力集中或形成裂紋。

此外還需保證各部位冷卻速率符合特定要求：例如輪轂連接部位需保持較慢的冷卻速率約5 °C/min以避免突然收縮引起斷裂；而較厚壁區(qū)域能承受更快速度10～15 °C/min以提高生產(chǎn)效率。

4.2 選用高性能模具材料，提高模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

鋁合金車輪低壓鑄造過程中，模具材料的性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響鑄件的質(zhì)量、模具壽命和生產(chǎn)效率。選用高性能模具材料，提高模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是確保模具在多次熱循環(huán)和機(jī)械載荷下保持穩(wěn)定性、延長使用壽命、減少停工時間、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于不同種類材料的強(qiáng)度存在較大差異，所以應(yīng)首先明確模具在實(shí)際生產(chǎn)中的鑄造溫度、金屬液的熱負(fù)荷、凝固過程中的應(yīng)力分布和冷熱交替造成的熱疲勞。根據(jù)具體環(huán)境條件，選擇具有高溫強(qiáng)度、良好導(dǎo)熱性、耐熱疲勞和耐磨損性能的模具材料。

對于多數(shù)車輪生產(chǎn)而言，可優(yōu)先考慮H13鋼或類似的鉻鉬合金鋼，這類鋼材在硬化和回火后具有良好的高溫強(qiáng)度和耐熱疲勞性能，能夠抵御在鑄造過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機(jī)械載荷。具體操作中，模具材料應(yīng)根據(jù)鑄件的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量決定。對于設(shè)計(jì)簡單、批量大的產(chǎn)品，可以考慮使用標(biāo)準(zhǔn)的H13工具鋼；而對于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的高端鋁合金車輪，可能需要使用鎢合金鋼或進(jìn)行表面涂層處理以進(jìn)一步提升模具的性能。

例如，通過在H13工具鋼上施加鈦酸鋁涂層（AlTiN），可以有效提升模具表面硬度至70 HRC以上，減少摩擦因數(shù)，從而減少磨損并延長模具使用壽命。為確保模具材料性能，在淬火過程中，可以采用850～950 °C的溫度區(qū)間進(jìn)行加熱，再快速冷卻到200 °C以下。隨后，通過在500～600 °C的回火工藝中保持2～3 h，使材料達(dá)到所需的硬度（通常在45～52 HRC之間）并提升韌性，以減少模具在使用過程中的開裂和變形風(fēng)險(xiǎn)。

同時，再根據(jù)模具的使用條件和性能要求，選擇合適的材料和表面處理方法。例如，在生產(chǎn)高負(fù)荷或高精度的鋁合金車輪時，需將模具的關(guān)鍵部位（如形狀復(fù)雜的冷卻通道區(qū)域）使用更高性能的鎢合金鋼制造，同時對接觸鋁液的表面進(jìn)行鎳基合金涂層處理，以提高耐腐蝕性和抗粘附性，保證鑄件的形狀精確和表面光潔度。

4.3 改進(jìn)模具涂層和表面處理技術(shù)，降低鑄件分離難度

針對鋁合金車輪低壓鑄造模具，可采用二氧化硅（SiO2）和氮化硼（BN）等涂層，提供良好的耐高溫性能，減少鑄件與模具之間的摩擦，降低黏附現(xiàn)象。以氮化硼涂層為例，該涂層因其優(yōu)異的潤滑性和抗黏附特性廣泛應(yīng)用于鋁合金車輪模具。該涂層可通過物理氣相沉積（PVD）技術(shù)在模具表面形成均勻、致密的保護(hù)層。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，將模具在500 °C的溫度下預(yù)熱，去除殘留濕氣，并使用PVD設(shè)備在真空環(huán)境中將氮化硼顆粒沉積到預(yù)熱的模具表面，厚度通常控制在2～5 μm之間，以增強(qiáng)模具的耐磨性和耐腐蝕性，提高抗熱沖擊能力。

在涂層固化過程中，重點(diǎn)控制加熱和冷卻的速率，以避免涂層開裂或剝離。涂層固化應(yīng)在漸進(jìn)升溫至200 °C的環(huán)境中進(jìn)行，持續(xù)保持1～2 h，以確保涂層與模具表面的良好結(jié)合，并嚴(yán)格控制冷卻過程的溫度下降速度，以防涂層受熱脹冷縮的影響而損壞。

此外，針對模具表面，也可選擇鎳基合金涂層，厚度設(shè)置在2～5 μm之間，利用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)或PVD技術(shù)施加。優(yōu)化鎳基合金涂層的化學(xué)成分后，可將表面粗糙度降至0.02 μm，這便降低了鋁液在模具表面的滯留和粘附。

5 結(jié)語

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分析了鋁合金車輪低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)存在的問題，針對模具預(yù)熱、材料疲勞、模具分離困難的問題，分別提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。實(shí)踐中，技術(shù)人員可利用熱力學(xué)模擬，優(yōu)化模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解決預(yù)熱不均的問題，并選用高性能模具材料，提高模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最后改進(jìn)模具涂層和表面處理技術(shù)，降低鑄件分離難度，以提高鋁合金車輪的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。未來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)人員應(yīng)繼續(xù)探索新技術(shù)、新材料以及新工藝，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，以進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金車輪的低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

楊雄，男，1982年生，助理工程師，研究方向?yàn)殇X合金車輪低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略（模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具材料性能提升等）。