鋁合金輪轂低壓鑄造數值分析及模具設計

韓 超

（1.秦皇島中秦渤海輪轂有限公司，河北秦皇島 066010；2.河北省輕合金車輪工程技術研究中心，河北秦皇島 066010）

1 低壓鑄造鋁合金輪轂

鋁合金輪轂的制造工藝直接決定其產品的性能，輪轂的主要生產方法有鑄造和鍛造，鑄造方法包括金屬重力鑄造、低壓鑄造和壓力鑄造等。截止到當前，國內鋁合金輪轂的生產主要方法依然是低壓鑄造，該方式具有低成本、高質量的特點，約占總產量的80%；其次是簡單重力鑄造，約占總產量的10%。部分生產工藝提供了更好的產品，但由于成本和技術限制，尚未廣泛用于商業用途。

2 合金輪轂低壓鑄造數值分析

實現輪轂結構設計標準的基礎是穩定的制造過程。如圖1所示模擬和分析了鑄鐵中液態金屬的流動和固化的熱傳遞狀態，并提供了變速場、應力場等多項參數，為分析輪轂結構提供重要的理論基礎。該示例是以616 ℃的液相溫度和556 ℃的固相溫度為基礎的A356 鋁合金制成的，上模具、下模具和四個側模具的材料為H13 型鋼，輪轂低壓鑄造合金液體的鑄造溫度為720 ℃，鑄造模具預熱至350 ℃。經過五個循環，鑄模的溫度在每個鑄造循環結束時沒有顯著變化，這意味著鑄造過程是穩定的，整個循環需要大約300 s，壓實壓力約為0.95 MPa。

圖1 低壓鑄造循環過程

低壓成型結構復雜，需要對模具強制冷卻。在低壓鑄造廠中，強制冷卻介質通常是壓縮空氣和水，通過熱對流傳遞熱量。在整個冷卻過程中，模具的背面溫度可以達到300～400 ℃，型腔的表面溫度可以達到450～500 ℃，并且輻射高，在模具與模具之間建立了接觸關系。在鑄造過程開始時，合金液體過熱，并且界面接觸良好；冷卻后，出現固相并降低了接觸狀態，熱交換系數逐漸下降。當模制件的固相速率達到0.9 時，在模制件基本固化后，模制件和模具之間通入空氣，進一步降低熱交換系數。

使用ProCAST 軟件對輪轂的低壓造型過程進行數值模擬，如圖2 所示，包括鑄造部件的灌裝、冷卻和解調三個步驟。灌裝開始時，合金液體在灌裝半徑內流動不規則；灌裝速度超過50%，提高了鑄件的均勻性。合金液體填充良好，最終填充成型形狀。灌裝結果表明，在內邊緣容易發現灌裝不規則現象，導致殘留物等缺陷。

圖2 鑄件充型模擬

通常情況下，RSP（Rapid Solidification Process，快速凝固過程）的主要決定因素是冷卻速度，RSP 的數值越小，說明材料的成型性能越好。輪轂在凝固過程中較厚部位凝固速度比較慢，先凝固的輪輻阻止了中心澆口鋁合金液向輪轂較厚部位的補給，故該部位最易產生縮松、縮孔、裂紋等缺陷。通過分析二次晶體臂的間隔和總晶體半徑的間隔，可以獲得不同區域鑄造輪轂材料的不同性能，并且在芯和車輪半徑上的性能低于材料的性能。這也是裂縫和其他疲勞損傷往往首先出現在車輪的中心和輻射區的原因。

模擬分析及計算結果表明，鑄造工藝制造的鋁合金輪轂的材料性能在不同區域有所不同，從外輪緣到輪心，輪轂材料性能逐漸降低，輪心處材料性能最差，輪轂處材料性能最好。

3 低壓鑄造鋁合金輪轂模具的設計

輪轂作為汽車結構的重要組成部分，是連接道路和汽車的重要傳動工具。近年來隨著汽車工業的發展，包括汽車性能的提高，輪轂在汽車零部件中起著非常重要的作用，包括承載器的重量、變速器控制的方向、整車的制動等，以及汽車的整體質量和速度的提高，輪轂對整車安全的影響尤為重要。輪轂是汽車結構的重要組成部分，也是連接道路和汽車的重要傳動工具。隨著近年來汽車工業的發展，包括汽車性能的提高，輪轂在汽車零件中起著非常重要的作用，包括載重量、變速器控制方向、整車制動器等，以及整體質量的提高，輪轂對整車安全性能的影響尤為重要。

模具和工藝缺一不可，兩者相輔相成。將鑄造過程調整到0.16 MPa（1600 mbar），以增加鑄造的填充壓力。更快的充填速度可以補償低溫（約690 ℃）的鋁液體的流變成形性，提前結晶的啟動時間，縮短結晶周期，提高組織密度；鼓勵形成薄壁，改善金屬的使用效果。但是存在一個問題：原四沖擊砂型未配備自鎖裝置，在生產過程中，如果側油缸漏油或其他原因，四側模塊會完全被側缸堵塞。

如果灌裝壓力過高，導致模具橫向不適配，鋁泄漏到橫向模具旁路是非常危險的。如果要增加灌裝壓力而不在橫向模塊產生鋁泄漏，可以在側模塊的外緣增加止口凸緣，以將外力施加到邊緣。其次，上、下模具采用水冷卻結構，不僅提高了產品性能，而且提高了成型生產的效率。

檢查結果表明，改進鑄造工藝可產生以下結果：①鑄造漏鋁及鑄件飛邊、錯模問題得到了很好的解決；②鑄造生產效率提升20%左右；③鑄造本站毛坯質量提升，X 光檢測報廢率降低5%左右；④提升金屬材料利用率，數據見表1；⑤上下模配置水冷工藝后輪輻部位的金相組織明顯優于風冷工藝；⑥紅外線檢測顯示，在同一位置上激光束模具的溫度和普通低壓模具的溫度幾乎沒有差別，但激光束模具的開始位置在同一溫度下是相同的，偏心現象大大高于普通低壓模具。這是由于激光束模具之間的差別為39.2 ℃，光束發熱會引起所發出的激光的強度先增加、后降低，比普通低壓模具高21.4 ℃，并且鑄件成型后更容易脫模。

4 模具優化方式

實現效率和效益的最關鍵的解決方式是合理的模具設計。在設計低壓模具時，通過確定模具所需梯度類型的鑄造鋼厚度的方法及其冷卻系統的設計，只有在適當配置的情況下，才能取得更好的結果。

4.1 模具的梯度優化

模具梯度指的是模具輪轂腔的內部，在輪轂腔的某些部分中，可以觀察到一種與冷凝需求相匹配的由上到下、由外到內的順序依次凝固。舍弗勒輪轂的冷凝從輪轂的周邊部分開始，在整個輪轂中逐漸冷凝。在半徑和中間輪轂連續冷凝可以減少收縮等缺陷，在保證連續冷凝的基礎上，應將輪轂厚度減至最小，從而減少零件質量問題，改善金屬的使用效率。減少原材料的使用和能源消耗，減少鑄造過程中產生的鋁屑，同時減少加工量，并提高鑄模的壽命。

4.2 優化模具的厚度

模具的厚度是整個設計中的關鍵問題，因為鑄鋼吸收熱量降低了鋁的溫度，鑄鋼的厚度由于鋼的高導熱性，鋁液與模具之間的接觸面更快地硬化，結構和性能得到改善。鑄鋼通過使用冷卻介質的對流輻射參與散熱階段，鑄鋼越厚，散熱率越慢，散熱越慢。在這個階段，鋼模對產品是有利的。鋼的厚度在產品的擠壓和冷卻過程中，鋼水需要兩個不同的流動方向，以使鑄鋼的合理厚度能夠滿足產品的性能和生產速度的要求。

4.3 優化模具冷卻系統

空氣冷卻效率已不能滿足生產節奏，結晶器的冷卻系統正朝著水冷方向發展。在實際生產過程中，模制件鋼材受到劇烈溫度變化的影響，很容易產生裂縫，成為阻礙水冷發展的主要障礙。由于模制件是環形結構，而且左側和右側抽屜芯用于補充泵芯，因此溢出系統的設計要求將鑄造件分成兩個密封平面，以便于過量排氣，并設置溢出槽。設計在環形裝置的零件槽上，如果排氣口的數量太少，可以使用一個橫截面將排氣口相互連接。

4.4 優化控制模具溫度

模具的外部溫度應控制在300～350 ℃，因為模具制造前應被砂、清洗和涂漆，并加熱2～3 h 達到350 ℃，從干燥機中取出模具并將其安裝在低壓模具的輪轂上，所需時間不得超過0.5 h。通過控制模具的溫度，減少了固化時間并提高了生產率。

5 結語

計算機鑄造數字模擬技術可預測鑄造件的質量，確定缺陷的位置和范圍，以可視化反映缺陷的分布和嚴重性，有效幫助設計者改善設計，平衡溫度、壓力、系統剪切率和摩擦熱等參數。應用計算機模制件技術可以減少模制件工藝設計和工藝參數開發周期的盲目性，引導實際生產，優化模制件平面，提高模制件的質量和生產效率。