鋁合金車輪低壓鑄造模具結構的問題及優化策略研究

摘要：隨著汽車工業的快速發展，鋁合金車輪因其重量輕、導熱性好等優點而得到廣泛應用。低壓鑄造作為生產鋁合金車輪的主要工藝之一，其模具的設計與性能直接影響到產品的質量與生產效率。為解決低壓鑄造過程中模具預熱不均、材料疲勞以及鑄件與模具分離困難等問題，從模具結構的角度出發，針對性提出了優化策略，該策略可延長了模具的使用壽命，提升鑄造效率。

關鍵詞：鋁合金車輪；低壓鑄造；模具結構

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工藝，其生產成本較低，產品質量較高，廣泛應用于汽車輪轂的制造。模具的設計和結構優化是確保鑄造產品質量和提高生產效率的關鍵因素。隨著汽車工業對車輪性能要求的提升，如何通過模具結構設計來滿足高強度、輕量化的需求成為研究的焦點。因此，優化鋁合金車輪的低壓鑄造模具結構，不僅關系到生產成本和效率，更直接影響到產品的市場競爭力和企業的可持續發展。本文旨在通過系統的結構優化方法，探索新的設計理念和技術路徑，以提升鑄造效率和質量。

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計，在制造過程中可確保鋁合金車輪的精確成形和高質量標準。具體而言，低壓鑄造模具通常在嚴格控制的環境中制作，使得熔融鋁合金能夠在較低的壓力下被注入模具內部。這一過程中，由于采用了低壓技術，熔融金屬在填充模具時速度較慢，從而減少了氣泡和雜質，顯著提高了成品的內部質量和機械性能。而且由于其更為精密的設計和制造工藝，這些模具可以生產出復雜形狀和細節清晰的車輪產品，滿足現代汽車工業對外觀和性能的雙重要求。

例如，在汽車行業對輕量化和強度有更高追求的背景下，使用低壓鑄造技術生產出來的車輪不僅重量更輕，而且承載能力強、耐用性好。從生產的角度分析，因這種類型的模具通常采用耐高溫、耐腐蝕性強的材料制作而成，并且可以承受連續生產過程中所遭遇到的各種應力，所以使用低壓鑄造模具不僅可以提高生產效率和降低制造成本，還有使用壽命長及維護方便等特點，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構存在的問題

3.1 模具預熱不均勻

低壓鑄造過程中，模具預熱是關鍵步驟，其質量直接影響到鑄件的成型質量和生產效率。模具預熱的主要影響因素為模具的材質、結構以及加熱方式，模具中熱分布不均會導致鋁合金在注入模具時部分區域過熱而另一部分區域過冷，這種溫差會使鑄件在凝固過程中出現熱應力，進而產生變形或內部裂紋。

具體而言，由于模具尺寸較大且結構復雜，其各個區域受熱速度和保溫效果存在顯著差異。例如，在模具的厚壁區域與薄壁區域之間，熱量傳遞和積累的速率不同。厚壁區域因為質量較大，需要更長時間來達到設定溫度；而薄壁區域則相對較快達到所需溫度。

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

在鑄造完成后，車輪需要在模具中進行冷卻以形成最終結構。如果模具在預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致應力集中。這些內部應力最終可能引起成品變形或產生裂紋，增加機械應力，從而降低模具的使用壽命和可靠性。

在生產中，這種問題的解決需長時間調整模具溫度，或者頻繁更換受損模具，導致降低生產效率，增加生產成本[1]。

3.2 模具材料疲勞

低壓鑄造模具在反復的加熱和冷卻過程中極易發生材料疲勞，逐漸失去原有的機械性能，表現為硬度下降、強度減弱以及韌性降低。從生產角度分析，模具在鑄造過程中需承受快速升溫和冷卻的循環條件。每次鑄造時，鋁合金液體注入模具內部，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歷大量的熱膨脹與冷卻收縮過程，從而引起內部應力產生。隨著生產模次的增加，這些應力會累積并導致微觀結構上的損傷。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冷縮現象，在模具各部分之間形成了不均等的機械應力。尤其是在復雜設計特征如凹陷、凸起或薄壁區域周邊容易形成應力集中區域。

隨著時間推移，在高溫、冷/熱循環及不均勻機械負載作用下，即便是高強度、耐高溫的特殊鋼也會逐步展現出疲勞跡象。開始形成微小裂紋，并在連續作業中逐步擴展。這些裂紋最初可能不易被察覺，但它們將逐漸擴大至影響整個結構完整性的程度。

模具材料疲勞現象會使得模具的細微結構部分出現裂紋、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量。因此，模具設計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節，分離的順利與否直接關系到生產效率和鑄件的表面質量。分離困難主要是由于模具表面的設計不當或表面處理不當引起的。如果模具的表面涂層選擇不當或者涂層老化，極易導致鑄件在冷卻后與模具表面粘連，難以分離。而且如果模具的結構設計不合理，例如模具的倒角尺寸不合理，或者分型面設計不當，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中的物理損傷風險（如鑄件表面被拉傷或者變形），還可能導致模具損壞，從而增加模具維修或更換的頻率，導致生產成本增加和質量風險的提高。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的流動性，這使得液態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，導致鑄件表面與模具之間的機械鎖合效應增強。此過程中鋁合金與模具材料之間的化學反應也可能在界面處形成化學結合，進一步增加了分離的難度。例如，鋁與某些模具材料可能發生界面反應，形成薄層的金屬化合物，這種化合物不僅會提高粘附力，還會導致鑄件表面出現瑕疵。

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

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果。這種現象不僅會影響生產效率，還可能導致鑄件表面質量問題，如劃痕、變形或粘模等缺陷，增加后續加工的難度。

4 鋁合金車輪低壓鑄造模具結構的優化策略

4.1 利用熱力學模擬，優化模具內部結構

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

設計階段，技術人員可在CAD軟件中輸入鋁合金的物理性質（如熔點、熱導率和熱膨脹系數）和模具材料的熱力學特性，構建模具的三維模型。例如，H13工具鋼的熱導率約為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等專業鑄造模擬軟件進行熱力學模擬，可初步將鑄造溫度設定為680 °C，模具預熱溫度設定為200 ℃，冷卻系統設計為每分鐘降溫5 ℃，并關注模具中溫度過高或過低的區域，避免模具中鋁合金過早凝固或模具過熱，對于遠高于平均溫度的區域增加冷卻通道或調整材料。

然后，基于模擬結果對模具設計進行優化。例如，如果通過模擬明確模具的某區域存在熱積聚，需在該區域增加直徑為8 mm，距離熱點區域25 mm的冷卻通道，以增強該區域的冷卻效果。

最后，調整參數后需再次運行仿真程序直至找到最優解。例如，如果發現某一設計下輪輻根部區域存在過早固化而導致材料流動不足，則可考慮優化該區域冷卻通道數量或調整其布局以延長局部固化時間；反之若發現某區域能夠承受更快速冷卻則相應減少該處冷卻資源投入。經過迭代改進后，需達到以下目標：確保整個鑄件表面與內部在完成鑄造后能夠盡可能同時達到室溫，使得所有區域都有足夠時間進行適當收縮而不引起內部應力集中或形成裂紋。

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；而較厚壁區域能承受更快速度10～15 °C/min以提高生產效率。

4.2 選用高性能模具材料，提高模具結構強度

鋁合金車輪低壓鑄造過程中，模具材料的性能和結構強度直接影響鑄件的質量、模具壽命和生產效率。選用高性能模具材料，提高模具結構強度，是確保模具在多次熱循環和機械載荷下保持穩定性、延長使用壽命、減少停工時間、提高生產效率和產品質量的關鍵。

由于不同種類材料的強度存在較大差異，所以應首先明確模具在實際生產中的鑄造溫度、金屬液的熱負荷、凝固過程中的應力分布和冷熱交替造成的熱疲勞。根據具體環境條件，選擇具有高溫強度、良好導熱性、耐熱疲勞和耐磨損性能的模具材料。

對于多數車輪生產而言，可優先考慮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度和耐熱疲勞性能，能夠抵御在鑄造過程中產生的熱應力和機械載荷。具體操作中，模具材料應根據鑄件的設計復雜程度和生產批量決定。對于設計簡單、批量大的產品，可以考慮使用標準的H13工具鋼；而對于形狀復雜、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行表面涂層處理以進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，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的溫度區間進行加熱，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險。

同時，再根據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，在生產高負荷或高精度的鋁合金車輪時，需將模具的關鍵部位（如形狀復雜的冷卻通道區域）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 改進模具涂層和表面處理技術，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，降低黏附現象。以氮化硼涂層為例，該涂層因其優異的潤滑性和抗黏附特性廣泛應用于鋁合金車輪模具。該涂層可通過物理氣相沉積（PVD）技術在模具表面形成均勻、致密的保護層。

在實際應用過程中，將模具在500 °C的溫度下預熱，去除殘留濕氣，并使用PVD設備在真空環境中將氮化硼顆粒沉積到預熱的模具表面，厚度通常控制在2～5 μm之間，以增強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。涂層固化應在漸進升溫至200 °C的環境中進行，持續保持1～2 h，以確保涂層與模具表面的良好結合，并嚴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，厚度設置在2～5 μm之間，利用化學氣相沉積（CVD）技術或PVD技術施加。優化鎳基合金涂層的化學成分后，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 結語

本文結合生產實際，分析了鋁合金車輪低壓鑄造模具結構存在的問題，針對模具預熱、材料疲勞、模具分離困難的問題，分別提出了結構優化策略。實踐中，技術人員可利用熱力學模擬，優化模具內部結構，解決預熱不均的問題，并選用高性能模具材料，提高模具結構強度，最后改進模具涂層和表面處理技術，降低鑄件分離難度，以提高鋁合金車輪的生產效率和產品質量。未來，隨著生產技術的不斷發展，相關人員應繼續探索新技術、新材料以及新工藝，實現從理論到實踐的轉化，以進一步優化鋁合金車輪的低壓鑄造模具結構，達到提高生產效率和質量的目的。

參考文獻：

[1]張建良，王勝輝.低壓鑄造鋁合金車輪模具水冷結構設計[J].鑄造，2023，72（8）：1046-1050.

[2]王沛忠，童勝坤，李新兵.鋁合金車輪低壓鑄造冷卻方法綜述[J].內燃機與配件，2021（13）：101-102.

作者簡介：

楊雄，男，1982年生，助理工程師，研究方向為鋁合金車輪低壓鑄造模具結構優化策略（模具結構優化、模具材料性能提升等）。