汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造的探討

劉宏磊 ，趙志強(qiáng) ，譚學(xué)菊 ，劉宏峰

（1.中信戴卡集團(tuán)秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司，河北秦皇島 066004；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066004；3.滄州大化TDI有限責(zé)任公司，河北 滄州 061000）

汽車鋁合金輪轂的鑄造最早可追溯至20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)歐洲的一些賽車手為了減輕車重，用砂型鑄造的方法生產(chǎn)鋁合金輪轂，用于運(yùn)動(dòng)賽車上。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋁合金輪轂已得到廣泛應(yīng)用。其鑄造方法也有多種，就鑄造鋁合金輪轂而言，國外報(bào)到過的制造方法有：重力鑄造、低壓鑄造、液態(tài)擠壓、反壓鑄造、離心鑄造、真空壓鑄、半固態(tài)鑄造等。其中應(yīng)用最為普遍的主要有金屬型重力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造以及擠壓鑄造。重力鑄造的約占40%；低壓鑄造的約占40%；其他方法占20%。我國汽車鋁合金輪轂的研究開發(fā)始于20世紀(jì)80年代末、90年代初期。當(dāng)時(shí)，秦皇島戴卡輪轂制造有限公司和南海中南鋁合金輪轂有限公司引進(jìn)國外設(shè)備，開始生產(chǎn)汽車鋁合金輪轂。我國的汽車鋁合金輪轂鑄造方法大都是結(jié)合企業(yè)自身人力、財(cái)力來決定的，汽車鋁合金國貨中60%用低壓鑄造，特殊場合也有用反壓鑄造（但比例極少），38%用重力鑄造，也有少數(shù)企業(yè)用高比壓（約100 MPa）的液態(tài)擠壓鑄造法[1]。也有報(bào)道，當(dāng)前汽車鋁合金輪轂成型技術(shù)主要采用低壓鑄造工藝，低壓鑄造汽車鋁輪轂占總量的80%以上[2]。由上可見，目前鋁合金輪轂鑄造國內(nèi)外較為普遍的是低壓鑄造和金屬型重力鑄造。低壓鑄造一般不單獨(dú)設(shè)冒口，澆注系統(tǒng)小，鋁液金屬利用率高，鑄件力學(xué)性能好。但以前國內(nèi)鋁合金生產(chǎn)廠使用的低壓鑄造機(jī)以進(jìn)口為主，由于低壓鑄造設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需用自動(dòng)控制技術(shù)對加壓過程進(jìn)行精確控制，價(jià)格較為昂貴。雖然中信戴卡集團(tuán)和萬豐集團(tuán)在吸叫國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年低壓鑄造實(shí)踐豐富經(jīng)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)制造了新型低壓鑄造設(shè)備，使其造價(jià)有所降低，但相比重力鑄造設(shè)備來說，其造價(jià)還是高不少。金屬型重力鑄造由于沒有外加壓力，為了獲得致密的鑄件，需要利用冒口來補(bǔ)縮。因此，與低壓鑄造相比，金屬型重力鑄造的澆冒口較重，鋁液利用率低[1]。筆者利用低壓鑄造和金屬型重力鑄造各自的優(yōu)點(diǎn)，取其優(yōu)點(diǎn)棄其糟粕，結(jié)合自身多年鋁合金輪轂生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，來探討汽車鋁合金輪轂的重力加壓鑄造的可行性進(jìn)行探討與論述。

1 國內(nèi)同行在汽車鋁合金輪轂鑄造方面創(chuàng)新與嘗試

目前，雖然我國與汽車輕量化相適應(yīng)的材料加工成形技術(shù)，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面與國外發(fā)達(dá)國家相比均有較大差巨，但作為輕量化將永遠(yuǎn)是汽車鑄件不變的趨勢[3]。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)都對鑄造生產(chǎn)提出新的更高要求，如高質(zhì)量、輕量化、節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)、少切削與無切削，以及節(jié)約原材料，降低成本等，這都對有色合金鑄造，針對不同產(chǎn)品零件要求采用不同的鑄造方法，帶來了有利的發(fā)展空間[4]。汽車鋁合金輪轂行業(yè)的鑄造也不例外，像重慶捷力輪轂制造有限公司為本田公司制造采用重力鑄造，加復(fù)雜砂芯的中空高端性能鋁輪轂，其外觀十分精美[4]。其利用中空造型有效的降低了輪轂的重量，也算是技術(shù)上的創(chuàng)新與嘗試。中信戴卡曾昭軍與北航的楊波等也對鋁合金輪轂低壓鑄造充型和凝固過程的精確控制進(jìn)行過研究，其利用工藝方法實(shí)現(xiàn)輪轂的輕量化，其利用輪輻厚度8 mm的輪轂進(jìn)行研究，可以通過工藝的方法滿足內(nèi)部質(zhì)量和綜合力學(xué)性能的要求[5]。

蘇州三基鑄造裝備股份有限公司研發(fā)了汽車鋁合金輪轂擠壓鑄造設(shè)備和產(chǎn)品，其用擠壓鑄造生產(chǎn)的鋁輪具有接近鍛造的高力學(xué)性能，又類似壓鑄的生產(chǎn)率[6]。清華大學(xué)張輝等也以鋁合金輪輪轂生產(chǎn)為背景，利用有限差分原理開發(fā)適應(yīng)于復(fù)雜工藝的凝固模擬軟件[7]。

2 重力加壓鑄造名詞解釋

重力加壓鑄造是指在重力作用下，液體金屬充填金屬型腔，隨后液體金屬在壓力作用下完成凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造方法。由于其在重力作下充型，壓力作用下凝固，是重力與壓力鑄造相結(jié)合的鑄造方法，故筆者稱其為“重力加壓鑄造”。

3 重力加壓鑄設(shè)備結(jié)構(gòu)

重力加壓鑄造設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 重力加壓鑄造設(shè)備簡圖

4 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄模具結(jié)構(gòu)

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 重力加壓鑄模具簡圖

5 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造過程

將重力加壓鑄造模具的頂模板、底模板、邊模、頂出機(jī)構(gòu)分別與重力加壓鑄造設(shè)備的活動(dòng)臺板、底板、邊模油缸、頂出機(jī)構(gòu)連接板連接，將模具安裝在設(shè)備上。將模具上的頂、底模冷卻系統(tǒng)、加壓氣缸與壓縮空氣管道連接。

模具及管道安裝連接好后，邊模油缸將邊模推進(jìn)，活動(dòng)臺板連同頂模下移，底模、邊模、頂模圍成型腔如圖2。按照鑄件設(shè)計(jì)重量將鋁液通過模具中心澆注，當(dāng)澆注完成后加壓氣缸按工藝設(shè)定的壓力、速度、限位及保壓時(shí)間進(jìn)行加壓。加壓后按工藝時(shí)間及流量開啟頂、底模冷卻氣系統(tǒng)，使輪轂毛坯鑄件在壓力作用下順序凝固。當(dāng)輪轂毛坯鑄件完全凝固后，邊模油缸將邊模拉開，活動(dòng)臺板連同頂模上移，頂出機(jī)構(gòu)連同加壓氣缸一起將輪轂毛坯鑄件頂出，完成一個(gè)鑄造循環(huán)。當(dāng)然該鑄造過程也是在工控機(jī)及PLC程序控制下自動(dòng)完成的。

6 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造可行性及控制難點(diǎn)

6.1 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造可行性分析

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造是在低壓鑄造設(shè)備和模具的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造和優(yōu)化，結(jié)合汽車鋁合金輪轂金屬型重力鑄造中心澆注的方式優(yōu)化設(shè)計(jì)其澆注系統(tǒng)。根據(jù)低壓鑄造鋁合金輪轂的澆注特點(diǎn)，即合金液由鑄型的中心由下而上地充型和進(jìn)行補(bǔ)縮，決定了澆注后鋁液在型腔中必須形成由型腔頂端到澆口杯的遞增溫度梯度和由上輪緣到澆口杯的順序凝固方式[8]。汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造沒在完全改變其澆注方式，只是合金液由鑄型的中心由下而上地充型改為由鑄型的中心由下而上地充型，完全適應(yīng)低壓鑄造的充型和凝固方式。在凝固加壓系統(tǒng)中，借鑒全立式壓鑄機(jī)的加壓凝固方式，將壓射沖頭優(yōu)化設(shè)計(jì)為加壓活塞，其操作平穩(wěn)的特點(diǎn)同樣適用[9]。其他冷卻系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)完全應(yīng)用低壓鑄造方式。重力加壓鑄造的方式與相關(guān)設(shè)備制造商進(jìn)行探討完全可行，因此，此種重力加壓鑄造在汽車鋁合金輪轂行業(yè)應(yīng)用具備可行性。

6.2 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造控制難點(diǎn)

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造在實(shí)施過程中有如下控制難點(diǎn)：（1）應(yīng)對現(xiàn)有低壓鑄造設(shè)備的模具進(jìn)行改造或購置新設(shè)備，其PLC控制系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。（2）根據(jù)每種鑄件的不同重量精確的注入適量的鋁合金液。（3）加壓活塞的行程及壓力就根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件進(jìn)行工藝摸索。

7 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造特點(diǎn)

重力加壓鑄造秉承了金屬型重力鑄造和低壓鑄造的優(yōu)點(diǎn)，避免了其中的不足。其主要特點(diǎn)如下：

1）與金屬型重力鑄造相比，避免了較重的澆冒口，澆注系統(tǒng)小，提高了鋁液的利用率。

2）金屬型重力鑄造普遍采用邊模澆注，其澆注系統(tǒng)復(fù)雜，很容易造成鑄件夾渣而報(bào)廢，本重力加壓鑄造澆注系統(tǒng)采用中心澆注，澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能有效降低由于鑄件夾渣而報(bào)廢的機(jī)率，提高產(chǎn)品成品率。

3）另有研究認(rèn)為：澆口位置偏離模具的中心時(shí)，模具上最大應(yīng)力點(diǎn)也會(huì)隨之改變，由原來的模具上部短邊外邊緣中點(diǎn)變?yōu)樯喜績?nèi)圓角中點(diǎn)，模具內(nèi)圓角部位的應(yīng)力增幅較大，在極端情況下增幅高達(dá)38%以上。澆口位置偏離模具中心，模具上的最大應(yīng)力增大。當(dāng)澆注速度較小時(shí)，最大的增幅較大，而當(dāng)澆注速度較大時(shí)，最大應(yīng)力的增幅較小[10]。所以本重力加壓鑄造澆注系統(tǒng)采用重力澆注，當(dāng)澆注速度較小，將澆口安放在模具的中心位置，較金屬型重力鑄造的邊模澆注能有效減小模具上最大應(yīng)力，提高模具壽命。

4）本重力加壓鑄造的汽車鋁合金輪轂是在一定壓力下結(jié)晶凝固，鑄件的補(bǔ)縮效果好，能使汽車鋁合金輪轂的內(nèi)部組織更致密，力學(xué)性能好。

5）本重力加壓鑄造較低壓鑄，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，基本上與金屬型重力鑄造設(shè)備造價(jià)相當(dāng)，也可在金屬型重力鑄造設(shè)備上做技術(shù)改造。

6）本重力加壓鑄造的汽車鋁合金輪轂利用冷卻風(fēng)道可以調(diào)整輪轂鑄造件中的凝固順序，保證順序凝固，從而避免縮孔等鑄造缺陷的出現(xiàn)。同樣也可利用凝固模擬軟件綜合分析不同介質(zhì)的換熱情況可以模擬出復(fù)雜工藝條件下鑄造過程的凝固情況[7]，用于優(yōu)化工藝。

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