鋁合金輪圈傾斜鑄造模具設(shè)計(jì)

蔡夏寧

（廈門民興工業(yè)有限公司，福建 廈門 361000）

鋁合金輪圈的作為汽車的一個(gè)重要安全零件，而且隨著汽車大眾化的普及的而增長(zhǎng)，使用者對(duì)輪圈除了作為汽車的一個(gè)零部件而需具有的實(shí)用功能外，更隨其用戶的個(gè)性需外觀造型的豐富，而成為一種裝飾品，作為為使用者展現(xiàn)自我個(gè)性的平臺(tái)。同時(shí)鋁合金車輪具有的重量輕、造型美觀、具有良好的散熱性和減震性等優(yōu)點(diǎn)，而成為未來(lái)車輪的發(fā)展趨勢(shì)。

輪鋁合金輪圈按生產(chǎn)方式不同，可分為鑄造生產(chǎn)和鍛造生產(chǎn)兩大類，按生產(chǎn)制程不同鑄造又可分為重力鑄造和低壓鑄造。重力鑄造工序簡(jiǎn)單、成熟，生產(chǎn)效率高，投資小，鑄件經(jīng)T6 處理后具有良好的機(jī)械性能；但鑄件的切削加工余量大，澆冒口系統(tǒng)復(fù)雜，得料率低，澆注時(shí)易形成紊流，產(chǎn)生疏松、裂紋等缺陷[3]，為解決重力鑄造缺點(diǎn)可采用傾斜式鑄造方式，傾斜鑄造的優(yōu)點(diǎn)在于可控制液態(tài)金屬進(jìn)入型腔的速度及液流的平穩(wěn)性，型腔排氣順暢，鑄件的氧化夾雜物極少，鑄件在冒口的直接補(bǔ)縮下順序凝固，可提高鑄件的補(bǔ)縮效果，使鑄件組織均勻、致密，鑄件的抗拉、延伸率更好。

1 傾斜鑄造的工藝要求

鋁合金輪圈的鑄件質(zhì)量、X-RAY 及尺寸精度要求很高，但生產(chǎn)成本要求低，采用傾斜鑄造可以滿足生產(chǎn)的要求。鋁合金輪圈的鑄造一般選用AL-Si-Mg 合金,該合金具有良好的鑄造性能，經(jīng)過(guò)T6 處理之后，可達(dá)到良好的延伸和抗拉性能、可耐腐蝕能力、物理性能和中等的可加工切削性能。美國(guó)多選A356-2，對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)編號(hào)為ZL101A。一體式鋁合金輪圈結(jié)構(gòu)圖和如圖一所示，尺寸為13X4.5,輪圈肋的厚度為20mm～30mm，RIM 厚度為4mm～6mm，肋與RIM 連接處存在熱節(jié)點(diǎn)。

金屬型模具傾斜鑄造的要素：

（1）金屬型傾斜速度。通過(guò)傾斜過(guò)程時(shí)間控制來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁水進(jìn)入模腔的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間控制，會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，太快及太慢都會(huì)削弱傾斜鑄造應(yīng)有優(yōu)勢(shì)，達(dá)不到預(yù)期效果。鋁合金輪圈鑄件一般重20KG～40KG，應(yīng)控制在：6～8（S）左右；傾斜速度時(shí)間可根據(jù)輪圈試模時(shí)根據(jù)輪圈的重量來(lái)試作，這個(gè)時(shí)間的確定也是一個(gè)重要的工藝指標(biāo)。

（2）鋁水的澆注溫度。鋁合金A365-2 澆注溫度：690±10℃，理想的澆鑄溫度，就根據(jù)鑄件的造型復(fù)雜程度、尺寸大小程度、鑄造工藝因素等，試模后最終確定。

（3）模具工作溫度。工作溫度：350℃～450℃；噴涂料時(shí)溫度：170℃～220℃。

（4）涂料。噴涂質(zhì)量：厚薄按需施涂、涂層光潔、附著力好、施涂時(shí)注意金屬型表面，以看不見(jiàn)水蒸氣為上佳。噴涂的順序先澆冒口，再較厚層、后最薄層。鑄件壁厚度增加，涂層就應(yīng)減薄；反之，壁越薄冊(cè)涂層應(yīng)增厚。但冒口至補(bǔ)縮部位的圖層可逐漸減薄，以利于冒口充分補(bǔ)縮[2]。

（5）澆注速度。遵循：先慢---中快---后慢的澆注三步曲原則。

（6）開模時(shí)間。以冒口最后收縮完畢為最短出型時(shí)間和溫度，一般在此時(shí)間溫度基礎(chǔ)上延時(shí)5～10S 左右。實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)合輪圈的造型、尺寸、工藝要求等來(lái)加以確定，通過(guò)試模后最終確認(rèn)。

2 傾斜鑄造模具設(shè)計(jì)

在輪圈的制造過(guò)程中，鑄件的質(zhì)量對(duì)輪圈的整體質(zhì)量影響最大，鑄件質(zhì)量取決于鋁水的質(zhì)量、模具質(zhì)量、鋁水熔煉工藝、鋁水結(jié)晶變質(zhì)除渣、鑄件熱處理和鑄件涂裝等工藝控制過(guò)程[3]。傾斜鑄造模具設(shè)計(jì)是輪圈成型的主要技術(shù)，模具的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改善是每個(gè)輪轂生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)鍵工藝。圖二是13X4.5 輪圈的傾斜鑄造模具組合圖。模具系統(tǒng)包括成型、排氣、澆注和頂出等系統(tǒng)。

（1）傾注模具的結(jié)構(gòu)示意圖如下。

其工作原理：傾斜鑄造機(jī)在水平方向完成合模動(dòng)作，在傾轉(zhuǎn)缸的推動(dòng)下傾斜鑄造機(jī)臺(tái)翻轉(zhuǎn)成垂直方向，鋁水倒入澆包，在傾斜鑄造機(jī)臺(tái)翻轉(zhuǎn)成水平方向完成傾轉(zhuǎn)澆注過(guò)程，鑄件冷卻凝固，在水平完成開模動(dòng)作，然后在頂出機(jī)構(gòu)的作用下頂出鑄件，最后用機(jī)械手取出鑄件，完成一次工作循環(huán)。

（2）模具分型面的選擇。輪轂是一個(gè)類似一個(gè)較淺的杯形件，壁較薄，壁厚基本均勻，適合水平分型，分為上模、底模。邊模。底模與邊模的分型面選在輪圈耳部下端偏上尺寸處，可以保證輪圈二次加工時(shí)的定位及毛邊的產(chǎn)生。邊模采用四拆方式，便于輪圈的同心，同時(shí)邊模定位在底模板的凸槽上?？紤]模具熱脹上底模采用相同的SKD-61 或H13 鋼，邊模采用QT500 球墨鑄鐵。

（3）模具的零件尺寸設(shè)計(jì)。模具零件尺寸的計(jì)算，需考慮鑄件尺寸、鑄件尺寸公差、模具本身的熱膨脹、鋁合金的收縮（體收縮、線收縮）、涂料厚度及模具各部分的間隙等。這些因素會(huì)根據(jù)不同的輪圈造型而變化，要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)輪圈造型或通過(guò)試模以得到較合理的模具零件尺寸。

型腔尺寸可用如下式子計(jì)算：

A=[A1+A1ε±δ] ±ΔA

式中 A---型腔尺寸（mm）；A1---鑄件尺寸的中間值（mm）；ε---綜合線的收縮率（%）；δ---涂料厚度（mm）；ΔA---模具制作的公差。

綜合收縮率ε 包括鑄件收縮和模具膨脹。對(duì)于鋁合金鑄件，一般情況下ε 值可參考表1 選取。輪圈的ε 值常按全受阻收縮取0.6%。

涂料厚度δ 通常單邊取為0.1mm～0.3mm，根據(jù)模具零件造型及在模具中的不同部位相應(yīng)取不同的值。

（4）模具的厚度設(shè)計(jì)。模具的厚度主要需考慮鑄件的強(qiáng)度、冷卻速度及模具的重量。模具厚度太厚，就會(huì)增加鑄型的重量，模具對(duì)鑄件的吸熱加快，提升冷卻速度；模具厚度太厚太薄，模具在冷熱交替變換剛性不足影響模具壽命。

模具材質(zhì)越好模具的厚度可以相應(yīng)的減薄，上底模一般采用H13 或SKD61 熱作鋼，邊模采用球墨鑄鐵。鑄型的壁厚大到一定程度，對(duì)鑄件的凝固無(wú)影響，或者說(shuō)液態(tài)金屬?gòu)拈_始充填鑄型到全部凝固所散失的熱量是有限的，那么可能涉及到溫度有變化的鑄型壁厚也是一定的[1]。故其原則是在保證模具剛性的前提下，模具厚度選擇稍薄一些，可按鑄件厚的1～1.5 倍加以選擇，常用壁厚為25mm～30mm，一般不小于15mm。

（5）澆注系統(tǒng)及冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傾斜鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：澆包設(shè)計(jì)需簡(jiǎn)單，在滿足鑄件質(zhì)量的前提下，可按尺寸大小設(shè)計(jì)多種尺寸澆包，使得對(duì)應(yīng)澆包的鋁水最少，減少鋁水的氧化。澆口尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)能讓鋁液在6～8 秒的時(shí)間內(nèi)良好地進(jìn)入模具型腔。鋁液應(yīng)順模具壁平穩(wěn)進(jìn)入型腔，澆口模具壁需設(shè)計(jì)平緩，避開型芯或轉(zhuǎn)折，防止產(chǎn)生渦流和飛濺。為模具型腔中氣體的排除順暢，鋁液應(yīng)平緩順序充填。模具厚度及鑄件設(shè)計(jì)的考慮鑄件冷凝梯度，能讓鑄件按順序凝固以及鑄件補(bǔ)縮充分。

傾注模具的澆注系統(tǒng)一般采用頂注式，模具的澆注系統(tǒng)開在邊模上，上模相應(yīng)的開冒口對(duì)應(yīng)，頂注式的優(yōu)點(diǎn)如下：鑄型熱分布合理，有利于鑄件順序凝固，便于補(bǔ)縮。能以大流量充填鑄型，澆注速度快。澆道消耗的金屬量少。鑄型設(shè)計(jì)、制造簡(jiǎn)單。冒口尺寸的計(jì)算。

傾注模具冒口示意圖如圖3：

圖3 傾斜鑄造冒口尺寸

冒口設(shè)計(jì)的原則為D=1.8-2.2d，H=1.0-1.2D ，Dn 實(shí)際依輪圈耳部的尺寸而定，實(shí)際生產(chǎn)中盡量減少外加條件才會(huì)更穩(wěn)定。胎寬越大補(bǔ)縮效果越差，需要的梯度更大，故冒口的高度取上限。

（6）模具的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。金屬型模具生產(chǎn)中排氣困難，因此模具設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模具排氣進(jìn)行充分考慮，否則就會(huì)會(huì)造成氣孔、白花和凹陷等鑄造不良。雖在進(jìn)行鑄件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鑄件在模腔中的位置和澆冒口的選擇，已充分考慮了讓鋁水平穩(wěn)澆注及使模腔內(nèi)氣體順利從冒口及分型面排出。但對(duì)于傾斜鑄造而言，由于傾斜鑄造的特殊性，上模芯必須密閉，入水口對(duì)面為鋁水的交接處，氣體容易聚集且不易排出，因此在這些地方要設(shè)置專門的排氣設(shè)施。

上模芯可采用排氣塞的方式，排氣塞一般用45 鋼制作。

入水口對(duì)面邊?？刹捎萌桥艢獠鄣姆绞?，三角排氣槽深度一般為0.3mm～0.8mm，間距一般取10mm。

（7）模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傾斜鑄造模具的冷凝梯度如圖4 所示，輪圈肋自外而內(nèi)、胎環(huán)自下而上的冷凝梯度。故冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：肋部位由肋尾向輪圈中心中心順序凝固，胎環(huán)部位由下往上順序凝固，確保在冷卻時(shí)邊模冒口及中心冒口最后冷卻，冒口鋁液充分補(bǔ)縮，避免鑄件產(chǎn)生縮孔、漏氣、熱裂等不良。同時(shí)結(jié)合輪圈的應(yīng)力分析的薄弱點(diǎn)，模具的冷卻部位設(shè)計(jì)則主要集中在肋、安裝面、冒口澆口及Rim 部處。底模可以設(shè)計(jì)開放式的點(diǎn)式冷卻，邊模由于傾斜鑄造特殊性，需設(shè)計(jì)封閉的冷卻系統(tǒng)。

圖4 傾斜鑄造冷凝梯度

3 結(jié)論

傾斜鑄造生產(chǎn)是一種高效、節(jié)能的工藝方法，輪圈的生產(chǎn)周期較重力及低壓鑄造縮短很多，強(qiáng)度性能可能及試驗(yàn)指針完全符合技術(shù)要求。同時(shí)可對(duì)以下的技術(shù)進(jìn)行深入研究，提升公司的傾斜鑄造的能力：（1）機(jī)臺(tái)翻轉(zhuǎn)速度與鋁水進(jìn)入型腔的關(guān)系以及定量澆注方式。（2）縮短開發(fā)時(shí)間。（3）全自動(dòng)化生產(chǎn)線。