新峰模具热点 | 一文看懂！铸造铝合金轮毂低压模具设计

我国的铝合金轮毂工业起步较晚， 20世纪80年代末，出现了**个具有现代规模的轮毂制造企业——戴卡轮毂制造有限公司， 90年代初，在广东出现了南海中南铝合金轮毂有限公司，随后有不少具有相当实力和规模的民营资本进入此行业。

截止2010年，我国轿车的铝合金轮毂的装车率已接近70%，而且随着个性化需求的增长，轮毂不仅作为整车的一个零部件而具有实用功能，更随其表面处理技术的革新和造型的丰富，成为一种装饰，进而成为展现自我个性的平台。

铝合金车轮（及铝镁合金车轮）以其所具有的轻量化、美观、良好的减震性和散热性等优点，越来越成为未来的发展趋势。

铝合金轮毂的主要生产工艺有两种，铸造和锻造。

锻造轮毂与铸造轮毂相比，其金相组织是破碎晶粒与锻态组织，而后者是枝晶状晶粒与铸态组织。相较而言，锻造车轮的模具比铸造贵得多，也更难开模，但锻造车轮的力学性能要高30%～50%，相应价格也要高很多；从生产工艺来看，采用铸造工艺更容易大量生产，且价格低廉，市场需求量更大。

另外，也有个别厂家使用旋压法和焊接组装法成形。旋压法是将轮毂的一部分铸出，并留出相应的余量，然后再采用挤压的方法成形，这需要专用的设备和生产线，在国内使用的较少； 焊接组装法一般只铸造或锻造轮辐，轮辋用成型卷材卷制，然后将轮辐、轮辋焊接成轮毂，可大大减轻重量，降低生产成本，但工艺较复杂，日本在该技术方面已经相当成熟。

铸造法成形轮毂是大多铝合金轮毂生产企业所用的主要生产方法。常用的铸造方法主要有重力铸造、低压铸造、挤压铸造及充氧铸造等。

（1）重力铸造是依靠铝液自身的重力进行充型，这种方法相对较简单，设备条件要求不高，但生产稳定性差，铝液凝固过程中温度场易受外界条件影响，出现缩松、缩孔等铸造缺陷，工人劳动强度高，产品的力学性能较差，但成本低，因而在生产较小尺寸轮毂时仍有一些企业在使用。

（2）目前，低压铸造作为铝合金轮毂生产的主要方法，是在较低压力（一般在20～60kPa）下充型，充型完成后，进行一段时间的保压，然后泄压，开模取件，具体过程如图1所示。这种生产方法可大批量生产较高质量轮毂，铝液凝固过程是在压力下进行，因而产品合格率、铝液利用率均较高，低压铸造机自动化程度较高，工人劳动强度相对较低，生产效率高，成本比重力铸造稍高。

（3）挤压铸造也称液态锻造，是一种集铸造和锻造特点于一体的工艺，其中又分为复合挤压铸造、正挤压铸造、两次挤压铸造等多种形式。共同特点是：除金属模具外，还要有突模冲头、模具顶出杆，一般要在冲头上施加7000N左右的压力进行铸造，铸件表面光洁、金相组织、各种力学性能接近于锻件。其工艺方法是采用液压式压力机把比合金熔点高5～l0℃的铝熔体压入铸模，并对凝固中的熔体施加高压(p≥100MPa)，速度约5mm／s，通过加压结晶使共晶体与枝晶充分破碎，可生产出高致密度、无气孔的铝轮毂，力学性能可提高l5％以上，但技术难度大、效率低。

（4）最近，国外出现无气孔压铸新工艺（充氧压铸法），但只有美国、日本等国开始应用于生产。

低压铸造工艺是现在各大铝轮毂生产企业使用的主要生产工艺，它以诸多优点为众多厂家所普遍接受，而该工艺过程的核心部件——低压铸造模具的设计开发，则对企业产品的高效低成本生产有着至为重要的影响。

1．低压铸造工艺影响铸件性能的因素

低压铸造工艺中，能够对铸件成型及合格率产生重要影响的因素包括：

（1）低压模具  

合理的低压模具设计，可使铸造过程中的补缩通道畅通，产生良好、快速的顺序凝固效应，实现由远端依次向冒口方向凝固，**程度避免铸造缺陷的产生，提高生产效率和效益。

（2）低压铸造机  

低压铸造机是一个不可忽视的因素，好的低压铸造机可以在铸造过程的各个阶段按指定参数自动控制，大大减少生产过程的不稳定性，例如德国产GIMA机，就是较为优秀的典范。

（3）模具表面涂层  

模具表面的涂层具有抵抗热冲击，便于起模，提高铸件表面质量等重要作用，模具表面喷涂涂层的种类、颗料大小、厚度，都将直接影响铸件性能。

（4）模具的初始温度

模具在上线生产前，均需预热处理，一般模具预热温度达到400～450℃较为合适。模具温度过低或过高，都会破坏合理的模具温度场，致使铸件难以成型或合格率低。

（5）生产节拍  

所谓的生产节拍，是指生产一个铸件所需的时间阶段，这应该是一个基本固定的循环过程，包括合模、升液、增压、保压、泄压、降温及开模取件，这个过程总的长短及各分阶段的时间分配，将在较大程度上影响模具的温度场变化，从而影响铸件的稳定生产。

（6）外界温度

外界温度往往会随着季节的更替出现变化，在开放的厂区内生产，更容易受到外界温度的干扰，使得在夏季可稳定生产的工艺参数，到冬天则不再适用。

（7）其他偶然因素

这些因素包括模具出现夹铝，使泄压冷却时间加长，机器出现故障停机检修，以及补喷涂料等。这些情况的发生均会对模具温度产生影响，从面影响铸件的正常生产。

2．低压模具的设计

合理的模具设计，是取得高效率和高效益最重要的一环。低压模具在设计时，应该考虑模具的梯度、模具的壁厚、冷却系统的分布等因素，还要考虑轮毂的造型特征对铸造性能的影响，经综合分析，合理配置后，才能达到事半功倍的效果。

（1）模具梯度的确定  

在这里梯度是指模具轮辋型腔部分自上而下的由薄增厚的趋势，这种趋势符合顺序凝固要求。如图2所示，基本所有的低压模具的浇冒口均开在轮毂的中部，由轮辐向四周补缩，由最远端、最薄处向冒口处顺序凝固，越向冒口方向厚度越大，可以保证凝固时有较好的铝液补缩通道。轮辋型腔尺寸由8.78mm、9.14mm、9.9mm到10.32mm逐步增大，即符合梯度要求。

轮辋型腔的尺寸，在可以稳定成形的基础上，尺寸越小越好，这样可以减少加工量，保留更多结晶组织致密的部分，防止因缩松、缩孔等缺陷而产生的漏气现象，同时增加铝液利用率，减轻毛坯重量。

在确定轮辋厚度及梯度时，轮辋宽度是另一个需要考虑的因素，轮辋宽度大，则与冒口距离越远，越要考虑适当增加轮辋壁厚与梯度。

（2）模具壁厚  

在充型过程的初始阶段，铸件的散热主要是热传导，即由模具本身吸收热量，而吸热量的多少，取决于模具的质量（在模具温升固定的前提下吸热量与物质质量成正比），模具升温吸热，铝液降温散热，两者达到热平衡时，以传导散热为主的散热方式基本停止。在这个阶段，由于热传导散热很快，而模具与铝液间有较大温差，铝液在凝固时有激冷效果，此时在铸件外表层凝固的组织致密，机械性能好。按此种状况推断，增大模具壁厚可以获得相对较长时间的激冷效应，因而获得较大厚度的优质组织层。

顶模及边模成形车轮的轮辋，由于轮辋本身厚度较小，模具壁厚太厚可能会导致轮辋各处的冷热不均，产生铸造缺陷。因此顶、边模厚度以保证模具强度为主，同时兼顾轮辋的成形因素，且按一般经验，上模取壁厚25～30mm为宜，边模取30mm左右为宜。

底模与上模成形轮毂的轮辐部分，轮辐的强度对车轮来说至关重要，按照一般经验，如果加大底模厚度，应该可以获得较深的激冷层，从而增强轮辐的机械性能。由此进行了试验验证。选择轮辐较宽、较厚的轮型，将底模厚度设计为45mm，共生产50件试件，铸造过程中成形艰难，X射线检测轮辐与轮辋相接处缩孔较大。在对50件进行热处理后，半成品力学性能未像预期的增大，与按常规壁厚生产的相似轮型基本持平。机加工后进行气密性试验时出现大量报废，共漏气27只，漏气位置分布在轮辋的各部分，轮辐与轮辋相接处有较大渣孔。

经分析，过大的模具壁厚使筋条整体冷却速度加快（底模吸热量较大），致使冒口向轮辋的补缩通道过早被阻塞，由于补缩不足而发生轮辐与轮辋相接处有较大缩孔，以及产生轮辋缩松缺陷而引发气密性报废严重的现象。

在经历完以传导散热为主的散热方式后，冷却方式转变为对流和辐射。由于底模过厚，对铝液热量向外散失不利，底模冷却系统对铝液的冷却影响也相应减弱，也就是说，在后来的冷却过程中，外界冷却因素因对轮毂内部温度场的影响减弱，从而对轮毂合理成型的控制相应减弱，筋条部分在后来的冷却过程中结晶出现粗大和偏析增大的趋势，因而反而削弱了筋条的强度。

因此，过大的底模厚度是不可取的，后将该模具底模壁厚减至25mm，上述问题基本解决。在选择底模壁厚时，以考虑利于外界冷却条件对内部温度场的控制为主，因此取底模壁厚一般在20~25mm为宜。

（3）冷却系统   冷却系统在模具设计中占有相当重要的位置，通过附加冷却影响模具的温度场，是后期控制达到顺序凝固的关键因素。

一般冷却分为风冷、水冷及风水混冷三种方式。而无论哪种冷却方式，都可以达到较好的冷却目的。水冷方式冷却速度快，可在一定程度上提高轮毂的机械性能，但需要解决冷却管路由于频繁的热胀冷缩而产生的开裂问题，因此在管路焊接工艺上要求较高。

风冷是较为常用的冷却方式，如图2所示，冷却风管分为上模风管、下模风管及边模风管，在个别需要强冷却的部位，可以钻出风管孔，将风管通入到模具里，更为接近型腔，以便有更好的冷却效果。

冷却的关键是确定合适的冷却位置、冷却顺序和冷却强度，如图2所示，对冷却风管的布置方位，底模冷却风管的布置原则是：正对筋条，集中冷却轮毂法兰盘及轮辐与轮辋相接处的热节部位；上模风管的布置与底模类似，而边模则一般正对轮辐与轮辋相接处加风管即可。冷却顺序和强度的控制即是对冷却开启先后和单位时间内冷却风管的空气流量的控制，决定着冷却顺序和单位时间内带走热量程度的强弱。这对保证顺序冷却起着至关重要的作用，也是现场工艺调整的**任务。

对于如今较先进的轮毂铸造机械，可以对风冷流量进行精确的自动控制，因而可以保证工艺的稳定性以保证产品品质的稳定性。

（4）不同正面造型轮毂的模具设计概要   不同的轮毂正面造型，会使轮辐的多少、宽窄、粗细等差别较大，因而整个铸造过程的温度场会有相当大的差异，相应在由浇冒口向轮辋及耳部补缩时也会有不同的效果。在进行模具设计时，应具体情况具体分析。

是两种典型的轮毂正面造型结构。

而在进行这两种结构形式的轮毂的模具设计时应注意：

**，在图3a所示的结构形式造型特点是：筋条数量多，筋条较细。对于铸造工艺来说，这种结构的难点在于筋条易过早凝固，而使其他部位失去补缩通道，形成铸造缺陷；筋条较细，在起模时也会由于其承力性较差而发生拉模（筋条变形严重）。为克服这些困难，在上模正对筋条部位挖槽，变相加大筋条的厚度（厚度加大部分机加工序去除），减缓此处的冷却速度，为补缩增加充分的时间。另外，也可以在底模正对筋条部位加装岩棉保温，或两种方法同时使用，会起到较好的效果。对于起模拉模现像，在造型可接受的范围内**程度的增大拔模斜度至10°～12°，可在很大程度上保证起模的可靠性。   

第二，图3b所示的结构形式造型特点是：筋条宽大，筋条数量少。这种结构从铸造工艺性上来说，难点在于筋条自身的凝固可能会滞后于浇冒口，因而自身的补缩会有问题，导致筋条出现铸造缺陷如缩松，缩孔等。且由于筋条凝固时间较长，导致结晶粗大，偏析严重，在热处理后力学性能，特别是伸长率较低。

从模具结构设计上克服这种困难效果不是太明显，解决的方法主要调整后期的冷却工艺，即通过对筋条的冷却时间和强度进行调整，为适应这种调整，需将底模设计的厚度减小，一般不高于22mm，以利于外界冷却因素对内部温度场的影响。

铸造铝合金轮毂低压模具的设计，受到诸多因素的影响，而很多因素，是难于定量的进行分析和控制的，比如不同的轮辋正面造型的影响。由于产品多样化的需求，造型的种类以千数计，而我们也只能从宏观上有一个经验性的设计方案，但往往由于细微的差别，会造成成型过程的很大不同。也正因此，设计的模具可能需经多次的改动，多次的验证，才能达到量产要求。这会延长开发的周期，造成较大的浪费。

随着计算机技术的发展， 在基于三维软件平台上进行的二次开发，可以模拟铝合金轮毂的铸造过程，在确定了所有的外界条件参数后，模拟铝液的充型、凝固，可以清晰的展现在相应条件下生产，车轮毛坯可能出现的缺陷及相应部位，为模具设计提供直关的参照，进行模具设计的改进和优化。这种“设计→模拟→改进”的过程可以循环进行，直至达到满意的效果为止。

计算机软件的应用，与现场实际生产的结合尤为重要，诸多参数的确定，需要与实际的生产条件联系起来，才会真实再现生产过程。我们把这种与本厂实际结合的过程称为“本厂化”。“本厂化”的成败决定着软件适用的成败，因为每个生产厂的实际情况千差万别，只有适合了本厂的实际条件，软件的使用才有意义。

铝合金轮毂生产是一个技术、资金密集、生产较为复杂的过程，它涉及冶炼、铸造、热处理、机械加工及金属表面处理等诸多领域，随着计算机技术的飞速发展，以及各种先进工艺的不断涌现，它们也正逐步融入到铝合金轮毂的研发和实际生产中来，而利用计算机模拟轮毂在模具中的凝固过程，在完善了足够的影响因素后，将对模具的设计、产品开发的优化起到至关重要的引导作用。在金属表面处理方面，诸如真空电镀等工艺也在国内逐步得到应用。因此，低压模具的设计应面向更广阔的范畴，以适应更多先进工艺的挑战，多引进、多吸收，在不断的完善中创造**化的效益！