淺談鋁合金輪圈低壓模具設計

范萬春

摘 要：本文介紹了低壓鋁合金輪圈鑄造基本原理及其設備，分析了1PCS低壓鋁合金輪圈的低壓鑄造工藝，主要講述了低壓模具設計。

關鍵詞：鋁合金輪圈；低壓模具設計；低壓鑄造工藝

0 前言

鋁合金輪圈為自動車保安零件，其疲勞耐久性能、抗沖擊強度必須符合保安要求，另一方面為提高行走性能與節約燃料必須符合輕量化與肉薄化，且必須達到設計優化。對比于鋼輪圈，鋁合金輪轂降低了非載荷重量而提高了抓地性，表現出更為精確的轉想動作和更好的入彎性能；減少了車輪等旋轉部位的熱慣性，散熱性好，改善了加速性和制動性；因為吸收沖擊性能量，抗震性高于鋼輪；硬度高，減少了過彎時輪胎/輪轂的傾斜度，增加了剛性。此外還具有同心度高、徑向端向跳動低、車子乘駕平穩、受力合理、耐腐蝕、造型美觀、裝配方便和制造周期短等優點。

1 整體式鋁合金輪轂的低壓鑄造優缺點

低壓鑄造最主要的競爭和取代的制程是重力鑄造，其優缺點比較如下：

2 鋁合金輪轂低壓成品及模具設計要點

2.1 鋁合金輪轂低壓鑄造基本原理及其設備簡介

圖1是低壓鑄造設備與原理示意圖。壓縮空氣進入密閉爐內，當壓力逐漸升高時，會將鋁液往上壓，經由升液管、升液過道上升流入模穴內。同時在凝固冷卻過程中，壓力持續施加在鋁液，直到鑄件完全凝固后，壓力才泄除，在升液通道內未凝固之鋁液再回保溫爐。一個完整的低壓鑄造鑄程如下所示：

就輪圈鑄件本身的組織來比較，其二次樹枝狀晶間距的分布有明顯的差異，如圖2所示。從低壓鑄造與重力鑄造鋁輪圈不同位置二次樹狀晶間距分布的差異來分析，兩者的凝固方向是不相同的。低壓鑄造的凝固順序是：A→B→C→D→E→F，這是因為在低壓鑄造方案中無冒口的設計，而鋁液從中央澆口流入模膛內，并進行補縮，故該處溫度最高，最慢凝固所致。相反的，在重力鑄造方案中，澆口在側邊，且胎環與中央都設有冒口，所以在A和F的位置模溫會最高，凝固最慢，組織當然會最為粗大。因此在考慮兩者的制程轉換時，必須注意其方向性的凝固的差別，才能確保質量的要求。

2.2 模具設計

（1）澆口面積設計要點。低壓鑄造方案較其它鑄造法單純，鑄件由離澆口最遠程開始往澆口處凝固，而產生方向性凝固，為達成此目的，澆口的大小、位置和數量都需考慮。就鋁合金輪圈低壓鑄造來說，澆口的數量及位置有機臺決定。

澆口的斷面積設計需避免產生擾流，下式為澆口斷面積的理論計算公式：

式中 a：澆口最小斷面積（cm2）

G：含澆口鑄件重量；

t：澆注時間

μ：金屬液在某溫度時的流動阻力系數，一般為0.3～0.4。

ρ：金屬液在該溫度時的密度，2.4g/cm3

g：重力加速度

H：液面至鑄件頂端的高度，cm

但上式只考慮鑄件的充模而未考慮鑄件的補縮，因此計算所得到的結果將比實際所需要的斷面積小很多，為了考慮澆口系統的補縮作用，可采用斷面內接園直徑來確定澆口尺寸。

為了有效完成鑄件補縮的要求，使鑄件產生方向性凝固，必須符合以下條件：升液管上段內徑鑄件澆口內接園直徑鑄件最厚斷面內接園直徑。

（2）模具分型面的確定。模型采用水平分模，分上模、邊模和底模三部分。邊模與底模分型面選擇在離輪圈下端面上偏尺寸R處，以保證輪圈加工時定位準確及夾持。邊模為四拆結構，與鑄造機臺的水平液壓缸連接。底模材料采用熱作模具鋼如H13。上模、邊模選用QT600。

（3）模具壁厚的確認。模具厚度一般依據鑄件的方向性凝固，在需先凝固的地方模具厚度采用較厚的原則，在需提供補水的通道采用較薄的原則。局部厚度及間隙依據模具熱脹系數來設計其間隙，并利用厚度變化來對鑄胚局部變形作校正處理，防止漏水。模具的中心部位，鑄件壁較厚，為了充分發揮中心澆口的補縮作用，有利于鑄件的順序凝固，希望此處最后凝固。在確定壁厚時，選取較小的壁厚比，即模具壁厚（δm）與鑄件壁厚（δc）之比較小，δm/δc=1.5-1.8；而在模具四周輪緣部位，鑄件壁較薄，此處鑄件應最先凝固，選取較大的壁厚比，即δc=4-4.8。模具的其它部位平滑過渡。模具制作完成后需經過測量核對重要尺寸是否于設計圖面吻合。

（4）模具型腔尺寸的確定。鑄件的梯度一般依據鑄件的方向性凝固，在先凝固的部位鑄件較薄，然后按順序凝固的順序依次增大，到最后凝固的地方鑄件最厚，確認輪圈Rim加工余量時，在對加工部位留正常的余量外，還應考慮鑄造時輪圈Rim的順序冷卻，即要求鑄件壁厚有一定的漸變度，上（下）部比下（上）部增厚0.5～1mm。根據此輪圈Rim順序冷卻原則對輪圈Rim余量作相應的增加，以保證鑄件的順序冷卻。

（5）模具的排氣系統設計。低壓鑄造一般是不設冒口，頂端為封閉，因此模具的排氣設計特別重要，常用的排氣方式有下列幾種：1）在分模面設置排氣槽，可迅速排出模穴內的氣體而又不會使鋁液溢出；2）將方形、六角形或八角型之銷打入圓形之孔洞中，達到排氣之目的；3）在需要排氣處設置透氣塞；4）利用各個模具之間隙排氣。

（6）冷卻系統。冷卻系統的設計原則是：首先Rim部位由上往下順序凝固，隨后A面肋部位由外部向中心逐漸冷卻；這樣鑄件冷卻時才能保證充分補縮，防止產生縮孔、縮松、夾渣、熱裂等缺陷。而Rim鑄件厚度一般在7-8.5mm，且Rim部位遠離中心澆口，鑄件散熱快，由模具本身自然冷卻即可，但對模具自然散熱而言，控制模具鑄胚厚度來保證由上往下的順序凝固。故模具的冷卻部位主要集中在A面肋、中心澆口處，而Rim部位則無需冷卻系統。

低壓鑄造生產的缺陷比較多主要有縮孔、水痕、冷隔、氣孔、渣孔、拉模等，例鋁合金輪轂模具生產的過程中容易拉模咬傷改善，輪轂的設計外觀往往由于客戶的要求，肋側的脫模角度比較小，容易在生產過程中拉莫以及模具生產時間久后模具表面擦傷，改善方法：1）設計圖面時盡量說服客人，改大肋側的脫模角度；2）底模的硬度提升；3）底?？梢栽谑着可a后表面進行氮化處理。

3 發展方向

低壓鑄造法從被大量使用以來已經30多年了，已確立了鋁合金鑄件的重要的地位。根據以上內容，可以考慮以下鋁合金輪轂鑄造技術的課題：（1）底模的冷卻方式改善，提高材料強度；（2）生產性的提高（提高控制技術、后處理線的同步化、全自動化生產線的推進）；（3）縮短開發時間；（4）技能的延續（上涂料、鑄造條件的調整等）。

參考文獻：

[1]潘憲曾，黃乃瑜主編.中國模具工程大典[S].電子工業出版社.

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