低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞咴O(shè)計優(yōu)化

李玉升

(濱州盟威戴卡輪轂有限公司，山東濱州 256602)

0 引言

鑄造和模鍛是鋁合金輪轂制造中常用的兩種方法，其中低壓鑄造生產(chǎn)的輪轂又占多數(shù)。低壓鑄造與傳統(tǒng)的鑄造工藝如壓力鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造等工藝相比，低壓鑄造更容易實現(xiàn)自動化并且材料的利用率更高。鋁合金輪轂的低壓鑄造技術(shù)正因為它的操作簡便、自動化程度高、所生產(chǎn)的零件質(zhì)量較高的特點，而受到了廣泛的開發(fā)與應(yīng)用。它對鑄型的要求低，同時可以滿足在多種鑄型中使用，在氣體壓力下調(diào)節(jié)金屬液體的充型過程使得充型過程中能夠相對穩(wěn)定，產(chǎn)生的缺陷也較少[1]。

隨著世界對環(huán)保節(jié)能重視程度的不斷提升，以及制造企業(yè)進(jìn)入微利時代，促使輪轂行業(yè)探尋節(jié)能減耗的發(fā)展之路。其中提高生產(chǎn)過程中的金屬利用率成為重要的一種方法。金屬利用率就是加工后的輪轂質(zhì)量與初期毛坯質(zhì)量的比值，成品輪轂質(zhì)量是一定的，只能通過降低初期毛坯的質(zhì)量來提高此數(shù)值。初始原材料用量少了，代表著生產(chǎn)過程中的能源、加工成本、人工成本等都會降低，效益就會提升?，F(xiàn)在大部分的輪轂廠平均的金屬利用率在63%～65%左右，有25%左右的切削加工余量。

1 模具基本設(shè)計

合理的模具設(shè)計是取得高效率和高效益最重要的一環(huán)。低壓模具在設(shè)計時，模具的梯度、模具鋼的厚度、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計等都是關(guān)鍵，合理配置后，才能達(dá)到事半功倍的效果[2]。

(1)模具的梯度

模具的梯度是指模具輪輞型腔部分自上而下由薄增厚的趨勢，這種趨勢要符合順序凝固的基本要求。輪轂?zāi)虝r由遠(yuǎn)離澆口的內(nèi)輪緣部分開始，逐漸地向輪輞、輪輻、中心部位凝固，順序凝固起到補(bǔ)縮的作用，減少縮松、縮孔等缺陷。在保證順序凝固的基礎(chǔ)上，輪輞的厚度要盡可能地減少，這樣可以減少毛坯的質(zhì)量，提高金屬的利用率，減少原材料使用、能源消耗以及減少加工過程中鋁屑的產(chǎn)生，同時加工量的減少也相對地提高了刀具的壽命，一舉多得。

(2)模具鋼的厚度

模具鋼厚度是模具設(shè)計的關(guān)鍵之一。在沖型階段中模具鋼會吸熱，鋁液溫度降低散熱，由于鋼的熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，鋁液與模具接觸的表面凝固較快，組織致密，性能較好，此時模具鋼厚點對冷卻有好處。當(dāng)鋁液溫度與模具鋼溫度達(dá)到一致后，進(jìn)入使用冷卻介質(zhì)對流輻射散熱階段，此時模具鋼越厚散熱越慢，生產(chǎn)效率降低，產(chǎn)品性能會有一定地弱化，此時模具鋼薄些對產(chǎn)品有好處。從以上看出，在產(chǎn)品沖型和冷卻的階段中，模具鋼厚度的要求處于2個不同的方向，因此設(shè)計出合理的模具鋼厚度，才既滿足產(chǎn)品性能要求又滿足節(jié)拍生產(chǎn)的需求。

(3)模具的冷卻系統(tǒng)

模具的冷卻系統(tǒng)經(jīng)歷了風(fēng)冷、水霧逐漸向水冷發(fā)展?，F(xiàn)在單純風(fēng)冷已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需要，為了提高節(jié)拍產(chǎn)量，水冷已經(jīng)是主流的發(fā)展方向。但是實際生產(chǎn)過程中，模具鋼受到激烈的溫度變化，非常容易破裂，這已經(jīng)成為水冷推廣的攔路虎。

2 產(chǎn)品選擇及方案規(guī)劃

經(jīng)過對某公司模具設(shè)計資料的統(tǒng)計分析，輪輻部分的設(shè)計余量基本在1.5～2 mm，法蘭部位設(shè)計余量在2～3 mm，輪輞部位的設(shè)計余量在5～7 mm，輪輻和法蘭部分設(shè)計余量已經(jīng)較少且該部位整體占比也較少，改進(jìn)的余地不大。輪輞部位余量大占比也大，成為改進(jìn)的重點部位。經(jīng)過計算，輪輞部位每減少1 mm余量，平均毛坯質(zhì)量減少約500 g。

提高產(chǎn)品金屬利用率，可以轉(zhuǎn)化為兩個基本前提：(1)減少輪輞部位的切削余量，如果能設(shè)計為0梯度最好，即毛坯上下加工余量一致；(2)保證輪輞部位的順序凝固。這兩個前提是一個整體，不能單獨拆分。輪輞余量減少代表的是順序凝固難度增加，特別是在輪輞自身沒有冷卻梯度的0梯度設(shè)計時，此時如何保證輪輞部位能夠順序凝固是設(shè)計的關(guān)鍵點，一般是通過在輪輞上端部位設(shè)計冷卻通道、改變模具鋼的厚度及梯度來保證。

經(jīng)過對該公司現(xiàn)有產(chǎn)品金屬利用率、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程穩(wěn)定性等分析，從中選出一款產(chǎn)品作為優(yōu)化對象。選擇產(chǎn)品的基本數(shù)據(jù)：產(chǎn)品規(guī)格40.64 cm×16.51 cm，產(chǎn)品質(zhì)量9.6 kg，毛坯質(zhì)量14.285 kg，金屬利用率67.2%，輪輞加工余量約6.1 mm。

經(jīng)過模具工程師設(shè)計調(diào)整、鑄造工程師用ProCAST軟件模擬生產(chǎn)過程，在多次優(yōu)化調(diào)整后，最終通過減薄鋼模具厚度、調(diào)整模具鋼梯度、設(shè)計邊模水冷滿足了產(chǎn)品的輪輞的順序凝固要求(見圖1—圖3)。

圖1 模具圖紙設(shè)計

圖2 沖型過程溫度場

圖3 凝固過程溫度梯度

此時的輪輞加工余量由原先的6.1 mm減少到4 mm，整個輪輞設(shè)計為0梯度。

3 生產(chǎn)驗證

新模具委托昆山某模具廠制作，進(jìn)廠后按正常程序做進(jìn)貨檢驗。在實際生產(chǎn)前做了整體的生產(chǎn)策劃，包括調(diào)整鑄造機(jī)械手夾持位置，由輪輞中部改到輪井部位以便減少輪輞夾持變形，整個生產(chǎn)過程中全部單獨運輸、收集各過程產(chǎn)生的廢品數(shù)據(jù)、異常品資料等。

初次生產(chǎn)63只毛坯，合格品48只，成品率為76.19%，主要廢品為輪輻縮松，如圖4所示。應(yīng)用ProCAST軟件模擬多循環(huán)生產(chǎn)，輪輻根部會逐漸地產(chǎn)生缺陷，如圖5所示。通過優(yōu)化冷卻參數(shù)及調(diào)整邊模保溫后再次生產(chǎn)，成品率達(dá)到了97.03%，滿足批量生產(chǎn)要求。優(yōu)化后毛坯質(zhì)量為13.315 kg，比優(yōu)化前質(zhì)量減少0.97 kg，金屬利用率提高到72.1%，該模具已批量生產(chǎn)，生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

4 結(jié)論

隨著全國鋁合金輪轂產(chǎn)能的不斷提高，客戶的選擇越來越多，要求也越來越嚴(yán)格，輪轂廠的效益逐漸降低，節(jié)能減耗成為降低成本的關(guān)鍵手段之一。在滿足產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的前提下，通過降低毛坯質(zhì)量的方式來減少生產(chǎn)成本是一種簡單可行、見效快的方案。