載重汽車輪轂鑄造成形工藝論述

劉天平，王愛(ài)麗，李澤同，李澤嘉，王 健，王 洋，王雪玲，李廣義

（1.安陽(yáng)市凱創(chuàng)科技有限公司，河南 湯陰 456150；2.AFT 先進(jìn)成形技術(shù)研究院，河南 湯陰 456150；3.百鑄網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，河南 濮陽(yáng) 457000）

輪轂是載重汽車輪胎內(nèi)以軸為中心用于支撐輪胎和輪輞的帶法蘭的圓形金屬部件，是車輪中心安裝車軸的部位，是連接制動(dòng)鼓（制動(dòng)盤）、輪盤和半軸的重要零部件，內(nèi)部安裝有輪轂軸承，是汽車底盤行走系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，是各類汽車底盤承載扭矩的關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接影響著汽車的行駛安全。該類產(chǎn)品是典型的汽車零部件鑄件，為“中間法蘭盤、兩端軸承室”的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，法蘭盤兩邊同輪轂轂體分布數(shù)條加強(qiáng)肋筋（如圖1、圖2 所示），材質(zhì)一般為QT450-10，由于其結(jié)構(gòu)原因，在法蘭盤同轂體連接環(huán)狀熱節(jié)及法蘭盤處存在縮孔縮松缺陷問(wèn)題，尤其在法蘭盤同轂體加強(qiáng)筋處更加嚴(yán)重，給行車安全帶來(lái)隱患。

筆者親歷載重汽車輪轂幾種主要鑄造成形工藝的試制開(kāi)發(fā)應(yīng)用，從黏土砂手工造型到微震壓實(shí)造型，再到自動(dòng)化造型及鐵模覆砂工藝，各種工藝均有其優(yōu)勢(shì)和一定局限性，而且各種工藝的發(fā)展應(yīng)用，有明顯的時(shí)代特點(diǎn)，并且基于產(chǎn)品質(zhì)量提升的需要及來(lái)自于行業(yè)規(guī)范發(fā)展的推動(dòng)，伴隨著鑄造成形工藝技術(shù)的突破和裝備技術(shù)的發(fā)展提升。

1 黏土砂造型工藝

輪轂鑄件是一種市場(chǎng)需求量大、質(zhì)量要求比較嚴(yán)格的汽車保安零部件，生產(chǎn)該類產(chǎn)品的鑄造企業(yè)多且企業(yè)條件參差不齊，產(chǎn)品覆蓋高、中、低端市場(chǎng)。由于產(chǎn)品市場(chǎng)需求量大、質(zhì)量要求高，后續(xù)需要機(jī)械加工和裝配，因而對(duì)產(chǎn)品鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性提出要求。

圖1 輪轂圖

圖2 輪轂鑄件

目前輪轂鑄件主要及常見(jiàn)的生產(chǎn)方式有黏土砂手工造型、Z148 微震壓實(shí)造型，水平無(wú)箱自動(dòng)線、靜壓自動(dòng)造型，以及鐵模覆砂造型工藝等，根據(jù)企業(yè)自身?xiàng)l件而定。

由于輪轂鑄件的質(zhì)量要求，濕型黏土砂造型工藝以其無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)成為目前輪轂鑄件的主要造型生產(chǎn)方式之一[1]，依據(jù)產(chǎn)品批量、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求，以及隨著工藝裝備的發(fā)展，有黏土砂手工造型、Z148 微震壓實(shí)造型，水平無(wú)箱自動(dòng)線、靜壓自動(dòng)造型工藝。

1.1 黏土砂手工造型

黏土砂手工造型，是輪轂鑄件早期的造型生產(chǎn)方式（采用氣動(dòng)搗固機(jī)舂砂仍屬于手工造型方式），有些產(chǎn)品在一些鑄造廠現(xiàn)在仍普遍采用。該工藝方法生產(chǎn)設(shè)施簡(jiǎn)單、投資小，但是占用場(chǎng)地面積大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，環(huán)境條件惡劣。用該造型方式生產(chǎn)的輪轂鑄件，法蘭盤同轂體連接環(huán)狀熱節(jié)及法蘭盤處縮孔縮松比例高，重量偏差大，尺寸波動(dòng)大，表面質(zhì)量差。

如鑄造企業(yè)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、訂單量小且需要人工下置隨型冷鐵的輪轂鑄件，采用黏土砂手工造型方法是比較適宜的。更多的鑄造企業(yè)，因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)升級(jí)，手工造型在逐步由生產(chǎn)線機(jī)械化造型替代。該工藝方法且不說(shuō)質(zhì)量良莠不齊，目前給予環(huán)保政策和管控壓力加大，該類企業(yè)如不調(diào)整轉(zhuǎn)型，生存難以為繼。

1.2 Z148 微震壓實(shí)造型

20 世紀(jì)八、九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)機(jī)器造型代替手工造型，從采用Z14 系列震擊壓實(shí)造型機(jī)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)俗稱“蹦蹦機(jī)”，后來(lái)發(fā)展到微震壓實(shí)造型，汽車零部件鑄件多采用Z148 微震壓實(shí)造型機(jī)。當(dāng)時(shí)很多鑄造企業(yè)先是引用單機(jī)造型，造型后人工擺地?cái)偤闲筒贾靡苿?dòng)砂型，到后來(lái)發(fā)展到Z148連續(xù)式造型線（又稱環(huán)線），再到Z148 布移式造型線（又稱開(kāi)式線），逐漸Z148 微震壓實(shí)造型生產(chǎn)線成為鑄造行業(yè)內(nèi)投資適宜、穩(wěn)定可靠、同時(shí)生產(chǎn)效率較高的成熟鑄造系統(tǒng)裝備。

輪轂鑄件是伴隨并支持Z148 微震壓實(shí)造型生產(chǎn)線發(fā)展并成熟的典型鑄件產(chǎn)品之一，目前在不少地區(qū)很多鑄造企業(yè)仍在沿用。近年來(lái)隨著環(huán)保治理的深度發(fā)展，特別在一些環(huán)保重點(diǎn)管控地區(qū)，Z148微震壓實(shí)造型工藝同樣面臨升級(jí)轉(zhuǎn)型的壓力。相比而言，輪轂鑄件采用Z148 微震壓實(shí)造型比手工造型無(wú)論產(chǎn)品質(zhì)量還是生產(chǎn)效率都提高很多，但隨著行業(yè)規(guī)范發(fā)展、產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升，更先進(jìn)的機(jī)械自動(dòng)化造型裝備脫穎而出。

1.3 水平無(wú)箱自動(dòng)線造型

在輪轂鑄件采用Z148 微震壓實(shí)造型生產(chǎn)線的中后期，國(guó)際國(guó)內(nèi)一些知名鑄造裝備企業(yè)紛紛推出生產(chǎn)效率高、設(shè)備投資相對(duì)較小的水平無(wú)箱自動(dòng)化造型裝備，當(dāng)時(shí)許多生產(chǎn)輪轂的鑄造企業(yè)紛紛采用。筆者一度親身現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)于尺寸與重量較大的輪轂鑄件，不管夾箱還是套箱線，無(wú)箱造型在澆注后凝固移動(dòng)的過(guò)程中，均有普遍不同程度的砂型開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)于球鐵材質(zhì)的輪轂鑄件，砂型開(kāi)裂對(duì)產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的影響是可想而知的，經(jīng)過(guò)解剖驗(yàn)證同預(yù)想的結(jié)果是一致的。加上輪轂鑄件因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因造型時(shí)中間需要下一個(gè)較大砂芯，盡管一些鑄造裝備企業(yè)對(duì)此考慮有加，但是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)看使用還是有一定局限性。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的驗(yàn)證后，該類水平無(wú)箱自動(dòng)線造型裝備鑄造企業(yè)多數(shù)產(chǎn)品調(diào)整或根據(jù)其砂型規(guī)格保留生產(chǎn)一些小規(guī)格的輪轂鑄件，但如尺寸與重量較大的重型輪轂鑄件，很多鑄造企業(yè)不再刻意安排水平無(wú)箱自動(dòng)線造型生產(chǎn)。至今仍有不少當(dāng)時(shí)上線投資過(guò)大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不適宜而艱難度日的企業(yè)，有些鑄造企業(yè)生產(chǎn)線已經(jīng)閑置多年。在這個(gè)階段，輪轂鑄件采用靜壓自動(dòng)造型工藝生產(chǎn)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)典型企業(yè)成功應(yīng)用，昔日“高大上”的靜壓自動(dòng)生產(chǎn)線在中國(guó)鑄造蓬勃發(fā)展中開(kāi)始普及。

1.4 靜壓自動(dòng)造型[2]

20 世紀(jì)末本世紀(jì)初，隨著我國(guó)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，與汽車零部件有關(guān)的鑄造及鑄造裝備業(yè)得到突飛猛進(jìn)發(fā)展，許多有實(shí)力的企業(yè)陸續(xù)投巨資上馬建設(shè)自動(dòng)化鑄造生產(chǎn)線，也包括汽車、農(nóng)機(jī)和工程機(jī)械公司的下屬鑄造企業(yè)。同時(shí)隨著靜壓造型工藝、設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的日趨成熟，靜壓自動(dòng)化鑄造生產(chǎn)線最具有代表性引領(lǐng)了鑄造行業(yè)特別是汽車零部件鑄造行業(yè)的有箱造型時(shí)代。

筆者大學(xué)畢業(yè)工作從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作，參與和主持建設(shè)Z148 連續(xù)鑄造生產(chǎn)線、Z145 步移式鑄造生產(chǎn)線、Z148 步移式鑄造生產(chǎn)線、樹(shù)脂砂造型線、樹(shù)脂砂制芯線以及負(fù)責(zé)建設(shè)了靜壓自動(dòng)造型生產(chǎn)線。

如前所述，當(dāng)時(shí)汽車零部件鑄造行業(yè)Z148 微震壓實(shí)造型生產(chǎn)線因?yàn)橥顿Y適宜、穩(wěn)定可靠、同時(shí)生產(chǎn)效率較高，成為鑄造行業(yè)內(nèi)成熟的、主流的鑄造系統(tǒng)裝備，水平無(wú)箱自動(dòng)造型線經(jīng)過(guò)一段高潮期后，成為以輪轂鑄件為代表的汽車零部件鑄件的輔助生產(chǎn)方式。同時(shí)期幾家國(guó)內(nèi)典型鑄造企業(yè)在依靠集團(tuán)投資，集團(tuán)內(nèi)部市場(chǎng)化運(yùn)作和供應(yīng)鏈深度合作的背景和前提下，采用靜壓自動(dòng)造型工藝大批量生產(chǎn)輪轂、制動(dòng)鼓鑄件，引起業(yè)內(nèi)極大關(guān)注，在中國(guó)鑄造業(yè)蓬勃發(fā)展推動(dòng)下，靜壓自動(dòng)生產(chǎn)線由在國(guó)內(nèi)少數(shù)企業(yè)應(yīng)用而開(kāi)始普及，如圖3、圖4 所示。

根據(jù)靜壓造型工藝生產(chǎn)輪轂鑄件的實(shí)踐，該工藝采用“靜壓造型+覆膜砂砂芯（或自硬樹(shù)脂砂砂芯）”的組合工藝，特別是原在Z148 微震壓實(shí)造型線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，切換到靜壓造型生產(chǎn)線，不僅尺寸穩(wěn)定、外觀整潔、重量偏差小，而且由于靜壓造型工藝極高的砂型緊實(shí)率，減少鑄型退讓性，提高了輪轂鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性極大提高。

圖3 ZYJ107 靜壓線

圖4 ZYJ128 靜壓線

近幾年來(lái)，由于鑄造行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在一些汽配鑄造產(chǎn)業(yè)集聚地區(qū)，“機(jī)器代人”如火如荼，許多不同層次的鑄造企業(yè)正在或正在計(jì)劃上馬靜壓自動(dòng)造型線，一些情況需要引起足夠重視。

1）目前運(yùn)行靜壓自動(dòng)化造型線的鑄造企業(yè)，多數(shù)是以輪轂、制動(dòng)鼓、輪邊減速器殼體鑄件為代表的大批量汽車零部件鑄件，但是很多企業(yè)并沒(méi)有對(duì)當(dāng)時(shí)引起大家極大關(guān)注的采用靜壓自動(dòng)造型工藝大批量生產(chǎn)輪轂、制動(dòng)鼓鑄件的典型企業(yè)的背景重視，以至于盡管生產(chǎn)線運(yùn)行，但是其運(yùn)行成本極高，多數(shù)企業(yè)盈利狀況并不樂(lè)觀。

2）靜壓自動(dòng)化造型裝備一般投資較大，對(duì)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)要求高，一般條件的企業(yè)接受和建設(shè)靜壓自動(dòng)造型線，但又存在諸多困難，因此需要企業(yè)具有一定規(guī)模、管理相對(duì)規(guī)范到位，人員業(yè)務(wù)素質(zhì)水平較高，企業(yè)經(jīng)營(yíng)、資金運(yùn)轉(zhuǎn)情況較好才能保證靜壓自動(dòng)生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

3）由于靜壓自動(dòng)化造型生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)輪轂鑄件需要非常量大的覆膜砂芯或樹(shù)脂砂芯，砂芯潰散芯砂混入型砂，長(zhǎng)期生產(chǎn)下來(lái)，對(duì)靜壓生產(chǎn)線系統(tǒng)型砂質(zhì)量產(chǎn)生很大影響而且砂系統(tǒng)因“溢倉(cāng)”極不平衡，影響產(chǎn)品質(zhì)量、同時(shí)舊砂淘汰更換產(chǎn)生生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在環(huán)保管控治理形勢(shì)下，固廢排放成為靜壓鑄造企業(yè)極大負(fù)擔(dān)，此現(xiàn)象已經(jīng)引起多家靜壓自動(dòng)化裝備企業(yè)極大重視。

2 鐵模覆砂造型工藝[3]

鐵模覆砂造型工藝，采用鑄鐵金屬模型以及與鑄件外形近形的鑄鐵型腔做為砂箱鐵型，近形的鐵型外覆蓋一層4 mm～10 mm 厚度的覆膜砂，經(jīng)加熱固化形成鑄型再澆注金屬液成為鑄件。

鐵模覆砂造型工藝是輪轂鑄件目前另一種主要造型生產(chǎn)方式，該工藝基于金屬型鑄造和化學(xué)砂砂型鑄造相結(jié)合發(fā)展起來(lái)，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。由于金屬鑄型加快了金屬液的凝固冷卻，使鑄件石墨及晶粒細(xì)化，結(jié)晶組織致密，基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)增加，其生產(chǎn)的輪轂鑄件表面質(zhì)量好，尺寸精度高且穩(wěn)定，加工余量小。

根據(jù)鐵模覆砂造型工藝生開(kāi)發(fā)輪轂鑄件實(shí)踐，該工藝采用“上下覆砂鐵模+覆膜砂砂芯”的組合工藝（如圖5 所示），且覆膜砂砂芯同樣采用對(duì)稱對(duì)開(kāi)組合砂芯結(jié)構(gòu)（如圖6 所示）。初期采用鐵模覆砂造型工藝試制生產(chǎn)的輪轂等鑄件，由于硬度高、且鑄件開(kāi)裂傾向大，需要后續(xù)熱處理保證。后經(jīng)不斷試驗(yàn)摸索，鑄態(tài)質(zhì)量可以保證，相關(guān)問(wèn)題得到解決。做為輪轂鑄件主要成型工藝之一，目前全國(guó)已經(jīng)有輪轂鑄件鐵模覆砂造型成規(guī)模的鑄造企業(yè)和集聚地區(qū)，工藝已經(jīng)成熟穩(wěn)定，效果顯著。

鐵模覆砂造型工藝生產(chǎn)的輪轂鑄件，縮孔縮松缺陷問(wèn)題較小，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性較高。相比較而言，鐵模覆砂造型工藝方法設(shè)備投資大、產(chǎn)品質(zhì)量普遍較好，由于間歇作業(yè)，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大、占用場(chǎng)地面積大。且該工藝需要200 ℃～260 ℃加熱固化，能耗高，效率低、廢砂目前再生成本高，在環(huán)保管控治理形勢(shì)下，固廢排放成為極大負(fù)擔(dān)，粉塵、固廢環(huán)保問(wèn)題凸顯。

3 結(jié)論

1）從黏土砂手工造型到微震壓實(shí)造型，再到水平無(wú)箱自動(dòng)化造型、靜壓自動(dòng)化造型及鐵模覆砂工藝，載重汽車輪轂的幾種主要生產(chǎn)方式，各有其工藝優(yōu)勢(shì)和一定局限性，同步到其他鑄件產(chǎn)品，企業(yè)采用適宜的工藝方式，需依據(jù)主要需求、自身?xiàng)l件、行業(yè)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)做綜合評(píng)定。

2）載重汽車輪轂主要生產(chǎn)工藝的發(fā)展，有明顯的時(shí)代特點(diǎn)，每次工藝的提升基于產(chǎn)品質(zhì)量提升需要，來(lái)自于行業(yè)規(guī)范發(fā)展的推動(dòng)，鑄造工藝技術(shù)的突破和裝備技術(shù)的發(fā)展提升。

圖5 鐵模覆砂鐵型

圖6 鐵模覆砂組合砂芯

3）從載重汽車輪轂生產(chǎn)工藝和裝備的發(fā)展轉(zhuǎn)變看，當(dāng)前及今后一段時(shí)間，技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)境保護(hù)與治理是對(duì)鑄造行業(yè)影響最主要的因素，鑄造企業(yè)應(yīng)主動(dòng)變革，積極創(chuàng)新，倒逼自己升級(jí)發(fā)展，推動(dòng)企業(yè)及行業(yè)向綠色環(huán)保、節(jié)能循環(huán)的模式發(fā)展。