基于專利分析的汽車輪轂低壓鑄造模具冷卻新裝置對比研究

沈天成 張章 姚佳 馮運坤

1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國·江蘇 常州 213164

2.江蘇海洋大學(xué)，中國·江蘇 連云港 222005

1 引言

低壓金屬型鑄造是將液態(tài)金屬在壓力作用下充填型腔、凝固從而獲得鑄件，此過程中鑄件可以得到充分補(bǔ)縮，獲得組織致密、力學(xué)性能高的鑄件。并且金屬液利用率較高，澆注系統(tǒng)相對簡單，適用各種鑄型材料，是一種被自動化生產(chǎn)所接受的鑄造工藝。但其缺點也較明顯，鑄造周期長、生產(chǎn)效率低。而鑄件的冷卻占據(jù)了模具大部分生產(chǎn)周期，因此不斷優(yōu)化該工藝下的冷卻系統(tǒng)，縮短冷卻節(jié)拍，提高冷卻均勻性很有必要。

2 風(fēng)冷、水冷應(yīng)用于輪轂生產(chǎn)

風(fēng)冷系統(tǒng)作為一種點冷方式，一般有著風(fēng)管的緊密排布，通過吹風(fēng)使輪轂表面溫度快速下降。而在輪轂周圍環(huán)境中，輪轂主要是從內(nèi)到外溫度從高到低。因此，鋁合金熔液會朝著冷卻風(fēng)口對應(yīng)點收縮。這樣會使冷卻點位置發(fā)生偏移，從而發(fā)生表面冷縮情況，進(jìn)而造成鑄件表面冷熱不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

水冷系統(tǒng)作為一種面冷方式，有著優(yōu)于風(fēng)冷的冷卻效果，但冷卻銅管的使用仍會帶來許多不足，并且模具型腔內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致鑄件局部受熱冷卻不均，產(chǎn)生局部缺陷等。而在水冷技術(shù)上，隨形冷卻水路的設(shè)計有著重要研究意義。

3 輪轂?zāi)＞呃鋮s裝置研究概況與不足

目前大多數(shù)模具冷卻裝置都是采用不同直徑的銅管或者鋼管彎曲的方法加工成形，然后裝配在模具上加工出來的冷卻槽中，通過銅管或者鋼管中的低溫冷卻介質(zhì)，主要以熱傳導(dǎo)的方式將模具和鑄件中的熱量以熱交換的方式帶走，從而實現(xiàn)對模具和鑄件局部冷卻的目的。

如果鑄件曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部位置壁厚差別過大，如鋁合金輪轂的輪輻、輪輻與外輪緣相交（熱節(jié)）處，這就造成了模具上機(jī)械加工出來的冷卻槽距離模具內(nèi)腔表面的距離存在不同程度的差異，難以獲得均勻的溫度場分布，無法做到隨形冷卻，從而使得鑄件產(chǎn)生壁厚不均、翹曲變形等缺陷；另外，由于鑄件局部壁厚不均勻，經(jīng)常會在壁厚變化過度區(qū)域產(chǎn)生鑄造缺陷，甚至因冷卻不均導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過大而出現(xiàn)裂紋，如輪輻根部、輪輻與外輪緣交界處等。

其次在生產(chǎn)中，鑄造模具需要經(jīng)常下機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，這種冷卻管需要反復(fù)拆卸和安裝，不僅影響生產(chǎn)效率，而且存在漏裝或者錯裝的風(fēng)險，造成不必要的損失。最后此類水冷盤或者風(fēng)冷盤的銅管與外部冷卻介質(zhì)還需要對接，一般是采用焊接的方法，使用壽命短，而且經(jīng)常漏水漏氣，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且給生產(chǎn)線的6S 管理帶來諸多麻煩。

如申請?zhí)枮镃N201210089113.4 的中國發(fā)明專利“汽車輪轂低壓鑄造真空水冷模具系統(tǒng)”，其公開的車輪頂模冷卻裝置包括不銹鋼風(fēng)管、銅管、冷卻銅塞，冷卻銅塞上鉆有圓形孔，銅管裝配在冷卻銅塞的圓形孔內(nèi)，不銹鋼風(fēng)管裝配在銅管內(nèi)部，冷卻銅塞、銅管、不銹鋼風(fēng)管相互連接在一起組成的頂模冷卻裝置[1]。其冷卻配置較多（約為3～21 個），耗時較長。冷卻方法大致為：通過低壓鑄造機(jī)的冷卻系統(tǒng)控制冷卻風(fēng)的溫度與朝向（吹向冷卻銅塞），由此將銅塞吸收的熱量（來自輪輻及輪網(wǎng)）釋放到模具體外。這樣的風(fēng)冷系統(tǒng)難以達(dá)到隨行冷卻目的，在凝固過程中經(jīng)常會在壁厚變化過度區(qū)域產(chǎn)生鑄造缺陷，降低鑄件局部力學(xué)性能。

如申請?zhí)枮镃N201911390671.2 的中國發(fā)明專利“一種模具水冷裝置及系統(tǒng)”，其公開的模具水冷裝置特征在于水冷通道有兩組，其進(jìn)水口位于冷盤上部，出水口位于下部。分別位于所述水冷盤的兩個半圓環(huán)內(nèi)，并繞著環(huán)形水冷盤的中心軸線呈180°對稱旋轉(zhuǎn)，通過在頂模中心位置、底模中心位置或底模外輪緣位置設(shè)置環(huán)形水冷盤或者風(fēng)冷盤[2]。其明顯的不足在于，水冷裝置耗汽量較多，節(jié)電不節(jié)能，熱效率低;運行條件（密封真空環(huán)境）較嚴(yán)格，外氣易滲入，降低冷卻效率。同時，設(shè)備建造需專用冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等設(shè)備，初期投資較大;需使用循環(huán)水，對水資源消耗多且對冷卻水水質(zhì)要求較高。最后，溴化鋰溶液對碳鋼具有強(qiáng)烈的腐蝕性，影響機(jī)組壽命和性能。

如申請?zhí)枮镃N201721626559.0 的中國發(fā)明專利“低壓鑄造鋁合金車輪用冷卻裝置”，通過設(shè)置水冷盤，在底模與水冷盤之間設(shè)置若干用于傳遞熱量的導(dǎo)熱片,導(dǎo)熱片位于輪輻部與輪網(wǎng)部的連通處，以解決現(xiàn)有導(dǎo)熱片覆蓋面積大但不能對底模熱節(jié)點進(jìn)行精準(zhǔn)散熱的問題[3]。雖然有效避免了整圈導(dǎo)熱片中部分導(dǎo)熱片懸空不能進(jìn)行有效散熱的問題，但不足的是，需要在底模上設(shè)置若干用于固定所述導(dǎo)熱片的凹槽，并且每個輪輻部位對應(yīng)至少一個所述凹槽，凹槽設(shè)置數(shù)量大，操作麻煩。脫離整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，分散設(shè)置導(dǎo)熱片加大了工作量，并且導(dǎo)熱片精度要求高，后續(xù)的拆卸與保養(yǎng)維護(hù)容易對導(dǎo)熱片造成不良影響。

4 SLS 工藝應(yīng)用于模具生產(chǎn)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）作為一項快速成型技術(shù)，理論上說，任何加熱后能夠形成原子間聯(lián)接的粉末材料都可以作為SLS 的成形材料，并且未燒結(jié)的粉末可收集二次利用。由于成形材料多樣，因此SLS 適合于多項領(lǐng)域，如原型設(shè)計驗證、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。

SLS 工藝不僅成形過程與零件復(fù)雜程度無關(guān)，無需設(shè)計和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)了自由制造，其整個工藝過程以數(shù)字化形式呈現(xiàn)，包括CAD 模型的建立和數(shù)據(jù)處理階段、鋪粉階段、燒結(jié)階段以及后處理等過程[4]，生產(chǎn)周期短，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)。對比傳統(tǒng)模具冷卻水路，金屬3D 打印技術(shù)以其高成型自由度的特性很好地解決了模具制造的成形限制。面對鑄造模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有的深肋位置，通過該工藝制造的模具隨形冷卻水路可以突破傳統(tǒng)水道布局的限制，提高鑄件冷卻均勻性，實現(xiàn)鑄件的快速順序凝固，有效縮短冷卻周期，進(jìn)一步減小了鑄件翹曲變形量、提高模具零件性能和延長模具使用壽命[5]。

5 SLS 工藝應(yīng)用于輪轂?zāi)＞呃鋮s新裝置

為解決上文提到的鋁合金汽車輪轂?zāi)＞哞T造專利方案中存在的諸多不足，現(xiàn)結(jié)合SLS 工藝通過制造模具隨形冷卻水路提供一種新的模具水冷方案，具體是通過SLS 工藝在在模仁基座上打印出帶冷卻通道和接口的模仁鑲件，模仁鑲件內(nèi)部設(shè)置隨形冷卻水路，并確定模仁鑲件和模具相接觸處為冷卻面，使得模仁鑲件內(nèi)部的冷卻通道中心與冷卻面保持等距離，從而實現(xiàn)模具的隨形冷卻[6]。

由于模具冷卻面與模仁鑲件直接接觸，減少了熱量傳輸?shù)慕缑?，有利于模具和鑄件中熱量的傳遞。因此增加了模具和鑄件的溫度梯度，一方面有利于減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，降低局部冷卻不均導(dǎo)致鑄件縮松或鑄件應(yīng)力裂紋的可能性，從而有效提升鑄件成品率。另一方面有利于縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

而經(jīng)SLS 工藝在模仁基座上打印出的帶冷卻通道和接口的模仁鑲件與模仁基座共同組成一套模具冷卻裝置，使其成為一個完整的、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體，可以有效避免冷卻介質(zhì)的滲漏，下機(jī)維護(hù)保養(yǎng)時無需拆卸，增加了模仁鑲件的使用壽命[7]。這一設(shè)計省去了銅管傳輸冷卻介質(zhì)，相對于傳統(tǒng)的冷卻裝置，減少了模具壁厚，節(jié)省了模具用料，此外不需要加工安放銅管的槽，因此節(jié)省了模具生產(chǎn)成本。

6 結(jié)語

通過金屬3D 打印技術(shù)設(shè)計的模具隨形冷卻水路對于鑄件在模具中的生產(chǎn)在行業(yè)內(nèi)有著被人們廣泛接受的積極意義，同時作為教具在教育行業(yè)的應(yīng)用也日益增多。而應(yīng)用在模具鑄造上的金屬3D打印技術(shù)仍需進(jìn)一步提高自動化程度，豐富打印材料體系，降低使用成本，以提質(zhì)增效為目標(biāo)不斷進(jìn)發(fā)。