劉宏磊 ，趙志強 ，譚學菊 ，劉宏峰

（1.中信戴卡集團秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司，河北秦皇島 066004；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066004；3.滄州大化TDI有限責任公司，河北 滄州 061000）

汽車鋁合金輪轂的鑄造最早可追溯至20世紀20年代，當時歐洲的一些賽車手為了減輕車重，用砂型鑄造的方法生產(chǎn)鋁合金輪轂，用于運動賽車上。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋁合金輪轂已得到廣泛應用。其鑄造方法也有多種，就鑄造鋁合金輪轂而言，國外報到過的制造方法有：重力鑄造、低壓鑄造、液態(tài)擠壓、反壓鑄造、離心鑄造、真空壓鑄、半固態(tài)鑄造等。其中應用最為普遍的主要有金屬型重力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造以及擠壓鑄造。重力鑄造的約占40%；低壓鑄造的約占40%；其他方法占20%。我國汽車鋁合金輪轂的研究開發(fā)始于20世紀80年代末、90年代初期。當時，秦皇島戴卡輪轂制造有限公司和南海中南鋁合金輪轂有限公司引進國外設備，開始生產(chǎn)汽車鋁合金輪轂。我國的汽車鋁合金輪轂鑄造方法大都是結合企業(yè)自身人力、財力來決定的，汽車鋁合金國貨中60%用低壓鑄造，特殊場合也有用反壓鑄造（但比例極少），38%用重力鑄造，也有少數(shù)企業(yè)用高比壓（約100 MPa）的液態(tài)擠壓鑄造法[1]。也有報道，當前汽車鋁合金輪轂成型技術主要采用低壓鑄造工藝，低壓鑄造汽車鋁輪轂占總量的80%以上[2]。由上可見，目前鋁合金輪轂鑄造國內外較為普遍的是低壓鑄造和金屬型重力鑄造。低壓鑄造一般不單獨設冒口，澆注系統(tǒng)小，鋁液金屬利用率高，鑄件力學性能好。但以前國內鋁合金生產(chǎn)廠使用的低壓鑄造機以進口為主，由于低壓鑄造設備結構復雜，需用自動控制技術對加壓過程進行精確控制，價格較為昂貴。雖然中信戴卡集團和萬豐集團在吸叫國外先進技術的基礎上，結合多年低壓鑄造實踐豐富經(jīng)驗，自行設計制造了新型低壓鑄造設備，使其造價有所降低，但相比重力鑄造設備來說，其造價還是高不少。金屬型重力鑄造由于沒有外加壓力，為了獲得致密的鑄件，需要利用冒口來補縮。因此，與低壓鑄造相比，金屬型重力鑄造的澆冒口較重，鋁液利用率低[1]。筆者利用低壓鑄造和金屬型重力鑄造各自的優(yōu)點，取其優(yōu)點棄其糟粕，結合自身多年鋁合金輪轂生產(chǎn)經(jīng)驗，來探討汽車鋁合金輪轂的重力加壓鑄造的可行性進行探討與論述。

1 國內同行在汽車鋁合金輪轂鑄造方面創(chuàng)新與嘗試

目前，雖然我國與汽車輕量化相適應的材料加工成形技術，在理論研究和實際應用方面與國外發(fā)達國家相比均有較大差巨，但作為輕量化將永遠是汽車鑄件不變的趨勢[3]。隨著科學技術和國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)都對鑄造生產(chǎn)提出新的更高要求，如高質量、輕量化、節(jié)能環(huán)保、綠色生產(chǎn)、少切削與無切削，以及節(jié)約原材料，降低成本等，這都對有色合金鑄造，針對不同產(chǎn)品零件要求采用不同的鑄造方法，帶來了有利的發(fā)展空間[4]。汽車鋁合金輪轂行業(yè)的鑄造也不例外，像重慶捷力輪轂制造有限公司為本田公司制造采用重力鑄造，加復雜砂芯的中空高端性能鋁輪轂，其外觀十分精美[4]。其利用中空造型有效的降低了輪轂的重量，也算是技術上的創(chuàng)新與嘗試。中信戴卡曾昭軍與北航的楊波等也對鋁合金輪轂低壓鑄造充型和凝固過程的精確控制進行過研究，其利用工藝方法實現(xiàn)輪轂的輕量化，其利用輪輻厚度8 mm的輪轂進行研究，可以通過工藝的方法滿足內部質量和綜合力學性能的要求[5]。

蘇州三基鑄造裝備股份有限公司研發(fā)了汽車鋁合金輪轂擠壓鑄造設備和產(chǎn)品，其用擠壓鑄造生產(chǎn)的鋁輪具有接近鍛造的高力學性能，又類似壓鑄的生產(chǎn)率[6]。清華大學張輝等也以鋁合金輪輪轂生產(chǎn)為背景，利用有限差分原理開發(fā)適應于復雜工藝的凝固模擬軟件[7]。

2 重力加壓鑄造名詞解釋

重力加壓鑄造是指在重力作用下，液體金屬充填金屬型腔，隨后液體金屬在壓力作用下完成凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造方法。由于其在重力作下充型，壓力作用下凝固，是重力與壓力鑄造相結合的鑄造方法，故筆者稱其為“重力加壓鑄造”。

3 重力加壓鑄設備結構

重力加壓鑄造設備結構簡圖如圖1所示。

圖1 重力加壓鑄造設備簡圖

4 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄模具結構

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄模具結構如圖2所示。

圖2 重力加壓鑄模具簡圖

5 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造過程

將重力加壓鑄造模具的頂模板、底模板、邊模、頂出機構分別與重力加壓鑄造設備的活動臺板、底板、邊模油缸、頂出機構連接板連接，將模具安裝在設備上。將模具上的頂、底模冷卻系統(tǒng)、加壓氣缸與壓縮空氣管道連接。

模具及管道安裝連接好后，邊模油缸將邊模推進，活動臺板連同頂模下移，底模、邊模、頂模圍成型腔如圖2。按照鑄件設計重量將鋁液通過模具中心澆注，當澆注完成后加壓氣缸按工藝設定的壓力、速度、限位及保壓時間進行加壓。加壓后按工藝時間及流量開啟頂、底模冷卻氣系統(tǒng)，使輪轂毛坯鑄件在壓力作用下順序凝固。當輪轂毛坯鑄件完全凝固后，邊模油缸將邊模拉開，活動臺板連同頂模上移，頂出機構連同加壓氣缸一起將輪轂毛坯鑄件頂出，完成一個鑄造循環(huán)。當然該鑄造過程也是在工控機及PLC程序控制下自動完成的。

6 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造可行性及控制難點

6.1 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造可行性分析

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造是在低壓鑄造設備和模具的基礎上進行的改造和優(yōu)化，結合汽車鋁合金輪轂金屬型重力鑄造中心澆注的方式優(yōu)化設計其澆注系統(tǒng)。根據(jù)低壓鑄造鋁合金輪轂的澆注特點，即合金液由鑄型的中心由下而上地充型和進行補縮，決定了澆注后鋁液在型腔中必須形成由型腔頂端到澆口杯的遞增溫度梯度和由上輪緣到澆口杯的順序凝固方式[8]。汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造沒在完全改變其澆注方式，只是合金液由鑄型的中心由下而上地充型改為由鑄型的中心由下而上地充型，完全適應低壓鑄造的充型和凝固方式。在凝固加壓系統(tǒng)中，借鑒全立式壓鑄機的加壓凝固方式，將壓射沖頭優(yōu)化設計為加壓活塞，其操作平穩(wěn)的特點同樣適用[9]。其他冷卻系統(tǒng)、頂出機構完全應用低壓鑄造方式。重力加壓鑄造的方式與相關設備制造商進行探討完全可行，因此，此種重力加壓鑄造在汽車鋁合金輪轂行業(yè)應用具備可行性。

6.2 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造控制難點

汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造在實施過程中有如下控制難點：（1）應對現(xiàn)有低壓鑄造設備的模具進行改造或購置新設備，其PLC控制系統(tǒng)應進行重新設計。（2）根據(jù)每種鑄件的不同重量精確的注入適量的鋁合金液。（3）加壓活塞的行程及壓力就根據(jù)不同結構的鑄件進行工藝摸索。

7 汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造特點

重力加壓鑄造秉承了金屬型重力鑄造和低壓鑄造的優(yōu)點，避免了其中的不足。其主要特點如下：

1）與金屬型重力鑄造相比，避免了較重的澆冒口，澆注系統(tǒng)小，提高了鋁液的利用率。

2）金屬型重力鑄造普遍采用邊模澆注，其澆注系統(tǒng)復雜，很容易造成鑄件夾渣而報廢，本重力加壓鑄造澆注系統(tǒng)采用中心澆注，澆注系統(tǒng)結構簡單，能有效降低由于鑄件夾渣而報廢的機率，提高產(chǎn)品成品率。

3）另有研究認為：澆口位置偏離模具的中心時，模具上最大應力點也會隨之改變，由原來的模具上部短邊外邊緣中點變?yōu)樯喜績葓A角中點，模具內圓角部位的應力增幅較大，在極端情況下增幅高達38%以上。澆口位置偏離模具中心，模具上的最大應力增大。當澆注速度較小時，最大的增幅較大，而當澆注速度較大時，最大應力的增幅較小[10]。所以本重力加壓鑄造澆注系統(tǒng)采用重力澆注，當澆注速度較小，將澆口安放在模具的中心位置，較金屬型重力鑄造的邊模澆注能有效減小模具上最大應力，提高模具壽命。

4）本重力加壓鑄造的汽車鋁合金輪轂是在一定壓力下結晶凝固，鑄件的補縮效果好，能使汽車鋁合金輪轂的內部組織更致密，力學性能好。

5）本重力加壓鑄造較低壓鑄，設備結構簡單，造價較低，基本上與金屬型重力鑄造設備造價相當，也可在金屬型重力鑄造設備上做技術改造。

6）本重力加壓鑄造的汽車鋁合金輪轂利用冷卻風道可以調整輪轂鑄造件中的凝固順序，保證順序凝固，從而避免縮孔等鑄造缺陷的出現(xiàn)。同樣也可利用凝固模擬軟件綜合分析不同介質的換熱情況可以模擬出復雜工藝條件下鑄造過程的凝固情況[7]，用于優(yōu)化工藝。

［1］趙玉濤.鋁合金輪轂制造技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］朱利民，朱禎.汽車鋁輪轂設備選型［J］.現(xiàn)代零部件，2011（6）：46-50.

［3］劉文輝，馬順龍.輕量化：汽車鑄件不變的趨勢［J］.金屬加工（熱加工），2011（5）：8-10.

［4］耿鑫明.有色金屬鑄造的發(fā)展與應用現(xiàn)狀［J］.金屬加工（熱加工），2012（9）：52-56.

［5］曾昭軍，宮林松，楊波，等.鋁合金輪轂低壓鑄造凝固過程控制［J］.特種鑄造及有色合金，2006（壓鑄?？?08-411.

［6］孫玨，徐善新，萬水平，等.擠壓鑄造工藝在汽車鋁輪轂生產(chǎn)中的研發(fā)與應用//C.第五屆鑄造質量標準論壇文集，2012：59-63.

［7］張輝，萬柳軍，荊濤.汽輪轂轂低壓鑄造凝固過程模擬研究［J］.特種鑄造及有色合金，2006（7）：409-411.

［8］邱孟書，王小平.低壓鑄造實用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［9］曾昭昭.特種鑄造［M］.杭州：浙江大學出版社，1994.

［10］楊遠平，張榜英.澆注速度及澆口位置對大型鋁錠模應力場的影響［J］.鑄造，2012（3）：291-295.