劉天平，王愛麗，李澤同，李澤嘉，王 健，王 洋，王雪玲，李廣義

（1.安陽市凱創(chuàng)科技有限公司，河南 湯陰 456150；2.AFT 先進成形技術研究院，河南 湯陰 456150；3.百鑄網(wǎng)絡科技有限公司，河南 濮陽 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，是連接制動鼓（制動盤）、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)關鍵零部件，是各類汽車底盤承載扭矩的關鍵部件，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)體結構，法蘭盤兩邊同輪轂轂體分布數(shù)條加強肋筋（如圖1、圖2 所示），材質(zhì)一般為QT450-10，由于其結構原因，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題，尤其在法蘭盤同轂體加強筋處更加嚴重，給行車安全帶來隱患。

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

1 黏土砂造型工藝

輪轂鑄件是一種市場需求量大、質(zhì)量要求比較嚴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。由于產(chǎn)品市場需求量大、質(zhì)量要求高，后續(xù)需要機械加工和裝配，因而對產(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的生產(chǎn)方式有黏土砂手工造型、Z148 微震壓實造型，水平無箱自動線、靜壓自動造型，以及鐵模覆砂造型工藝等，根據(jù)企業(yè)自身條件而定。

由于輪轂鑄件的質(zhì)量要求，濕型黏土砂造型工藝以其無法比擬的優(yōu)點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、結構和質(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 微震壓實造型，水平無箱自動線、靜壓自動造型工藝。

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（采用氣動搗固機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)設施簡單、投資小，但是占用場地面積大、勞動強度大、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，尺寸波動大，表面質(zhì)量差。

如鑄造企業(yè)有結構復雜、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)，因為產(chǎn)業(yè)升級，手工造型在逐步由生產(chǎn)線機械化造型替代。該工藝方法且不說質(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 微震壓實造型

20 世紀八、九十年代開始，國內(nèi)鑄造行業(yè)機器造型代替手工造型，從采用Z14 系列震擊壓實造型機開始，當時俗稱“蹦蹦機”，后來發(fā)展到微震壓實造型，汽車零部件鑄件多采用Z148 微震壓實造型機。當時很多鑄造企業(yè)先是引用單機造型，造型后人工擺地攤合型布置移動砂型，到后來發(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（又稱開式線），逐漸Z148 微震壓實造型生產(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。近年來隨著環(huán)保治理的深度發(fā)展，特別在一些環(huán)保重點管控地區(qū)，Z148微震壓實造型工藝同樣面臨升級轉(zhuǎn)型的壓力。相比而言，輪轂鑄件采用Z148 微震壓實造型比手工造型無論產(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，更先進的機械自動化造型裝備脫穎而出。

1.3 水平無箱自動線造型

在輪轂鑄件采用Z148 微震壓實造型生產(chǎn)線的中后期，國際國內(nèi)一些知名鑄造裝備企業(yè)紛紛推出生產(chǎn)效率高、設備投資相對較小的水平無箱自動化造型裝備，當時許多生產(chǎn)輪轂的鑄造企業(yè)紛紛采用。筆者一度親身現(xiàn)場調(diào)查，對于尺寸與重量較大的輪轂鑄件，不管夾箱還是套箱線，無箱造型在澆注后凝固移動的過程中，均有普遍不同程度的砂型開裂現(xiàn)象，對于球鐵材質(zhì)的輪轂鑄件，砂型開裂對產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的影響是可想而知的，經(jīng)過解剖驗證同預想的結果是一致的。加上輪轂鑄件因為結構原因造型時中間需要下一個較大砂芯，盡管一些鑄造裝備企業(yè)對此考慮有加，但是生產(chǎn)現(xiàn)場看使用還是有一定局限性。

經(jīng)過一段時間的驗證后，該類水平無箱自動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箱自動線造型生產(chǎn)。至今仍有不少當時上線投資過大，產(chǎn)品結構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。在這個階段，輪轂鑄件采用靜壓自動造型工藝生產(chǎn)應用在國內(nèi)典型企業(yè)成功應用，昔日“高大上”的靜壓自動生產(chǎn)線在中國鑄造蓬勃發(fā)展中開始普及。

1.4 靜壓自動造型[2]

20 世紀末本世紀初，隨著我國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，與汽車零部件有關的鑄造及鑄造裝備業(yè)得到突飛猛進發(fā)展，許多有實力的企業(yè)陸續(xù)投巨資上馬建設自動化鑄造生產(chǎn)線，也包括汽車、農(nóng)機和工程機械公司的下屬鑄造企業(yè)。同時隨著靜壓造型工藝、設備自動化技術的日趨成熟，靜壓自動化鑄造生產(chǎn)線最具有代表性引領了鑄造行業(yè)特別是汽車零部件鑄造行業(yè)的有箱造型時代。

筆者大學畢業(yè)工作從事機械設計工作，參與和主持建設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、樹脂砂造型線、樹脂砂制芯線以及負責建設了靜壓自動造型生產(chǎn)線。

如前所述，當時汽車零部件鑄造行業(yè)Z148 微震壓實造型生產(chǎn)線因為投資適宜、穩(wěn)定可靠、同時生產(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，水平無箱自動造型線經(jīng)過一段高潮期后，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。同時期幾家國內(nèi)典型鑄造企業(yè)在依靠集團投資，集團內(nèi)部市場化運作和供應鏈深度合作的背景和前提下，采用靜壓自動造型工藝大批量生產(chǎn)輪轂、制動鼓鑄件，引起業(yè)內(nèi)極大關注，在中國鑄造業(yè)蓬勃發(fā)展推動下，靜壓自動生產(chǎn)線由在國內(nèi)少數(shù)企業(yè)應用而開始普及，如圖3、圖4 所示。

根據(jù)靜壓造型工藝生產(chǎn)輪轂鑄件的實踐，該工藝采用“靜壓造型+覆膜砂砂芯（或自硬樹脂砂砂芯）”的組合工藝，特別是原在Z148 微震壓實造型線上生產(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，由于鑄造行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，在一些汽配鑄造產(chǎn)業(yè)集聚地區(qū)，“機器代人”如火如荼，許多不同層次的鑄造企業(yè)正在或正在計劃上馬靜壓自動造型線，一些情況需要引起足夠重視。

1）目前運行靜壓自動化造型線的鑄造企業(yè)，多數(shù)是以輪轂、制動鼓、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)并沒有對當時引起大家極大關注的采用靜壓自動造型工藝大批量生產(chǎn)輪轂、制動鼓鑄件的典型企業(yè)的背景重視，以至于盡管生產(chǎn)線運行，但是其運行成本極高，多數(shù)企業(yè)盈利狀況并不樂觀。

2）靜壓自動化造型裝備一般投資較大，對人員業(yè)務素質(zhì)要求高，一般條件的企業(yè)接受和建設靜壓自動造型線，但又存在諸多困難，因此需要企業(yè)具有一定規(guī)模、管理相對規(guī)范到位，人員業(yè)務素質(zhì)水平較高，企業(yè)經(jīng)營、資金運轉(zhuǎn)情況較好才能保證靜壓自動生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)運行。

3）由于靜壓自動化造型生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)輪轂鑄件需要非常量大的覆膜砂芯或樹脂砂芯，砂芯潰散芯砂混入型砂，長期生產(chǎn)下來，對靜壓生產(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”極不平衡，影響產(chǎn)品質(zhì)量、同時舊砂淘汰更換產(chǎn)生生產(chǎn)成本。現(xiàn)在環(huán)保管控治理形勢下，固廢排放成為靜壓鑄造企業(yè)極大負擔，此現(xiàn)象已經(jīng)引起多家靜壓自動化裝備企業(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砂砂型鑄造相結合發(fā)展起來，兼有二者的優(yōu)點。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化，結晶組織致密，基體中珠光體體積分數(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發(fā)輪轂鑄件實踐，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稱對開組合砂芯結構（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、且鑄件開裂傾向大，需要后續(xù)熱處理保證。后經(jīng)不斷試驗摸索，鑄態(tài)質(zhì)量可以保證，相關問題得到解決。做為輪轂鑄件主要成型工藝之一，目前全國已經(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，勞動強度大、占用場地面積大。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)保管控治理形勢下，固廢排放成為極大負擔，粉塵、固廢環(huán)保問題凸顯。

3 結論

1）從黏土砂手工造型到微震壓實造型，再到水平無箱自動化造型、靜壓自動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、自身條件、行業(yè)和技術發(fā)展趨勢做綜合評定。

2）載重汽車輪轂主要生產(chǎn)工藝的發(fā)展，有明顯的時代特點，每次工藝的提升基于產(chǎn)品質(zhì)量提升需要，來自于行業(yè)規(guī)范發(fā)展的推動，鑄造工藝技術的突破和裝備技術的發(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，當前及今后一段時間，技術創(chuàng)新、環(huán)境保護與治理是對鑄造行業(yè)影響最主要的因素，鑄造企業(yè)應主動變革，積極創(chuàng)新，倒逼自己升級發(fā)展，推動企業(yè)及行業(yè)向綠色環(huán)保、節(jié)能循環(huán)的模式發(fā)展。