原標(biāo)題：低壓鑄造鋁合金車輪模具水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要

低壓鑄造模具冷卻結(jié)構(gòu)由風(fēng)/水霧冷改為水冷，研究了冷卻對(duì)模具鑄造的影響。結(jié)果表明，水冷結(jié)構(gòu)不同，作用位置不同，冷卻效果不同。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理布置水冷結(jié)構(gòu)、分布，有效提高了鑄造效率和鑄件產(chǎn)品力學(xué)性能。

我國(guó)汽車鋁合金車輪的研究開發(fā)始于20世紀(jì)80年代末、90年代初期，生產(chǎn)方式有重力鑄造和低壓鑄造兩種。重力鑄造由于設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)工人的技術(shù)要求相對(duì)較低、投資小、生產(chǎn)轉(zhuǎn)換方便而得到廣泛應(yīng)用。重力鑄造是鋁液依靠重力作用流動(dòng)充填型腔，由于沒有外加壓力，為了獲得致密的鑄件，往往需要利用冒口來(lái)補(bǔ)縮。與低壓鑄造相比，重力鑄造的澆冒口較重，材料利用率很低，內(nèi)部組織不致密。進(jìn)入21世紀(jì)后國(guó)內(nèi)汽車鋁合金車輪的生產(chǎn)，低壓鑄造逐步發(fā)展為主流生產(chǎn)方式。低壓鑄造是在一個(gè)密封的容器內(nèi)，通入干燥的壓縮空氣，鋁液在氣體壓力的作用下沿升液管上升通過(guò)澆道進(jìn)入型腔，并在保持氣體壓力的條件下完成凝固，然后卸除容器內(nèi)的氣體壓力，使升液管和澆道中未凝固的鋁液回到容器中，已凝固的金屬在模具型腔中形成所需的鑄件。見圖1。

圖1 低壓鑄造示意圖

通過(guò)控制通入容器內(nèi)的氣體壓力和加壓速度，可以控制鋁液在升液管中的上升速度和充型速度，因此低壓鑄造的鋁液充型平穩(wěn)、易于控制。另外鑄件在一定的壓力下結(jié)晶凝固，鑄件的補(bǔ)縮效果好，鑄件的組織致密。而且低壓鑄造一般不設(shè)置冒口，澆注系統(tǒng)小，材料利用率很高。

01 低壓模具冷卻方式

為了達(dá)到鋁合金車輪鑄件的順序凝固和提高生產(chǎn)效率，常常對(duì)鑄造模具局部采取保溫措施或冷卻措施。模具的冷卻從發(fā)展之初主要有三種形式：風(fēng)/水霧冷、水冷和冷鐵。

（1）冷鐵。鑄造工藝上有時(shí)在模具的局部位置使用冷鐵對(duì)鑄件進(jìn)行激冷，以消除鑄件的疏松。常用的方法是在需要激冷的位置鉆孔加銅棒，因其冷卻強(qiáng)度和效果較差，在使用中存在一定局限性，未能大規(guī)模應(yīng)用。

（2）風(fēng)/水霧冷。先將金屬管進(jìn)行彎制，裝配在模具背腔，使壓縮空氣通過(guò)風(fēng)管直接噴射在需要冷卻的模具表面進(jìn)行冷卻，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于控制，因此在前期被廣泛使用。但風(fēng)冷冷卻強(qiáng)度較低，后來(lái)對(duì)風(fēng)冷進(jìn)行升級(jí)，通過(guò)增加設(shè)備將水霧化后在壓縮空氣作用下噴射在模具表面上。水霧的加入增加了風(fēng)冷的強(qiáng)度，使得生產(chǎn)效率在原來(lái)風(fēng)冷的基礎(chǔ)上可提升最多10%左右。風(fēng)/水霧冷仍是目前低壓鑄造生產(chǎn)的主要冷卻形式，但是風(fēng)/水霧冷的缺點(diǎn)是壓縮空氣消耗大，環(huán)境噪聲大，且在生產(chǎn)效率提升上效果有限，所以其在發(fā)展上必然受到制約。

（3）水冷。用水代替壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)，特點(diǎn)是冷卻速度快，激冷效果強(qiáng)，水可循環(huán)使用，無(wú)噪聲污染，冷卻效果顯著，水的冷卻強(qiáng)度是風(fēng)的幾十倍甚至上百倍。但是開放式的風(fēng)管不適用于水冷，通常的做法有兩種：一是制作水冷盤/環(huán)，貼緊需要冷卻的模具部位；二是在模具部件上直接開槽后再焊接。水冷在提升鑄件性能和提高生產(chǎn)效率上較風(fēng)/水霧冷發(fā)揮作用的空間更大。

實(shí)踐證明，低壓風(fēng)冷模具在增加壓縮空氣使用量來(lái)提高鑄件凝固速率方面效果并不明顯，往往達(dá)不到預(yù)期效果。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，冷卻效果不佳主要受以下兩個(gè)方面的影響：一是冷卻強(qiáng)度和流量并不是正比關(guān)系，而是圖2所示的曲線關(guān)系，隨著壓縮空氣流量的增加，而冷卻強(qiáng)度的增幅越來(lái)越小；二是由于風(fēng)道管徑限制，壓縮空氣的流量并不能無(wú)限增加，通常情況下最高只能達(dá)到120 m³/h。經(jīng)行業(yè)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，在合適部位增加水冷冷卻后，與普通風(fēng)/水霧冷工藝相比，生產(chǎn)效率可提升20%左右，并且鑄件的力學(xué)性能有顯著提升。

圖2 冷卻強(qiáng)度與流量關(guān)系

由于水冷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具加工成本高，工藝不易控制，各公司都對(duì)其投入大量人力物力進(jìn)行研究開發(fā)，目前雖還不能完全取代風(fēng)/水霧冷，但取得了一些進(jìn)展，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中得到一定的推廣使用。

02 水冷的方式及結(jié)構(gòu)

2.1 水冷的方式

由于水冷無(wú)法像風(fēng)/水霧冷那樣直接將冷卻空氣噴射在模具表面后散射到環(huán)境中，必須有回收管路，所以水冷的結(jié)構(gòu)較風(fēng)冷復(fù)雜。通常的結(jié)構(gòu)有兩種，即直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻是直接在模具主件（上模、下模、邊模、中心）上加工水冷槽，開槽部位要保留安全壁厚避免開裂漏水（圖3）；間接冷卻是制作水冷部件，貼緊在冷卻部位，并需要緊固，需要更大的空間；而且為達(dá)到更好地冷卻效果，需增加導(dǎo)熱介質(zhì)（圖4）。

圖3 直接冷卻結(jié)構(gòu)

圖4 間接冷卻結(jié)構(gòu)

直接冷卻強(qiáng)度大，模具溫度變化快；但增加了模具制作難度，一旦工藝調(diào)整或發(fā)生漏水維修困難，需更換整個(gè)模具部件；間接冷卻貼合部位對(duì)導(dǎo)熱性影響很大，甚至需要增加介質(zhì)層來(lái)增加導(dǎo)熱性。間接冷卻可通過(guò)改變貼合部位或介質(zhì)位置，靈活調(diào)節(jié)冷卻方位。

2.2 水冷的范圍

水冷的范圍有面冷和點(diǎn)冷兩種，面冷的冷卻區(qū)域較大，對(duì)模具溫度影響大；目前直接冷卻大多為面冷，適用于需大面積冷卻部位。面冷結(jié)合隔熱槽使用，也可控制冷卻區(qū)域；點(diǎn)冷冷卻區(qū)域小，冷卻位置更精準(zhǔn)，工藝更容易控制；點(diǎn)冷的水冷結(jié)構(gòu)部件數(shù)量增多，需要更大的空間，模具加工精度要求更嚴(yán)格，模具在制作和裝配上要求更高。

2.3 水冷的位置

水冷的位置一般在型腔末端、厚大熱節(jié)部位和需提升性能的部位，與風(fēng)冷的布置原則基本一致，即保證鑄件的順序凝固。圖5水道1為型腔末端，普通低壓鑄件此位置較薄，不需額外增加冷卻可以保證最先凝固；鑄旋鑄件此位置較為厚大，一般設(shè)置直接水冷。水道2、水道3為輪輻與輪輞交接的熱節(jié)部位，較為厚大，易出現(xiàn)鑄造缺陷的位置，需設(shè)置直接水冷結(jié)合隔熱槽使用。水道4為下模對(duì)應(yīng)鑄件輪心厚大部位，可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采取直接或間接冷卻，由于鑄件螺栓孔的結(jié)構(gòu)宜采用點(diǎn)冷。水道5為上模對(duì)應(yīng)輪心厚大部位，由于背面減重窩結(jié)構(gòu)宜采用間接點(diǎn)冷結(jié)構(gòu)。水道6中心部位采用點(diǎn)冷。

圖5 模具水冷位置示意

2.4 水冷的維護(hù)

要保證水冷的效果一是要有足夠的壓力來(lái)保證流量，二是要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)水溫。水冷管道在使用一定時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生水垢，使管道內(nèi)管徑變小，水流量變小，降低冷卻效果，嚴(yán)重的會(huì)堵塞管道。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，定期使用酸液可以清除水垢，現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備和工藝已經(jīng)很成熟。

03 水冷的問題

3.1 開裂漏水

由于水冷激冷效果強(qiáng)，水冷管道溫差變化大，在生產(chǎn)中極易發(fā)生開裂，尤其是在壁厚較薄和焊接部位，見圖6。目前水冷部件的壽命大概在20 000件，還不能達(dá)到模具本身的30 000件。

圖6 模具開裂

漏水的原因和對(duì)應(yīng)措施主要有：①材料內(nèi)部有缺陷，水道位置有渣孔、砂眼；措施：控制模具部件質(zhì)量和檢驗(yàn)，防止原材料缺陷導(dǎo)致漏水；②壁厚太薄，在水的激冷作用下開裂；措施：水道在設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證安全壁厚；③水槽蓋板和焊縫結(jié)構(gòu)不合理，達(dá)不到封閉效果；措施：設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證足夠的封閉面和焊接面積，且焊縫不能高于工件表面以免碰傷；④焊接應(yīng)力導(dǎo)致工件過(guò)早開裂；措施：工件在焊接后要去除焊接應(yīng)力。開發(fā)新的水道加工方法，目前開始應(yīng)用放電打孔工藝，避免在模具上開槽，極大程度上解決了漏水問題，但只能用于非整圈結(jié)構(gòu)。

3.2 調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度和范圍

直接冷卻強(qiáng)度速度快，激冷效果強(qiáng)，影響范圍大，必須對(duì)冷卻范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則工藝很難控制。一般調(diào)節(jié)措施為增加隔熱槽，將不希望受冷部位隔離開，部分隔熱見圖7、整圈隔熱見圖8。

圖7 非整圈隔熱槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 整圈隔熱槽結(jié)構(gòu)示意圖

間接冷卻對(duì)貼合面的要求非常高，如貼合效果不好會(huì)影響冷卻強(qiáng)度，現(xiàn)在都采用在貼合面上增加導(dǎo)熱性更好的介質(zhì)層來(lái)增強(qiáng)冷卻效果。

3.3 結(jié)構(gòu)和空間

因?yàn)樾枰厮苈罚洳考慕Y(jié)構(gòu)較風(fēng)冷部件要復(fù)雜的多，也更占用空間，現(xiàn)有模具空間無(wú)法滿足過(guò)多水冷部件的裝配。如果要想更大范圍應(yīng)用，需要更加簡(jiǎn)單、占用空間小的水冷部件結(jié)構(gòu)，見圖9點(diǎn)冷水冷部件。

圖9 點(diǎn)冷水冷部件

3.4 鑄件飛邊

在使用水冷后模具的溫度變化范圍加大，模具的收縮量也會(huì)發(fā)生變化，鑄件產(chǎn)生飛邊的幾率也會(huì)比普通風(fēng)/水霧冷模具要大。在設(shè)計(jì)時(shí)必須重新計(jì)算各部位配合間隙，并不斷在生產(chǎn)中調(diào)整，以免產(chǎn)生較大飛邊。

04 應(yīng)用案例

4.1 模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)方案見圖10，整套模具共設(shè)計(jì)9道水冷，無(wú)任何風(fēng)冷。

圖10 模具結(jié)構(gòu)方案

上模共設(shè)計(jì)4道水冷：①點(diǎn)冷間接冷卻，與模具配合部位有導(dǎo)熱介質(zhì)；②點(diǎn)冷直接冷卻；③中心點(diǎn)冷直接冷卻；④面冷直接冷卻。

邊模共設(shè)計(jì)2道水冷：⑤面冷直接冷卻；⑥面冷直接冷卻，采用電打孔工藝，杜絕漏水，且右側(cè)設(shè)有隔熱槽。

下模共設(shè)計(jì)3道水冷：⑦環(huán)形冷卻部件，與模具配合部位有導(dǎo)熱介質(zhì)；⑧環(huán)形冷卻部件，與模具配合部位有導(dǎo)熱介質(zhì)；⑨點(diǎn)冷直接冷卻，且內(nèi)外兩側(cè)都設(shè)有隔熱槽。

4.2 生產(chǎn)效率及性能

現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)整穩(wěn)定后數(shù)據(jù)見表1。

表1 風(fēng)冷和水冷生產(chǎn)工藝對(duì)比

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品班產(chǎn)由原風(fēng)冷的91件（8 h）提升至110件（8 h），效率提升20.8%。且其力學(xué)性能也有大幅提升，見表2。

表2 力學(xué)性能對(duì)比

4.3 效益分析

預(yù)計(jì)采用水冷模具結(jié)構(gòu)后平均生產(chǎn)效率可提升15%，每100萬(wàn)產(chǎn)能可提升15萬(wàn)件，按提升產(chǎn)能收益30元/件，可提升收益30×150 000=450萬(wàn)元。

采用水冷模具結(jié)構(gòu)后，此產(chǎn)品單只壓縮空氣可節(jié)約25 m³，按每立方米1.5元，每100萬(wàn)產(chǎn)能可降低壓縮空氣采購(gòu)成本1.5×25×1 000 000=3750萬(wàn)元。

并且采用水冷結(jié)構(gòu)后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)周圍噪音明顯下降，可大幅降低噪音污染，改善工作環(huán)境。

4.4 存在問題

水道要定期清理，以免被水垢堵塞，降低流量影響冷卻效果；導(dǎo)熱介質(zhì)要經(jīng)常檢查，根據(jù)接觸面效果判定是否更換；水冷部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在拆卸、組裝上較為困難且出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象。

此水冷結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品造型有一定要求，并非所有輪型都能采用全水冷，在生產(chǎn)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)有一些輪型不適用全水冷，工藝無(wú)法穩(wěn)定。

05 結(jié)論

（1）風(fēng)/水霧冷在提升鑄件的生產(chǎn)和效率上已遇到瓶頸，鋁合金車輪鑄造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必然依靠水冷技術(shù)。

（2）通過(guò)增加一些結(jié)構(gòu)和介質(zhì)可以調(diào)節(jié)水冷的強(qiáng)度和范圍，使水冷工藝便于控制和穩(wěn)定生產(chǎn)。

（3）全水冷模具目前還無(wú)法全面推廣，需要有更適合在鋁合金車輪鑄造模具上應(yīng)用的焊接技術(shù)和占用空間更小水冷部件。

作者

張建良 王勝輝

保定市立中車輪制造有限公司
河北省高強(qiáng)韌輕量化車輪技術(shù)創(chuàng)新中心

本文轉(zhuǎn)載自：《鑄造雜志》