浅谈铝合金轮圈低压模具设计

范万春

摘 要：本文介绍了低压铝合金轮圈铸造基本原理及其设备，分析了1PCS低压铝合金轮圈的低压铸造工艺，主要讲述了低压模具设计。

关键词：铝合金轮圈；低压模具设计；低压铸造工艺

0 前言

铝合金轮圈为自动车保安零件，其疲劳耐久性能、抗冲击强度必须符合保安要求，另一方面为提高行走性能与节约燃料必须符合轻量化与肉薄化，且必须达到设计优化。对比于钢轮圈，铝合金轮毂降低了非载荷重量而提高了抓地性，表现出更为精确的转想动作和更好的入弯性能；减少了车轮等旋转部位的热惯性，散热性好，改善了加速性和制动性；因为吸收冲击性能量，抗震性高于钢轮；硬度高，减少了过弯时轮胎/轮毂的倾斜度，增加了刚性。此外还具有同心度高、径向端向跳动低、车子乘驾平稳、受力合理、耐腐蚀、造型美观、装配方便和制造周期短等优点。

1 整体式铝合金轮毂的低压铸造优缺点

低压铸造最主要的竞争和取代的制程是重力铸造，其优缺点比较如下：

2 铝合金轮毂低压成品及模具设计要点

2.1 铝合金轮毂低压铸造基本原理及其设备简介

图1是低压铸造设备与原理示意图。压缩空气进入密闭炉内，当压力逐渐升高时，会将铝液往上压，经由升液管、升液过道上升流入模穴内。同时在凝固冷却过程中，压力持续施加在铝液，直到铸件完全凝固后，压力才泄除，在升液通道内未凝固之铝液再回保温炉。一个完整的低压铸造铸程如下所示：

就轮圈铸件本身的组织来比较，其二次树枝状晶间距的分布有明显的差异，如图2所示。从低压铸造与重力铸造铝轮圈不同位置二次树状晶间距分布的差异来分析，两者的凝固方向是不相同的。低压铸造的凝固顺序是：A→B→C→D→E→F，这是因为在低压铸造方案中无冒口的设计，而铝液从中央浇口流入模膛内，并进行补缩，故该处温度最高，最慢凝固所致。相反的，在重力铸造方案中，浇口在侧边，且胎环与中央都设有冒口，所以在A和F的位置模温会最高，凝固最慢，组织当然会最为粗大。因此在考虑两者的制程转换时，必须注意其方向性的凝固的差别，才能确保质量的要求。

2.2 模具设计

（1）浇口面积设计要点。低压铸造方案较其它铸造法单纯，铸件由离浇口最远程开始往浇口处凝固，而产生方向性凝固，为达成此目的，浇口的大小、位置和数量都需考虑。就铝合金轮圈低压铸造来说，浇口的数量及位置有机台决定。

浇口的断面积设计需避免产生扰流，下式为浇口断面积的理论计算公式：

式中 a：浇口最小断面积（cm2）

G：含浇口铸件重量；

t：浇注时间

μ：金属液在某温度时的流动阻力系数，一般为0.3～0.4。

ρ：金属液在该温度时的密度，2.4g/cm3

g：重力加速度

H：液面至铸件顶端的高度，cm

但上式只考虑铸件的充模而未考虑铸件的补缩，因此计算所得到的结果将比实际所需要的断面积小很多，为了考虑浇口系统的补缩作用，可采用断面内接园直径来确定浇口尺寸。

为了有效完成铸件补缩的要求，使铸件产生方向性凝固，必须符合以下条件：升液管上段内径铸件浇口内接园直径铸件最厚断面内接园直径。

（2）模具分型面的确定。模型采用水平分模，分上模、边模和底模三部分。边模与底模分型面选择在离轮圈下端面上偏尺寸R处，以保证轮圈加工时定位准确及夹持。边模为四拆结构，与铸造机台的水平液压缸连接。底模材料采用热作模具钢如H13。上模、边模选用QT600。

（3）模具壁厚的确认。模具厚度一般依据铸件的方向性凝固，在需先凝固的地方模具厚度采用较厚的原则，在需提供补水的通道采用较薄的原则。局部厚度及间隙依据模具热胀系数来设计其间隙，并利用厚度变化来对铸胚局部变形作校正处理，防止漏水。模具的中心部位，铸件壁较厚，为了充分发挥中心浇口的补缩作用，有利于铸件的顺序凝固，希望此处最后凝固。在确定壁厚时，选取较小的壁厚比，即模具壁厚（δm）与铸件壁厚（δc）之比较小，δm/δc=1.5-1.8；而在模具四周轮缘部位，铸件壁较薄，此处铸件应最先凝固，选取较大的壁厚比，即δc=4-4.8。模具的其它部位平滑过渡。模具制作完成后需经过测量核对重要尺寸是否于设计图面吻合。

（4）模具型腔尺寸的确定。铸件的梯度一般依据铸件的方向性凝固，在先凝固的部位铸件较薄，然后按顺序凝固的顺序依次增大，到最后凝固的地方铸件最厚，确认轮圈Rim加工余量时，在对加工部位留正常的余量外，还应考虑铸造时轮圈Rim的顺序冷却，即要求铸件壁厚有一定的渐变度，上（下）部比下（上）部增厚0.5～1mm。根据此轮圈Rim顺序冷却原则对轮圈Rim余量作相应的增加，以保证铸件的顺序冷却。

（5）模具的排气系统设计。低压铸造一般是不设冒口，顶端为封闭，因此模具的排气设计特别重要，常用的排气方式有下列几种：1）在分模面设置排气槽，可迅速排出模穴内的气体而又不会使铝液溢出；2）将方形、六角形或八角型之销打入圆形之孔洞中，达到排气之目的；3）在需要排气处设置透气塞；4）利用各个模具之间隙排气。

（6）冷却系统。冷却系统的设计原则是：首先Rim部位由上往下顺序凝固，随后A面肋部位由外部向中心逐渐冷却；这样铸件冷却时才能保证充分补缩，防止产生缩孔、缩松、夹渣、热裂等缺陷。而Rim铸件厚度一般在7-8.5mm，且Rim部位远离中心浇口，铸件散热快，由模具本身自然冷却即可，但对模具自然散热而言，控制模具铸胚厚度来保证由上往下的顺序凝固。故模具的冷却部位主要集中在A面肋、中心浇口处，而Rim部位则无需冷却系统。

低压铸造生产的缺陷比较多主要有缩孔、水痕、冷隔、气孔、渣孔、拉模等，例铝合金轮毂模具生产的过程中容易拉模咬伤改善，轮毂的设计外观往往由于客户的要求，肋侧的脱模角度比较小，容易在生产过程中拉莫以及模具生产时间久后模具表面擦伤，改善方法：1）设计图面时尽量说服客人，改大肋侧的脱模角度；2）底模的硬度提升；3）底模可以在首批量生产后表面进行氮化处理。

3 发展方向

低压铸造法从被大量使用以来已经30多年了，已确立了铝合金铸件的重要的地位。根据以上内容，可以考虑以下铝合金轮毂铸造技术的课题：（1）底模的冷却方式改善，提高材料强度；（2）生产性的提高（提高控制技术、后处理线的同步化、全自动化生产线的推进）；（3）缩短开发时间；（4）技能的延续（上涂料、铸造条件的调整等）。

参考文献：

[1]潘宪曾，黄乃瑜主编.中国模具工程大典[S].电子工业出版社.

[2]铝合金轮圈技术数据[S].社团法人铝合金协会，2003（03）.

[3]低压铸造技术手册[S].

[4]潘晓涛.汽车铝合金轮毂低压铸造模具设计[S].机电工程技术，2005，34（09）.endprint