某异形轮毂冷却系统优化过程浅谈
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摘要：本文对某低压铸造轮毂的模具进行优化，主要是针对冷却系统进行优化，以适应该轮毂的正面造型及辐条结构特征，从而对具有异形辐条结构的铸造方式进行探索和总结。
关键词：轮毂：低压模具结构优化；水冷
前言
2018年，全国狭义乘用车销量为2235万辆，同比下降5.8%，打破了中国乘用车市场销量26年来的上升趋势，并开启了长达数年的汽车市场“至暗时刻”，上下游产业链动荡加剧，内卷严重。而轮毂作为汽车上重要的外观件和安全件，在产业链动荡中看似稳如泰山的地位，加大了投资人对轮毂行业的投资热情，导致现在产能严重过剩。作为安全件，我们要保证轮毂的结构强度，作为外观件，我们也要保证轮毂的造型美观。同时20年国家放开了汽车轮毂的改装政策，允许进行同规格轮毂的个性化改装，激活了国内轮毂的汽车后市场。这使得轮毂的造型更加的多样化，增加了铸造难度。而轮毂的结构强度和涂装质量，都深受铸造质量的影响，而模具设计的好坏，更是直接影响铸造的成型质量和效率。
1低压铸造原理简介
汽车轮毂主要分为钢制轮毂和铝制轮毂。相较于钢制轮毂，铝轮毂所具有的轻量化、美观、良好的减震性和散热性等优点，再加上国内汽车市场内卷加剧，使得铝轮毂逐渐成为主流。目前就乘用车市场而言，仅小部分车型的低配款采用钢制轮毂，其余多数采用铝合金铸造或锻造轮毂。而铝合金轮毂制造工艺中，最主流的生产工艺便是低压铸造工艺。其将经过干燥的压缩空气以一定的压力作用在密封的保温炉中A356.2铝液液面上，使铝液以一定的流速和流量沿升液管自下而上通过浇注系统充满型腔。型腔中铝液与模具进行热交换，在一定压力下由上而下地顺序结晶凝固到升液管处卸压，浇口杯中的少量铝液和升液管中的铝液靠重力作用回流到保温炉中。其基本原理如图1所示。低压铸造轮毂，由于铝液是在压力下凝固，故逐渐组织细密，机械性能好，且具有较高的延伸性。
2低压铸造模具结构
根据低压铸造原理进行设计的轮毂模具结构如图2所示。铝液在20～60KPa的压力作用下，通过下模中心的升液管和浇口杯进入到模具型腔进行充型，浇口同时起到帽口作用。模具上下模在轮毂辐条背腔线处进行分型和上下模定位。外侧轮辋则分为四块等分的边模，合模时四块边模紧抱住上下模，最终形成封闭的型腔。其中下模的浇口杯和升液管与下模分离，一是易损件为了方便更换，二则是防止升液管中铝液温度散失过快，二者均采用陶瓷材料。上模中分流锥顶底部分离，分流锥底部采用普通H13钢，头部采用钨钢，以提升分流锥的耐腐蚀性，增加使用寿命。
3轮毂模具冷却系统
汽车轮毂的低压模具结构，经过几十年的发展，已经基本定型了。其浇注系统、排气系统和顶出系统都形成了比较固定的形式。只有冷却形式一直在变，由最初的全风冷，到局部水冷甚至全水冷或者水雾混合，各个成型厂都在摸索着适合自己工厂的冷却工艺。通过长期的经验积累，我们发现，对轮毂模具冷却方式影响最大的便是辐条的结构。而其结构又直接影响着轮毂的正面造型。正是由于各式各样的轮毂造型，导致了轮毂模具的冷却方式也是五花八门。本文通过对某特殊造型的轮毂模具冷却系统优化过程的描述，来浅谈一下冷却系统对成型质量和效率的影响。
4冷却系统优化
该轮毂配套某型号汽车高配车型，尺寸规格为18x7.5J，即高18英寸，宽7.5英寸，采用5°深槽轮辋，外观为黑色全涂装后正面精车，具体造型如图3所示。其正面造型由一大两小共15根辐条构成，如果将一大两小辐条看做同一辐条部分，则为传统的五孔五辐条造型。而传统五辐条造型，五根辐条宽大均匀，是非常好的铝液通道和轮辋补缩通道，冷却系统非常简单，采用全风冷结构，如图4所示。底模螺栓孔处采用整圈风管B1，然后到辐条与轮辋的R角处，依次分布B2-B5四圈风管。然后上模从轮盘中心处治辐条R角处，依次分布T1-T6六根风管，与底模对应。在边模上，辐条R角处热节的冷却效果直接影响轮毂的铸造质量，所以也需要在此处设置冷却风管。在铸造X光检查站，出现最多的缺陷便是辐条此处R角不良，主要是冷却不到位导致缩松。同样但对于变种的该轮毂而言，其一大两小辐条的冷却方式便是该模具设计的难点。首先我们来看三根辐条的截面形状，如图5所示。从图中我们可以明显看出，大辐条的截面积明显大于两个小幅条。如果在同一位置采用整圈风冷，则会出现小幅条率先凝固，则达不到从内轮缘由上往下并由外往内的顺序凝固要求，而且还会堵塞轮辋的补缩通道，造成轮辋浇不足和辐条疏松。针对这个辐条结构的具体情况，我们在冷却系统方面做出了以下优化。在辐条冷却的环形风管上，保留小幅条上的风管，但提前进行堵塞，使其上机之处小幅条冷却风管不出风，专冷大辐条，如图6所示。后续根据上机的具体情况，决定小幅条出风量的大小。同时对小幅条的窗口面进行随型挖槽，壁厚比模具壁厚小2mm，并增加保温棉，用以保证小幅条处有足够的模温，延长其凝固时间。如图7所示。图6图7最后是将边模的冷却形式由风冷改为水冷。相较于风冷，水冷属于急速冷却，其冷却速度快，噪声小，冷却效果也好，并能有效降低冷却时间，提升生产效率。但对于该轮毂特殊的辐条造型，我们在风冷改水冷上也比较纠结。因为是一大两小的特殊结构，在大辐条上用水冷是没有问题的。但在小幅条上加水冷，很可能会使本就脆弱的冷却通道提前凝固，使铝液无法顺序凝固。但在铸造工艺上，考虑到底模小幅条处铝液的流动性，我们在原则上默认底模B5风冷不开，B4视具体情况决定。这样就能保证底模模温，防止小幅条过早凝固。这就要求边模的冷却效果要更好，以弥补底模B5风管关闭的不足，这种情况下采用边模水冷是比较好的方式。针对边模水冷，我们采用边模整圈水冷，增加一个环形的水冷镶件，然后在小幅条和辐条间窗口面增加隔热槽，以保证冷却效果重点作用在大辐条上。同时环形水冷能保证边模整圈有一个比较均匀且略低的温度。如图8所示。模具回厂后，开始首次上机试模。经过不断调整工艺，达到了首件合格的工艺要求，即轮毂各部位X光检测符合产品标准，产品标准图9。但很遗憾没有到达首件全部位零缺陷的理想状态，在辐条与轮辋交接的R处，仍然存在一些三级一下的缩松和渣孔，如图10。其初版工艺参数如下，充型时间38s，保压时间150s，卸压40s，总工时238s，采用三段充型，充型压力最大850mbar。此次模具上机之初，我们将上下边模的风冷管道全部开启，结果导致小幅条凝固过早，补缩不及时，出现了浇不足和较大缩松。为了避免小幅条过早凝固，在后期我们关闭了T5和B5风管，使辐条与轮辋连接的R角处全靠边模风管冷却，并调低了下模B4风管的出风量，才最终达到首件合格。之后我们连续生产了60件，以验证该工艺参数的稳定性。经过自动X光机全检，该批次轮铸造缺陷全部等级全部符合产品标准。之后产品经过机加工和半成品涂装，然后对涂装半品精车正面，再喷透明粉完成产品下线。在终检成品下线时，我们发现精车后的小幅条正面存在批量的密集针孔，影响了整个正面造型。分析其原因，是在关闭上下模T5和B5风管之后，下模小幅条位置过热，虽然增加了铝液的流动性并减缓了凝固过程，但也导致了小幅条密集的小针孔。还未精车前仅凭X光很难发现。针对小幅条正面精车后密集针孔的问题，我们在模具和工艺上做了以下调整。取消B4和B5两个风管的整圈全辐条冷却形式，改为做四根整圈风管，分别对大辐条和小幅条进行冷却，即改为B4，B5，B6，B7。这样在调机时，针对大辐条冷却的B4和B6，可以按正常风流量走，而小幅条的B5和B7风，则可以根据实际情况调节出风量，使小幅条不至于过热也不至于过早凝固。具体如图11所示。上机试制之后，我们发现小幅条的铸造缺陷有明显改善，基本达到了零缺陷，在辐条R角处的缩松基本消失了。在精车之后，小幅条处的密集针孔问题也得到了解决。
5总结
对于这种同时具有大小辐条且小幅条还要精车正面的异形轮毂结构，其铸造难点就在于对小幅条的冷却的控制。过冷会造成补缩通道堵塞，过热会使精车后出现密集针孔。针对这种情况，我们采用大小幅条分开冷却的形式，在保证大辐条冷却效果的基础下，动态调节小幅条的冷却时间和出风量，重点关注小幅条的铸造质量。但这也会造成一些问题，一是下模增加了两圈风管，且与原有风管的位置很接近，这对钳工装配时增加了难度。再就是小幅条出风量的动态调整，再自动X光全检的情况下，需要增加手动X光的抽检频率。另外对于这次模具优化过程中的一些不足也做一下总结。一是本次优化过程主要依据的是资深铸造工程师的自身经验，没有很好的结合模流软件进行CAE分析，进行设计—分析—再设计的过程。这也是CAE分析―本厂化‖过程做得还不够好，我们需要结合成型厂自身的实际情况和技术经验，通过与计算机辅助技术的不断磨合，形成具有本厂特色的经验值，这样才能使CAE结果更准确，在铸造工艺参数的确定中发挥更多的作用。再就是我们的生产工时并没有得到提升。这次优化虽然使铸件质量得到了提升，但在生产效率方面却没有明显的改善。我们也计划在该产品以后新开的模具中，对上下模增加水冷却结构，以提升生产效率，这需要在后续进行持续改善。
参考文献
[1]邱孟书，王小平.《低压铸造实用技术》机械工业出版社.2011
[2]潘晓涛，贺伯平，阳林，邓超权.《汽车铝合金轮毂低压铸造模具设计》
[3]赵丽红.《低压铸造铝合金轮毂铸型壁厚与铸件壁厚的关系》
作者:蒋勤 单位:重庆戴卡捷力轮毂制造有限公司
