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

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，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)備簡單，對工人的技術(shù)要求相對較低、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。鑄造工藝上有時在模具的局部位置使用冷鐵對鑄件進(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，后來對風(fēng)冷進(jìn)行升級，通過增加設(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)，特點是冷卻速度快，激冷效果強(qiáng)，水可循環(huán)使用，無噪聲污染，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。

實踐證明，低壓風(fēng)冷模具在增加壓縮空氣使用量來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。通過分析研究發(fā)現(xiàn)，冷卻效果不佳主要受以下兩個方面的影響：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)度的增幅越來越小；二是由于風(fēng)道管徑限制，壓縮空氣的流量并不能無限增加，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，需更換整個模具部件；間接冷卻貼合部位對導(dǎo)熱性影響很大，甚至需要增加介質(zhì)層來增加導(dǎo)熱性。間接冷卻可通過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冷兩種，面冷的冷卻區(qū)域較大，對模具溫度影響大；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；點冷冷卻區(qū)域小，冷卻位置更精準(zhǔn)，工藝更容易控制；點冷的水冷結(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)宜采用點冷。水道5為上模對應(yīng)輪心厚大部位，由于背面減重窩結(jié)構(gòu)宜采用間接點冷結(jié)構(gòu)。水道6中心部位采用點冷。

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間后會產(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)重的會堵塞管道。經(jīng)過驗證，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，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)計時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)計時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

間接冷卻對貼合面的要求非常高，如貼合效果不好會影響冷卻強(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)層來增強(qiáng)冷卻效果。

3.3 結(jié)構(gòu)和空間

因為需要回水管路，水冷部件的結(jié)構(gòu)較風(fēng)冷部件要復(fù)雜的多，也更占用空間，現(xiàn)有模具空間無法滿足過多水冷部件的裝配。如果要想更大范圍應(yīng)用，需要更加簡單、占用空間小的水冷部件結(jié)構(gòu)，見圖9點冷水冷部件。

圖9 點冷水冷部件

3.4 鑄件飛邊

在使用水冷后模具的溫度變化范圍加大，模具的收縮量也會發(fā)生變化，鑄件產(chǎn)生飛邊的幾率也會比普通風(fēng)/水霧冷模具要大。在設(shè)計時必須重新計算各部位配合間隙，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

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

圖10 模具結(jié)構(gòu)方案

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

邊模共設(shè)計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)工藝對比

經(jīng)對比發(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)性能對比

4.3 效益分析

預(yù)計采用水冷模具結(jié)構(gòu)后平均生產(chǎn)效率可提升15%，每100萬產(chǎn)能可提升15萬件，按提升產(chǎn)能收益30元/件，可提升收益30×150 000=450萬元。

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100萬產(chǎn)能可降低壓縮空氣采購成本1.5×25×1 000 000=3750萬元。

并且采用水冷結(jié)構(gòu)后，生產(chǎn)現(xiàn)場周圍噪音明顯下降，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)中確實發(fā)現(xiàn)有一些輪型不適用全水冷，工藝無法穩(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》