近十年来, 我国已经成为世界上铝合金车轮的主要生产国。金属型重力铸造投资少、生产周期短而被普遍采用[1]。在铝合金轮毂的制造过程中, 轮毂质量基本上决定于轮毂铸件毛坯的质量。尤其网状铝合金轮毂由于铸造毛坯的缺陷引起的T部漏气已成为众多厂商面临的一致难题, 如图1所示。为了保证轮毂T部位不漏气, 这就需要分析轮毂铸造生产过程, 找出产生缺陷的原因, 并采取措施予以改善。
1 重力铸造轮毂的工艺现状
1.1 同时凝固工艺方案
采用同时凝固工艺方案, 由于重力铸造过程中中央冒口的补缩能力有限, 分流锥吹水时间提前, 所以其成型时间较短。对于T部漏气问题, 通常采用侧模吹风和底模保温方法解决。
1.2 顺序凝固工艺方案
采用该方案, 由于中央冒口有较大的补缩能力与补缩时间, 因此成型时间及下模、分流锥吹水时间和间隔与方案1均有明显区别, 对于T部漏气问题, 本方案倾向于加大轮网铸造梯度或车铸造工艺槽等方式,并在底模相应热节对应处加大冷却来处理。
1.3 混合工艺方案
采用混合工艺方案的重力铸造一般是侧模与上模均采取保温形式, 而下模采用比上述两方案都要大的冷却方式, 其成型时间等现场工艺介于两者之间。
上述几种方案中, 解决T部漏气问题都是基于实际操作的部分验证, 均没有清晰、具体的理论指导。
2 CAE试验与重力铸造模具的改进
如图2所示, 实际铸造生产中, 网状轮毂T部漏气率非常高是各厂商非常棘手的问题。运用铸造CAE技术作为理论指导, 找出缺陷产生的真实原因, 是网状轮毂模具进行技术改造的基础。
2.1 网状轮毂原始生产状况CAE分析
图3所示为上海明歧铝业有限公司网状轮毂的铸造工艺方案CAE分析图, 该公司倾向同时凝固工艺方案,试验方案采用与实际生产一致的工艺方案, 图中温度为525~600 ℃, 黄色区域( 温度为575 ℃以上) 为可补缩区域。
图3中的CAE分析结果显示, 由于网状轮毂主要成型面均位于下型, 加之轮毂筋条细长导致快速冷却, 使T部产生较大的热节[2], 而且热节位置比较靠上, 正是这种影响导致T部得不到有效补缩从而漏气, 中央冒口对热节的补缩于35 s停止; 轮毂良好的铸造性能需要在整个轮毂凝固过程中从热节部到中央冒口以及轮网自下而上有一个非常良好的凝固顺序, 而由于热节部上移,干扰了轮网自下而上的补缩顺序, 只要消除或减小热节对凝固顺序的影响就可以改善网状轮毂的铸造质量。
2.2 铸造模具的改进方案
消除热节对凝固顺序的影响有很多方法, 理论上冷却热节最佳方式是采用在热节处加热传导率较大的镶块, 并在镶块内加水冷却的定点定量方式, 而现实重力铸造受成本及模具结构的影响, 一般采用吹风冷却侧、下模各相应热节部位, 吹风的特点是冷却量及冷却速度较小, 对模具的冷却点不精确, 且对热节邻近部位有影响。水冷的特点是冷却量和冷却速度大,但很难做到点对点的冷却控制, 在实际生产中不常采用。综合分析, 我们认为对网状轮毂重力铸造模具采用以下改进方案为宜。
( 1) 由于型腔均集中于下模, 所以要重点对下模进行温度控制, 即针对网状轮毂, 应采用下模保温措施以尽量减少型腔的散热, 从而使热节减小并有所下移。
( 2) 侧模采用风冷措施, 位置尽量靠近T部, 在上模筋条转角处加装冷铁[1], 实现自上而下温度由高到低的梯度变化, 保证从上到下的补缩顺序。装配简图如图4所示。
3 模具改进后网状铝合金轮毂铸造CAE验证
改进模具后, 网状轮毂的CAE分析结果如图5所示。由上述CAE分析图可看出, 由于上、侧模的冷却作用, 已基本消除了热节对T部的影响, 使T部完全可以得到轮网上端对它的补缩, 而筋条也在42 s左右结束对热节的补缩, 此时热节的大小影响已经可以忽略不计。
4 生产验证
以上海明歧铝业制造有限公司型号MA909-16X6.5轮毂为例, 把实际生产中的一套模具按照新的工艺方案进行改进, 改进前后早、中、夜三班生产, 每班生产量为80件, 统计出7天内产品的漏气率对比, 如表1所示。可见, 模具改进后, 轮毂的漏气率大大降低。
5 小结
模具改进前, 网状轮毂因铸造缺陷引起的T部漏气率高达30%~40%, 生产中还需要采用其他工艺措施弥补。通过对铝合金网状轮毂铸造的CAE分析, 找出了T部漏气的原因, 对网状轮毂重力铸造模具进行了改进, 并经过规模生产验证, 使因铸造缺陷引起的T部漏气率减少到了8%左右, 降低了轮毂后序生产的工艺成本, 有效地改善了铝合金网状轮毂的质量。
