佛山市南海奔达模具有限公司528234
摘要：铸造铝合金轮毂的内部质量及力学性能，与铸造模具的冷却方式有着密切的联系，相同的模具结构，使用不能的冷却方案，得到的结果往往相差很远，然而低压铸造件的质量受到很多因素的影响，如生产环境、工艺参数、模具结构及人工操作等因素，任何一个环节设计不合理或操作不当都有可能导致低压铸造件产生缺陷，模具设计尤为重要。
关键词：铸造模具；设计；铝合金轮毂
前言：中国大陆地区铝合金轮毂的制造技术是多种多样的，目前主要采用的方式有金属型重力铸造、金属型低压铸造、锻旋三种生产工艺。由于使用金属型重力铸造方式生产铝合金轮毂，铸造投资少、生产周期短而被普遍采用，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，而铸件的内部质量及力学性能，与铸造模具的冷却方式有着密切的联系，铝合金汽车轮毂通常用压铸模具（即常说轮毂模具）生产。相应轮毂模具的加工，应充分考虑铝合金汽车轮毂的产品特点，进行合理的加工刀路设置，保证模具表面精度及尺寸精度。同时采用优化的NC程序提高模具的加工质量，缩短现场加工时间，提高设备利用率，减少刀具、机床的磨损。
一、低压铸造模具结构
铝合金轮毂低压铸造的模具结构，它主要有上模、下模和4个侧模组成所要求的型腔。上模和下模分别固定在上模板和下模板上，四个侧模分别连接在侧模油缸上，下模板用螺钉紧固在铸造机台上，上模板经过油缸在导柱上实施开启及闭合，侧模在油缸的作用下沿导向键方向实现开启及闭合。
二、铝合金轮毂设计
（一）、轮毂相关的装配
轮毂的设计要根据装配的车型风格来设计，相应的轮毂造型供客户选择确定，还要考虑到装车时轮胎与轮毂的装配情况。设计过程中要准确把握轮毂各个装配之间的关系，否则将会发生装车干涉，或无法装车。
（二）、轮辋的设计
轮辋俗称轮圈，是车轮周边安装轮胎的部件。轮辋规格代号，其名义宽度和名义直径用英寸表示。轮辋分为正向轮辋和反向轮辋。轮辋的选用主要根据车轮的形状、轮缘深度、装车情况等参数来确定。
（三）、中间毂部分的设计
1、安装盘直径设计
安装面为车轮与车轴之间的连接面，安装盘直径的设计要考虑两个连接面之间的配合问题。设计时应使车轮的安装盘直径比车轴上的连接面小一点。
2、安装盘平面度设计
考虑安装面的防松和螺栓的受力情况，安装面无螺栓孔沉孔结构时，安装面平面应向内凹，一般分三种情况设计：（1）安装面的平面度不超过0.1mm，且不凸出；（2）从安装面边缘向中心孔内凹0.2°的斜面，或从安装面边缘到中心孔倒角内凹（0.13~0.38）mm；（3）安装面加一防松槽，深度0.5mm。
三、模具设计的主要参数
3.1模具材料
铝液温度一般在680～730°C的范围内。模具温度在低压铸造时更显得重要。从方向性凝固的观点来看模温分布是从浇口往上型方向变低，一般而言浇口480～520°C，下模400～450°C，侧模350～400°C，上模250～350°C。模具材质选择热作模具钢且现在模具的寿命要求在2.5万件/套，下模是整个产品造型保证的基本，热处理要求：先细化晶粒，再调质处理，硬度HRC44-46，上模热处理要求：调质处理，硬度HRC28-32，通常上下模具选择H13，侧模基本为毛坯面需要最终精加工，硬度HB=241-286，故大多选择35CrMo。
H13是热作模具钢，执行标准GB/T1299—2000。统一数字代号T20502；牌号4Cr5MoSiV1；合金工具钢简称合工钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种。H13模具钢用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模；铝、铜及其合金压铸模。系引进美国的H13空淬硬化热作模具钢。其性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同，但因其钒含量高一些，故中温（600度）性能比4Cr5MoSiV钢要好，是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号。
35CrMo合金结构钢执行标准：GB/T3077-1999，35CrMo合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃；冷变形时塑性中等，焊接性差。
3.2拔模斜度
铝液在模具中凝固成铸件，冷却后紧包在模具上。为了保证产品从下模脱离而不会损伤表面造型，下模的拔模斜度最小保证7°以上，铸件随上模带起以后需要在顶料系统的作用下脱离上模，最小的拔模斜度保证7°以上。
3.2保证铝液流通通道和排气
低压铸造是铝液通过压力由浇口位置流向轮辋，再由轮辋向浇口实现顺序凝固，由于充型过程中会存在铝液温度的损失铝液会凝固，若是铸造通道设计的不合理就会在轮辋部位和轮辋与辐条交接位置产生缺陷。在设计时要保证浇道位置和横浇道位置有足够的横截面积，以保证实现顺序凝固不会存在内部缺陷。细辐条比较窄横截面积小，轮辋与辐条交接位置会产生缩松，为保证产品质量，在大辐条和小辐条中间的窗口位置加一个封层（增大毛坯加工余量）增大铝液通道。
模具的排气系统包括上模的排气塞和排气线设计，边模的排气线设计。排气系统使模具在低压条件下保证内部压力梯度和在上下模和侧模闭合后，铝液通过压力流入型腔过程空气排出，是铝液充填顺畅的关键部分及避免出现气孔和欠铸现象。
3.4模具的冷却系统
冷却系统使模具在铸造生产过程中保证模具工作状态时达到合理的蓄热量和顺序凝固从而保证铸件达到产品图样的冶金要求。包括上模，下模和侧模中的冷却设计，目前冷却方式为风冷，水冷，水雾冷却。目前大多工厂使用风冷方式，但是模具在现场铸造生产过程中，因轮毂铸件安装盘位置比较厚，在冷却过程中，会形成很大的热节。为了提高现有模具生产效率，轮盘位置冷却强度，部分工厂开始研发水雾冷却新结构模具。水雾冷却结构各项指标，能达到模具现场铸造使用要求，其连续生产的稳定性和有益效果。轮毂铸件安装盘位置的水雾急速高强度冷却，使合金溶液快速凝固提高了铸件轮盘凝结组织致密性，材料延伸率提高2%～3%。为提升产品综合物理性能，实现产品轻量化作技术准备。
3.5模具的配合间隙
如何保证模具的使用性能是自模具设计开始之初就必须考虑的问题之一，因此与模具使用相关的部件配合公差关系、导向机构、顶出机构等的设计是够合理，模具加工是够保证尺寸和公差要求非常关键。因此模具各部件之间的间隙要适当，过小则因装配误差而相碰或咬住；过大则合铝液通过间隙喷出，造成事故；或者在间隙中产生纵向毛边，减小加压效果，阻碍卸料。在模具设计时应充分考虑到模具材料的热膨胀，例如H13的热膨胀系数为6‰，在设计上下模配合间隙时通常冷模合模后修正模具保证上下模间有0.3mm的间隙保证在热状态下不会产生毛边。在设计模具的导向机构是要根据模具使用厂家的设备情况，若是设备老化严重会影响精度就会下降，导向机构配合间隙过小会是导柱拉伤影响模具的运作，在设计时应加大配合间隙。
四、轮毂结构的优化
对于轮毂结构的优化，随着科学技术的发展，优化方法在不断的提升。
有限元方法是在优化分析中最常用的一种方法，有限元方法不仅能解决大多数的结构问题，而且能够应用于偏微分方程问题。我国对于轮毂结构的优化研究也取得了突破性的成功，自主研发出结构优化软件，为国内轮毂设计的优化做出不可磨灭的贡献。如，哈尔滨工业大学，在轮毂优化程序中建立数学模型，以控制轮辐半径和圆心角，并将优化结果输入有限元程序进行应力分析，根据分析数据进行数据优化，大幅改善了轮毂结构的受力状况。
因此，轮毂的结构优化设计随着科技研究的进步也在发生相应的改变。通过有限元方法对轮毂进行受力分析，从而判断出结构是否合理，结构如何改善。在国内，铝合金轮毂主要通过低压铸造来完成生产，也有部分生产厂家运用锻造的方法，面对这两种不同的生产方法，轮毂结构的设计也随之发生改变，此时，有限元分析法尤显重要。
如今，一体化技术盛为流行，“一体化”是指有限元分析技术、计算机辅助技术与三维造型技术相结合结构设计方法与加工方法。在这一大背景下，对轮毂结构进行改造升级、结构优化，从而保证轮毂的使用性能、美观程度都能达到时代的要求。
总而言之，铝合金材料本身相对于其他材料而言就有自身不可替代的优势，质轻、抗压、美观，而我国又是铝合金生产大国，对铝合金汽车轮毂的进一步优化将对我国的铝合金市场提供更大的需求。因此，铝合金轮毂在结构优化升级中省去了不少复杂工序，运用目前的有限元分析法可以对铝合金轮毂进行有效分析，并对其外观、尺寸等进行改造。
结束语
对于轮毂的设计要求切不可马虎，必须严格按照标准，并根据实际试验结果进行优化改造。然而，虽然目前我国的铝合金市场饱和，能够为铝合金轮毂的生产提供充分的原材料，但是，我国的设计与优化技术与国外相比，仍存在一定的差距。因此，在日后的研究中，分析实际生产过程中存在的问题点，不断的改进，根据不同轮毂制造厂家的特点设计出更适合现场生产的模具是今后的努力方向。
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