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摘要:铝合金轮毂行业已进入微利时代，促使轮毂行业探寻节能减耗的发展之路。通过优化轮辋部位的加工余量以及模具钢厚度，减少了毛坯的质量，提高了金属利用率，降低了能源消耗及原材料的生产成本。
关键词:金属利用率;节能降耗;梯度;顺序凝固
0引言
铸造和模锻是铝合金轮毂制造中常用的两种方法，其中低压铸造生产的轮毂又占多数。低压铸造与传统的铸造工艺如压力铸造、金属型铸造、熔模铸造等工艺相比，低压铸造更容易实现自动化并且材料的利用率更高。铝合金轮毂的低压铸造技术正因为它的操作简便、自动化程度高、所生产的零件质量较高的特点，而受到了广泛地开发与应用。它对铸型的要求低，同时可以满足在多种铸型中使用，在气体压力下调节金属液体的充型过程使得充型过程中能够相对稳定，产生的缺陷也较少［1］。随着世界对环保节能重视程度的不断提升，以及制造企业进入微利时代，促使轮毂行业探寻节能减耗的发展之路。其中提高生产过程中的金属利用率成为重要的一种方法。金属利用率就是加工后的轮毂质量与初期毛坯质量的比值，成品轮毂质量是一定的，只能通过降低初期毛坯的质量来提高此数值。初始原材料用量少了，代表着生产过程中的能源、加工成本、人工成本等都会降低，效益就会提升。现在大部分的轮毂厂平均的金属利用率在63%～65%左右，有25%左右的切削加工余量。
1模具基本设计
合理的模具设计是取得高效率和高效益最重要的一环。低压模具在设计时，模具的梯度、模具钢的厚度、冷却系统的设计等都是关键，合理配置后，才能达到事半功倍的效果［2］。
(1)模具的梯度
模具的梯度是指模具轮辋型腔部分自上而下由薄增厚的趋势，这种趋势要符合顺序凝固的基本要求。轮毂凝固时由远离浇口的内轮缘部分开始，逐渐地向轮辋、轮辐、中心部位凝固，顺序凝固起到补缩的作用，减少缩松、缩孔等缺陷。在保证顺序凝固的基础上，轮辋的厚度要尽可能地减少，这样可以减少毛坯的质量，提高金属的利用率，减少原材料使用、能源消耗以及减少加工过程中铝屑的产生，同时加工量的减少也相对地提高了刀具的寿命，一举多得。
(2)模具钢的厚度
模具钢厚度是模具设计的关键之一。在冲型阶段中模具钢会吸热，铝液温度降低散热，由于钢的热传导能力较强，铝液与模具接触的表面凝固较快，组织致密，性能较好，此时模具钢厚点对冷却有好处。当铝液温度与模具钢温度达到一致后，进入使用冷却介质对流辐射散热阶段，此时模具钢越厚散热越慢，生产效率降低，产品性能会有一定的弱化，此时模具钢薄些对产品有好处。从以上看出，在产品冲型和冷却的阶段中，模具钢厚度的要求处于2个不同的方向，因此设计出合理的模具钢厚度，才既满足产品性能要求又满足节拍生产的需求。
(3)模具的冷却系统
模具的冷却系统经历了风冷、水雾逐渐向水冷发展。现在单纯风冷已经不能满足生产节拍的需要，为了提高节拍产量，水冷已经是主流的发展方向。但是实际生产过程中，模具钢受到激烈的温度变化，非常容易破裂，这已经成为水冷推广的拦路虎。
2产品选择及方案规划
经过对某公司模具设计资料的统计分析，轮辐部分的设计余量基本在1.5～2mm，法兰部位设计余量在2～3mm，轮辋部位的设计余量在5～7mm，轮辐和法兰部分设计余量已经较少且该部位整体占比也较少，改进的余地不大。轮辋部位余量大占比也大，成为改进的重点部位。经过计算，轮辋部位每减少1mm余量，平均毛坯质量减少约500g。提高产品金属利用率，可以转化为两个基本前提:(1)减少轮辋部位的切削余量，如果能设计为0梯度最好，即毛坯上下加工余量一致;(2)保证轮辋部位的顺序凝固。这两个前提是一个整体，不能单独拆分。轮辋余量减少代表的是顺序凝固难度增加，特别是在轮辋自身没有冷却梯度的0梯度设计时，此时如何保证轮辋部位能够顺序凝固是设计的关键点，一般是通过在轮辋上端部位设计冷却通道、改变模具钢的厚度及梯度来保证。经过对该公司现有产品金属利用率、产品结构、生产过程稳定性等分析，从中选出一款产品作为优化对象。选择产品的基本数据:产品规格40.64cm×16.51cm，产品质量9.6kg，毛坯质量14.285kg，金属利用率67.2%，轮辋加工余量约6.1mm。经过模具工程师设计调整、铸造工程师用ProCAST软件模拟生产过程，在多次优化调整后，最终通过减薄钢模具厚度、调整模具钢梯度、设计边模水冷满足了产品的轮辋的顺序凝固要求。此时的轮辋加工余量由原先的6.1mm减少到4mm，整个轮辋设计为0梯度。
3生产验证
新模具委托昆山某模具厂制作，进厂后按正常程序做进货检验。在实际生产前做了整体的生产策划，包括调整铸造机械手夹持位置，由轮辋中部改到轮井部位以便减少轮辋夹持变形，整个生产过程中全部单独运输、收集各过程产生的废品数据、异常品资料等。初次生产63只毛坯，合格品48只，成品率为76.19%，主要废品为轮辐缩松，如图4所示。应用ProCAST软件模拟多循环生产，轮辐根部会逐渐地产生缺陷，如图5所示。通过优化冷却参数及调整边模保温后再次生产，成品率达到了97.03%，满足批量生产要求。优化后毛坯质量为13.315kg，比优化前质量减少0.97kg，金属利用率提高到72.1%，该模具已批量生产，生产过程稳定。
4结论
随着全国铝合金轮毂产能的不断提高，客户的选择越来越多，要求也越来越严格，轮毂厂的效益逐渐降低，节能减耗成为降低成本的关键手段之一。在满足产品质量及生产效率的前提下，通过降低毛坯质量的方式来减少生产成本是一种简单可行、见效快的方案。
参考文献:
［1］聂伟钢．低压铸造铝合金轮毂的数值模拟与工艺优化［D］．秦皇岛:燕山大学，2014．
［2］亢彦海．汽车用铸造铝合金轮毂低压模具的设计［J］．现代零部件，2011(10):70－73.
作者:李玉升 单位:滨州盟威戴卡轮毂有限公司
