汽车铝合金轮毂重力加压铸造的探讨_刘宏磊
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1 国内同行在汽车铝合金轮毂铸造方面创新与尝试
目前，虽然我国与汽车轻量化相适应的材料加 工成形技术，在理论研究和实际应用方面与国外发 达国家相比均有较大差巨，但作为轻量化将永远是 汽车铸件不变的趋势［３］。随着科学技术和国民经济 的发展，各行各业都对铸造生产提出新的更高要 求，如高质量、轻量化、节能环保、绿色生产、少切削 与无切削，以及节约原材料，降低成本等，这都对有 色合金铸造，针对不同产品零件要求采用不同的铸 造方法，带来了有利的发展空间［４］。汽车铝合金轮毂 行业的铸造也不例外，像重庆捷力轮毂制造有限公 司为本田公司制造采用重力铸造，加复杂砂芯的中 空高端性能铝轮毂，其外观十分精美［４］。其利用中空 造型有效的降低了轮毂的重量，也算是技术上的创 新与尝试。中信戴卡曾昭军与北航的杨波等也对铝 合金轮毂低压铸造充型 和凝固过程的精确控制进 行过研究，其利用工艺方法实现轮毂的轻量化，其 利用轮辐厚度 ８ ｍｍ 的轮毂进行研究，可以通过工 艺的方法满足内部质量和综合力学性能的要求［５］。 苏州三基铸造装备股份有限公司研发了汽车铝合 金轮毂挤压铸造设备和产品，其用挤压铸造生产的 铝轮具有接近锻造的高力学性能，又类似压铸的生 产率［６］。清华大学张辉等也以铝合金轮轮毂生产为 背景，利用有限差分原理开发适应于复杂工艺的凝 固模拟软件［７］。
6 汽车铝合金轮毂重力加压铸造可行性及控制难点
6.1 汽车铝合金轮毂重力加压铸造可行性分析 汽车铝合金轮毂重力加压铸造是在低压铸造
设备和模具的基础上进行的改造和优化，结合汽车 铝合金轮毂金属型重力铸造中心浇注的方式优化 设计其浇注系统。根据低压铸造铝合金轮毂的浇注 特点，即合金液由铸型的中心由下而上地充型和进 行补缩，决定了浇注后铝液在型腔中必须形成由型 腔顶端到浇口杯的递增温度梯度和由上轮缘到浇 口杯的顺序凝固方式［８］。汽车铝合金轮毂重力加压 铸造没在完全改变其浇注方式，只是合金液由铸型 的中心由下而上地充型改为由铸型的中心由下而 上地充型，完全适应低压铸造的充型和凝固方式。 在凝固加压系统中，借鉴全立式压铸机的加压凝固 方式，将压射冲头优化设计为加压活塞，其操作平 稳的特点同样适用［９］。其他冷却系统、顶出机构完全 应用低压铸造方式。重力加压铸造的方式与相关设 备制造商进行探讨完全可行，因此，此种重力加压 铸造在汽车铝合金轮毂行业应用具备可行性。 6.2 汽车铝合金轮毂重力加压铸造控制难点
2 重力加压铸造名词解释
重力加压铸造是指在重力作用下，液体金属充 填金属型腔，随后液体金属在压力作用下完成凝固 过程而获得铸件的一种铸造方法。由于其在重力作 下充型，压力作用下凝固，是重力与压力铸造相结 合的铸造方法，故笔者称其为“重力加压铸造”。
3 重力加压铸设备结构
重力加压铸造设备结构简图如图 １ 所示。
文献标识码：A
文章编号：1674-6694（2013）02-0039-03
Discussion about Gravity and Pressure Casting for the production of Auto Aluminum Wheels
LIU Hong-lei１，２，ZHAO Zhi-qiang２，TAN Xue-ju２，LIU Hong-feng３
模具及管道安装连接好后，边模油缸将边模推 进，活动台板连同顶模下移，底模、边模、顶模围成 型腔如图 ２。按照铸件设计重量将铝液通过模具中 心浇注，当浇注完成后加压气缸按工艺设定的压 力、速度、限位及保压时间进行加压。加压后按工艺 时间及流量开启顶、底模冷却气系统，使轮毂毛坯 铸件在压力作用下顺序凝固。当轮毂毛坯铸件完全 凝固后，边模油缸将边模拉开，活动台板连同顶模 上移，顶出机构连同加压气缸一起将轮毂毛坯铸件 顶出，完成一个铸造循环。当然该铸造过程也是在 工控机及 ＰＬＣ 程序控制下自动完成的。
（1.CITIC DICASTAL Group，Qinhuangdao DICASTAL-XINGLONG Wheel Manufacturing Co.，Ltd.，Qinhuangdao Hebei 066004，China； 2.CITIC DICASTAL Co.，Ltd.，Qinhuangdao Hebei 066004，China； 3.Cangzhou Dahua TDI Co.，Ltd.，Cangzhou Hebei 061000，China ）
Key words：aluminum wheels，gravity and pressure cast
汽车铝合金轮毂的铸造最早可追溯至 ２０ 世纪 ２０ 年代，当时欧洲的一些赛车手为了减轻车重，用 砂型铸造的方法生产铝合金轮毂，用于运动赛车 上。经过几十年的发展，铝合金轮毂已得到广泛应 用。其铸造方法也有多种，就铸造铝合金轮毂而言， 国外报到过的制造方法有：重力铸造、低压铸造、液 态挤压、反压铸造、离心铸造、真空压铸、半固态铸 造等。其中应用最为普遍的主要有金属型重力铸 造、低压铸造、差压铸造以及挤压铸造。重力铸造的
2013 年第 2 期 22001133 年年第 24期月
铸造设备与工艺
FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGY
铸造Ap设r.2备01与3 工№艺2
·应用研究·
汽车铝合金轮毂重力加压铸造的探讨
刘宏磊 1，2，赵志强 2，谭学菊 2，刘宏峰 3 （1.中信戴卡集团 秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司，河北 秦皇岛 066004；2.中信戴卡股份有限公司，
重力加压铸造秉承了金属型重力铸造和低压 铸造的优点，避免了其中的不足。其主要特点如下：
１）与金属型重力铸造相比，避免了较重的浇冒 口，浇注系统小，提高了铝液的利用率。
1 2
3
1 - 上 顶 板 ；2 - 液 压 缸（2
4
个）；3-液压缸安装板；4-台
5
6 7
板导柱（4 个）；5-顶出机构
8 9
油缸 ；6-设备上板；7-活动
台板；8-顶出机构连接板 ；
10
9-操作面板；10-设备力柱；
11
11-边模油缸 ；12 - 设 备 底
12 13
板；13-设备支腿。
图 1 重力加压铸造设备简图
收稿日期：2012-11-20 作者简介：刘宏磊（１９７５－），河北沧州人，硕士，高级工程师，主要从
事铝合金轮毂热加工工艺研究。 E-mail：liuhonglei75@yahoo.com.cn
约占 ４０％；低压铸造的约占 ４０％；其他方法占 ２０％。 我国汽车铝合金轮毂的研究开发始于 ２０ 世纪 ８０ 年代末、９０ 年代初期。当时，秦皇岛戴卡轮毂制造有 限公司和南海中南铝合金轮毂有限公司引进国外 设备，开始生产汽车铝合金轮毂。我国的汽车铝合 金轮毂铸造方法大都是结合企业自身人力、财力来 决定的，汽车铝合金国货中 ６０％用低压铸造，特殊 场合也有用反压铸造 （但比例极少），３８％用重力铸 造，也有少数企业用高比压（约 １００ ＭＰａ）的液态挤 压铸造法［１］。也有报道，当前汽车铝合金轮毂成型技 术主要采用低压铸造工艺，低压铸造汽车铝轮毂占 总量的 ８０％以上［２］。由上可见，目前铝合金轮毂铸造 国内外较为普遍的是低压铸造和金属型重力铸造。
汽车铝合金轮毂重力加压铸造在实施过程中 有如下控制难点：（１） 应对现有低压铸造设备的模 具进行改造或购置新设备，其 ＰＬＣ 控制系统应进行 重新设计。（２）根据每种铸件的不同重量精确的注 入适量的铝合金液。（３）加压活塞的行程及压力就
根据不同结构的铸件进行工艺摸索。
7 汽车铝合金轮毂重力加压铸造特点
4 汽车铝合金轮毂重力加压铸模具结构
汽车铝合金轮毂重力加压铸模具结构如图 ２ 所示。
1-顶模冷却系统；2-顶模板；3-顶模；4-底模冷却系统；5-底模板 ；6-底模；7-底模冷铁（也可设计底模水冷系统）；8-型腔；9-边模 ；10-浇注系统；11-加压活塞；12-加压气缸；13-顶出机构。
图 2 重力加压铸模具简图
河北 秦皇岛 066004；3.沧州大化 TDI 有限责任公司，河北 沧州 061000）
摘 要：针对目前汽车铝合金轮毂行业普遍采用低压铸造和金属型重力铸造的方式成形，低压铸造设备结
构复杂，需用自动控制技术对加压过程进行精确控制，价格较为昂贵；与低压铸造相比，金属型重力铸造的浇冒
口较重，铝液利用率低等问题，开展了对重力充型后加压凝固的研究和设计，并创造性地提出了重力加压铸造新
·40·
2013 年第 2 期
刘宏磊，Leabharlann Baidu志强，谭学菊，刘宏峰：汽车铝合金轮毂重力加压铸造的探讨
铸造设备与工艺
5 汽车铝合金轮毂重力加压铸造过程
将重力加压铸造模具的顶模板、底模板、边模、 顶出机构分别与重力加压铸造设备的活动台板、底 板、边模油缸、顶出机构连接板连接，将模具安装在 设备上。将模具上的顶、底模冷却系统、加压气缸与 压缩空气管道连接。
Abstract：Auto aluminum alloy wheel generally is produced using low pressure die casting and gravity die casting in the present.In low pressure die casting，the equipment is complicated in structure，the pressure process needs to be precisely controlled using automatic control technology the cost is more expensive.Compared with low pressure die casting，casting head is heavier for gravity die casting，molten aluminum utilization rate is lower.This paper puts forward the gravity and pressure casting method and designs the equipment and the mold.The new process is proved to be a excellent new way and new method for auto aluminum alloy wheel casting combining the advantages of low pressure die casting and gravity die casting，overcoming the disadvantages of low pressure die casting and gravity die casting for auto aluminum alloy wheel.
方法、新观点，并对其设备结构及模具结构进行了简单设计。对重力加压铸造过程进行阐述和可行性进行分析，
经分析，汽车铝合金轮重力加压铸造能有效的继承低压铸造和金属型重力铸造的优点，克服低压铸造和金属型
重力铸造各自的缺点，是一种优良的汽车铝合金轮毂铸造新方式和新方法。
关键词：铝合金轮毂；重力加压铸造
中图分类号：TG249
·39·
Apr.2013 №2
铸造设备与工艺
2013 年第 2 期
低压铸造一般不单独设冒口，浇注系统小，铝液金 属利用率高，铸件力学性能好。但以前国内铝合金 生产厂使用的低压铸造机以进口为主，由于低压铸 造设备结构复杂，需用自动控制技术对加压过程进 行精确控制，价格较为昂贵。虽然中信戴卡集团和 万丰集团在吸叫国外先进技术的基础上，结合多年 低压铸造实践丰富经验，自行设计制造了新型低压 铸造设备，使其造价有所降低，但相比重力铸造设 备来说，其造价还是高不少。金属型重力铸造由于 没有外加压力，为了获得致密的铸件，需要利用冒 口来补缩。因此，与低压铸造相比，金属型重力铸造 的浇冒口较重，铝液利用率低［１］。笔者利用低压铸造 和金属型重力铸造各自的优点，取其优点弃其糟 粕，结合自身多年铝合金轮毂生产经验，来探讨汽 车铝合金轮毂的重力加压铸造的可行性进行探讨 与论述。
目前，虽然我国与汽车轻量化相适应的材料加 工成形技术，在理论研究和实际应用方面与国外发 达国家相比均有较大差巨，但作为轻量化将永远是 汽车铸件不变的趋势［３］。随着科学技术和国民经济 的发展，各行各业都对铸造生产提出新的更高要 求，如高质量、轻量化、节能环保、绿色生产、少切削 与无切削，以及节约原材料，降低成本等，这都对有 色合金铸造，针对不同产品零件要求采用不同的铸 造方法，带来了有利的发展空间［４］。汽车铝合金轮毂 行业的铸造也不例外，像重庆捷力轮毂制造有限公 司为本田公司制造采用重力铸造，加复杂砂芯的中 空高端性能铝轮毂，其外观十分精美［４］。其利用中空 造型有效的降低了轮毂的重量，也算是技术上的创 新与尝试。中信戴卡曾昭军与北航的杨波等也对铝 合金轮毂低压铸造充型 和凝固过程的精确控制进 行过研究，其利用工艺方法实现轮毂的轻量化，其 利用轮辐厚度 ８ ｍｍ 的轮毂进行研究，可以通过工 艺的方法满足内部质量和综合力学性能的要求［５］。 苏州三基铸造装备股份有限公司研发了汽车铝合 金轮毂挤压铸造设备和产品，其用挤压铸造生产的 铝轮具有接近锻造的高力学性能，又类似压铸的生 产率［６］。清华大学张辉等也以铝合金轮轮毂生产为 背景，利用有限差分原理开发适应于复杂工艺的凝 固模拟软件［７］。
6 汽车铝合金轮毂重力加压铸造可行性及控制难点
6.1 汽车铝合金轮毂重力加压铸造可行性分析 汽车铝合金轮毂重力加压铸造是在低压铸造
设备和模具的基础上进行的改造和优化，结合汽车 铝合金轮毂金属型重力铸造中心浇注的方式优化 设计其浇注系统。根据低压铸造铝合金轮毂的浇注 特点，即合金液由铸型的中心由下而上地充型和进 行补缩，决定了浇注后铝液在型腔中必须形成由型 腔顶端到浇口杯的递增温度梯度和由上轮缘到浇 口杯的顺序凝固方式［８］。汽车铝合金轮毂重力加压 铸造没在完全改变其浇注方式，只是合金液由铸型 的中心由下而上地充型改为由铸型的中心由下而 上地充型，完全适应低压铸造的充型和凝固方式。 在凝固加压系统中，借鉴全立式压铸机的加压凝固 方式，将压射冲头优化设计为加压活塞，其操作平 稳的特点同样适用［９］。其他冷却系统、顶出机构完全 应用低压铸造方式。重力加压铸造的方式与相关设 备制造商进行探讨完全可行，因此，此种重力加压 铸造在汽车铝合金轮毂行业应用具备可行性。 6.2 汽车铝合金轮毂重力加压铸造控制难点
2 重力加压铸造名词解释
重力加压铸造是指在重力作用下，液体金属充 填金属型腔，随后液体金属在压力作用下完成凝固 过程而获得铸件的一种铸造方法。由于其在重力作 下充型，压力作用下凝固，是重力与压力铸造相结 合的铸造方法，故笔者称其为“重力加压铸造”。
3 重力加压铸设备结构
重力加压铸造设备结构简图如图 １ 所示。
文献标识码：A
文章编号：1674-6694（2013）02-0039-03
Discussion about Gravity and Pressure Casting for the production of Auto Aluminum Wheels
LIU Hong-lei１，２，ZHAO Zhi-qiang２，TAN Xue-ju２，LIU Hong-feng３
模具及管道安装连接好后，边模油缸将边模推 进，活动台板连同顶模下移，底模、边模、顶模围成 型腔如图 ２。按照铸件设计重量将铝液通过模具中 心浇注，当浇注完成后加压气缸按工艺设定的压 力、速度、限位及保压时间进行加压。加压后按工艺 时间及流量开启顶、底模冷却气系统，使轮毂毛坯 铸件在压力作用下顺序凝固。当轮毂毛坯铸件完全 凝固后，边模油缸将边模拉开，活动台板连同顶模 上移，顶出机构连同加压气缸一起将轮毂毛坯铸件 顶出，完成一个铸造循环。当然该铸造过程也是在 工控机及 ＰＬＣ 程序控制下自动完成的。
（1.CITIC DICASTAL Group，Qinhuangdao DICASTAL-XINGLONG Wheel Manufacturing Co.，Ltd.，Qinhuangdao Hebei 066004，China； 2.CITIC DICASTAL Co.，Ltd.，Qinhuangdao Hebei 066004，China； 3.Cangzhou Dahua TDI Co.，Ltd.，Cangzhou Hebei 061000，China ）
Key words：aluminum wheels，gravity and pressure cast
汽车铝合金轮毂的铸造最早可追溯至 ２０ 世纪 ２０ 年代，当时欧洲的一些赛车手为了减轻车重，用 砂型铸造的方法生产铝合金轮毂，用于运动赛车 上。经过几十年的发展，铝合金轮毂已得到广泛应 用。其铸造方法也有多种，就铸造铝合金轮毂而言， 国外报到过的制造方法有：重力铸造、低压铸造、液 态挤压、反压铸造、离心铸造、真空压铸、半固态铸 造等。其中应用最为普遍的主要有金属型重力铸 造、低压铸造、差压铸造以及挤压铸造。重力铸造的
2013 年第 2 期 22001133 年年第 24期月
铸造设备与工艺
FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGY
铸造Ap设r.2备01与3 工№艺2
·应用研究·
汽车铝合金轮毂重力加压铸造的探讨
刘宏磊 1，2，赵志强 2，谭学菊 2，刘宏峰 3 （1.中信戴卡集团 秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司，河北 秦皇岛 066004；2.中信戴卡股份有限公司，
重力加压铸造秉承了金属型重力铸造和低压 铸造的优点，避免了其中的不足。其主要特点如下：
１）与金属型重力铸造相比，避免了较重的浇冒 口，浇注系统小，提高了铝液的利用率。
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1 - 上 顶 板 ；2 - 液 压 缸（2
4
个）；3-液压缸安装板；4-台
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板导柱（4 个）；5-顶出机构
8 9
油缸 ；6-设备上板；7-活动
台板；8-顶出机构连接板 ；
10
9-操作面板；10-设备力柱；
11
11-边模油缸 ；12 - 设 备 底
12 13
板；13-设备支腿。
图 1 重力加压铸造设备简图
收稿日期：2012-11-20 作者简介：刘宏磊（１９７５－），河北沧州人，硕士，高级工程师，主要从
事铝合金轮毂热加工工艺研究。 E-mail：liuhonglei75@yahoo.com.cn
约占 ４０％；低压铸造的约占 ４０％；其他方法占 ２０％。 我国汽车铝合金轮毂的研究开发始于 ２０ 世纪 ８０ 年代末、９０ 年代初期。当时，秦皇岛戴卡轮毂制造有 限公司和南海中南铝合金轮毂有限公司引进国外 设备，开始生产汽车铝合金轮毂。我国的汽车铝合 金轮毂铸造方法大都是结合企业自身人力、财力来 决定的，汽车铝合金国货中 ６０％用低压铸造，特殊 场合也有用反压铸造 （但比例极少），３８％用重力铸 造，也有少数企业用高比压（约 １００ ＭＰａ）的液态挤 压铸造法［１］。也有报道，当前汽车铝合金轮毂成型技 术主要采用低压铸造工艺，低压铸造汽车铝轮毂占 总量的 ８０％以上［２］。由上可见，目前铝合金轮毂铸造 国内外较为普遍的是低压铸造和金属型重力铸造。
汽车铝合金轮毂重力加压铸造在实施过程中 有如下控制难点：（１） 应对现有低压铸造设备的模 具进行改造或购置新设备，其 ＰＬＣ 控制系统应进行 重新设计。（２）根据每种铸件的不同重量精确的注 入适量的铝合金液。（３）加压活塞的行程及压力就
根据不同结构的铸件进行工艺摸索。
7 汽车铝合金轮毂重力加压铸造特点
4 汽车铝合金轮毂重力加压铸模具结构
汽车铝合金轮毂重力加压铸模具结构如图 ２ 所示。
1-顶模冷却系统；2-顶模板；3-顶模；4-底模冷却系统；5-底模板 ；6-底模；7-底模冷铁（也可设计底模水冷系统）；8-型腔；9-边模 ；10-浇注系统；11-加压活塞；12-加压气缸；13-顶出机构。
图 2 重力加压铸模具简图
河北 秦皇岛 066004；3.沧州大化 TDI 有限责任公司，河北 沧州 061000）
摘 要：针对目前汽车铝合金轮毂行业普遍采用低压铸造和金属型重力铸造的方式成形，低压铸造设备结
构复杂，需用自动控制技术对加压过程进行精确控制，价格较为昂贵；与低压铸造相比，金属型重力铸造的浇冒
口较重，铝液利用率低等问题，开展了对重力充型后加压凝固的研究和设计，并创造性地提出了重力加压铸造新
·40·
2013 年第 2 期
刘宏磊，Leabharlann Baidu志强，谭学菊，刘宏峰：汽车铝合金轮毂重力加压铸造的探讨
铸造设备与工艺
5 汽车铝合金轮毂重力加压铸造过程
将重力加压铸造模具的顶模板、底模板、边模、 顶出机构分别与重力加压铸造设备的活动台板、底 板、边模油缸、顶出机构连接板连接，将模具安装在 设备上。将模具上的顶、底模冷却系统、加压气缸与 压缩空气管道连接。
Abstract：Auto aluminum alloy wheel generally is produced using low pressure die casting and gravity die casting in the present.In low pressure die casting，the equipment is complicated in structure，the pressure process needs to be precisely controlled using automatic control technology the cost is more expensive.Compared with low pressure die casting，casting head is heavier for gravity die casting，molten aluminum utilization rate is lower.This paper puts forward the gravity and pressure casting method and designs the equipment and the mold.The new process is proved to be a excellent new way and new method for auto aluminum alloy wheel casting combining the advantages of low pressure die casting and gravity die casting，overcoming the disadvantages of low pressure die casting and gravity die casting for auto aluminum alloy wheel.
方法、新观点，并对其设备结构及模具结构进行了简单设计。对重力加压铸造过程进行阐述和可行性进行分析，
经分析，汽车铝合金轮重力加压铸造能有效的继承低压铸造和金属型重力铸造的优点，克服低压铸造和金属型
重力铸造各自的缺点，是一种优良的汽车铝合金轮毂铸造新方式和新方法。
关键词：铝合金轮毂；重力加压铸造
中图分类号：TG249
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Apr.2013 №2
铸造设备与工艺
2013 年第 2 期
低压铸造一般不单独设冒口，浇注系统小，铝液金 属利用率高，铸件力学性能好。但以前国内铝合金 生产厂使用的低压铸造机以进口为主，由于低压铸 造设备结构复杂，需用自动控制技术对加压过程进 行精确控制，价格较为昂贵。虽然中信戴卡集团和 万丰集团在吸叫国外先进技术的基础上，结合多年 低压铸造实践丰富经验，自行设计制造了新型低压 铸造设备，使其造价有所降低，但相比重力铸造设 备来说，其造价还是高不少。金属型重力铸造由于 没有外加压力，为了获得致密的铸件，需要利用冒 口来补缩。因此，与低压铸造相比，金属型重力铸造 的浇冒口较重，铝液利用率低［１］。笔者利用低压铸造 和金属型重力铸造各自的优点，取其优点弃其糟 粕，结合自身多年铝合金轮毂生产经验，来探讨汽 车铝合金轮毂的重力加压铸造的可行性进行探讨 与论述。