载重汽车轮毂铸造成形工艺论述

刘天平，王爱丽，李泽同，李泽嘉，王 健，王 洋，王雪玲，李广义

（1.安阳市凯创科技有限公司，河南 汤阴 456150；2.AFT 先进成形技术研究院，河南 汤阴 456150；3.百铸网络科技有限公司，河南 濮阳 457000）

轮毂是载重汽车轮胎内以轴为中心用于支撑轮胎和轮辋的带法兰的圆形金属部件，是车轮中心安装车轴的部位，是连接制动鼓（制动盘）、轮盘和半轴的重要零部件，内部安装有轮毂轴承，是汽车底盘行走系统关键零部件，是各类汽车底盘承载扭矩的关键部件，其产品的质量和性能直接影响着汽车的行驶安全。该类产品是典型的汽车零部件铸件，为“中间法兰盘、两端轴承室”的回转体结构，法兰盘两边同轮毂毂体分布数条加强肋筋（如图1、图2 所示），材质一般为QT450-10，由于其结构原因，在法兰盘同毂体连接环状热节及法兰盘处存在缩孔缩松缺陷问题，尤其在法兰盘同毂体加强筋处更加严重，给行车安全带来隐患。

笔者亲历载重汽车轮毂几种主要铸造成形工艺的试制开发应用，从黏土砂手工造型到微震压实造型，再到自动化造型及铁模覆砂工艺，各种工艺均有其优势和一定局限性，而且各种工艺的发展应用，有明显的时代特点，并且基于产品质量提升的需要及来自于行业规范发展的推动，伴随着铸造成形工艺技术的突破和装备技术的发展提升。

1 黏土砂造型工艺

轮毂铸件是一种市场需求量大、质量要求比较严格的汽车保安零部件，生产该类产品的铸造企业多且企业条件参差不齐，产品覆盖高、中、低端市场。由于产品市场需求量大、质量要求高，后续需要机械加工和装配，因而对产品铸件质量的稳定性、一致性提出要求。

图1 轮毂图

图2 轮毂铸件

目前轮毂铸件主要及常见的生产方式有黏土砂手工造型、Z148 微震压实造型，水平无箱自动线、静压自动造型，以及铁模覆砂造型工艺等，根据企业自身条件而定。

由于轮毂铸件的质量要求，湿型黏土砂造型工艺以其无法比拟的优点成为目前轮毂铸件的主要造型生产方式之一[1]，依据产品批量、结构和质量要求，以及随着工艺装备的发展，有黏土砂手工造型、Z148 微震压实造型，水平无箱自动线、静压自动造型工艺。

1.1 黏土砂手工造型

黏土砂手工造型，是轮毂铸件早期的造型生产方式（采用气动捣固机舂砂仍属于手工造型方式），有些产品在一些铸造厂现在仍普遍采用。该工艺方法生产设施简单、投资小，但是占用场地面积大、劳动强度大、生产效率低，环境条件恶劣。用该造型方式生产的轮毂铸件，法兰盘同毂体连接环状热节及法兰盘处缩孔缩松比例高，重量偏差大，尺寸波动大，表面质量差。

如铸造企业有结构复杂、订单量小且需要人工下置随型冷铁的轮毂铸件，采用黏土砂手工造型方法是比较适宜的。更多的铸造企业，因为产业升级，手工造型在逐步由生产线机械化造型替代。该工艺方法且不说质量良莠不齐，目前给予环保政策和管控压力加大，该类企业如不调整转型，生存难以为继。

1.2 Z148 微震压实造型

20 世纪八、九十年代开始，国内铸造行业机器造型代替手工造型，从采用Z14 系列震击压实造型机开始，当时俗称“蹦蹦机”，后来发展到微震压实造型，汽车零部件铸件多采用Z148 微震压实造型机。当时很多铸造企业先是引用单机造型，造型后人工摆地摊合型布置移动砂型，到后来发展到Z148连续式造型线（又称环线），再到Z148 布移式造型线（又称开式线），逐渐Z148 微震压实造型生产线成为铸造行业内投资适宜、稳定可靠、同时生产效率较高的成熟铸造系统装备。

轮毂铸件是伴随并支持Z148 微震压实造型生产线发展并成熟的典型铸件产品之一，目前在不少地区很多铸造企业仍在沿用。近年来随着环保治理的深度发展，特别在一些环保重点管控地区，Z148微震压实造型工艺同样面临升级转型的压力。相比而言，轮毂铸件采用Z148 微震压实造型比手工造型无论产品质量还是生产效率都提高很多，但随着行业规范发展、产品质量要求的提升，更先进的机械自动化造型装备脱颖而出。

1.3 水平无箱自动线造型

在轮毂铸件采用Z148 微震压实造型生产线的中后期，国际国内一些知名铸造装备企业纷纷推出生产效率高、设备投资相对较小的水平无箱自动化造型装备，当时许多生产轮毂的铸造企业纷纷采用。笔者一度亲身现场调查，对于尺寸与重量较大的轮毂铸件，不管夹箱还是套箱线，无箱造型在浇注后凝固移动的过程中，均有普遍不同程度的砂型开裂现象，对于球铁材质的轮毂铸件，砂型开裂对产品内在质量的影响是可想而知的，经过解剖验证同预想的结果是一致的。加上轮毂铸件因为结构原因造型时中间需要下一个较大砂芯，尽管一些铸造装备企业对此考虑有加，但是生产现场看使用还是有一定局限性。

经过一段时间的验证后，该类水平无箱自动线造型装备铸造企业多数产品调整或根据其砂型规格保留生产一些小规格的轮毂铸件，但如尺寸与重量较大的重型轮毂铸件，很多铸造企业不再刻意安排水平无箱自动线造型生产。至今仍有不少当时上线投资过大，产品结构不适宜而艰难度日的企业，有些铸造企业生产线已经闲置多年。在这个阶段，轮毂铸件采用静压自动造型工艺生产应用在国内典型企业成功应用，昔日“高大上”的静压自动生产线在中国铸造蓬勃发展中开始普及。

1.4 静压自动造型[2]

20 世纪末本世纪初，随着我国汽车行业的飞速发展，与汽车零部件有关的铸造及铸造装备业得到突飞猛进发展，许多有实力的企业陆续投巨资上马建设自动化铸造生产线，也包括汽车、农机和工程机械公司的下属铸造企业。同时随着静压造型工艺、设备自动化技术的日趋成熟，静压自动化铸造生产线最具有代表性引领了铸造行业特别是汽车零部件铸造行业的有箱造型时代。

笔者大学毕业工作从事机械设计工作，参与和主持建设Z148 连续铸造生产线、Z145 步移式铸造生产线、Z148 步移式铸造生产线、树脂砂造型线、树脂砂制芯线以及负责建设了静压自动造型生产线。

如前所述，当时汽车零部件铸造行业Z148 微震压实造型生产线因为投资适宜、稳定可靠、同时生产效率较高，成为铸造行业内成熟的、主流的铸造系统装备，水平无箱自动造型线经过一段高潮期后，成为以轮毂铸件为代表的汽车零部件铸件的辅助生产方式。同时期几家国内典型铸造企业在依靠集团投资，集团内部市场化运作和供应链深度合作的背景和前提下，采用静压自动造型工艺大批量生产轮毂、制动鼓铸件，引起业内极大关注，在中国铸造业蓬勃发展推动下，静压自动生产线由在国内少数企业应用而开始普及，如图3、图4 所示。

根据静压造型工艺生产轮毂铸件的实践，该工艺采用“静压造型+覆膜砂砂芯（或自硬树脂砂砂芯）”的组合工艺，特别是原在Z148 微震压实造型线上生产的产品，切换到静压造型生产线，不仅尺寸稳定、外观整洁、重量偏差小，而且由于静压造型工艺极高的砂型紧实率，减少铸型退让性，提高了轮毂铸件的内在质量，产品的稳定性和一致性极大提高。

图3 ZYJ107 静压线

图4 ZYJ128 静压线

近几年来，由于铸造行业产业升级，在一些汽配铸造产业集聚地区，“机器代人”如火如荼，许多不同层次的铸造企业正在或正在计划上马静压自动造型线，一些情况需要引起足够重视。

1）目前运行静压自动化造型线的铸造企业，多数是以轮毂、制动鼓、轮边减速器壳体铸件为代表的大批量汽车零部件铸件，但是很多企业并没有对当时引起大家极大关注的采用静压自动造型工艺大批量生产轮毂、制动鼓铸件的典型企业的背景重视，以至于尽管生产线运行，但是其运行成本极高，多数企业盈利状况并不乐观。

2）静压自动化造型装备一般投资较大，对人员业务素质要求高，一般条件的企业接受和建设静压自动造型线，但又存在诸多困难，因此需要企业具有一定规模、管理相对规范到位，人员业务素质水平较高，企业经营、资金运转情况较好才能保证静压自动生产线的正常生产运行。

3）由于静压自动化造型生产效率高，生产轮毂铸件需要非常量大的覆膜砂芯或树脂砂芯，砂芯溃散芯砂混入型砂，长期生产下来，对静压生产线系统型砂质量产生很大影响而且砂系统因“溢仓”极不平衡，影响产品质量、同时旧砂淘汰更换产生生产成本。现在环保管控治理形势下，固废排放成为静压铸造企业极大负担，此现象已经引起多家静压自动化装备企业极大重视。

2 铁模覆砂造型工艺[3]

铁模覆砂造型工艺，采用铸铁金属模型以及与铸件外形近形的铸铁型腔做为砂箱铁型，近形的铁型外覆盖一层4 mm～10 mm 厚度的覆膜砂，经加热固化形成铸型再浇注金属液成为铸件。

铁模覆砂造型工艺是轮毂铸件目前另一种主要造型生产方式，该工艺基于金属型铸造和化学砂砂型铸造相结合发展起来，兼有二者的优点。由于金属铸型加快了金属液的凝固冷却，使铸件石墨及晶粒细化，结晶组织致密，基体中珠光体体积分数增加，其生产的轮毂铸件表面质量好，尺寸精度高且稳定，加工余量小。

根据铁模覆砂造型工艺生开发轮毂铸件实践，该工艺采用“上下覆砂铁模+覆膜砂砂芯”的组合工艺（如图5 所示），且覆膜砂砂芯同样采用对称对开组合砂芯结构（如图6 所示）。初期采用铁模覆砂造型工艺试制生产的轮毂等铸件，由于硬度高、且铸件开裂倾向大，需要后续热处理保证。后经不断试验摸索，铸态质量可以保证，相关问题得到解决。做为轮毂铸件主要成型工艺之一，目前全国已经有轮毂铸件铁模覆砂造型成规模的铸造企业和集聚地区，工艺已经成熟稳定，效果显著。

铁模覆砂造型工艺生产的轮毂铸件，缩孔缩松缺陷问题较小，产品内部质量稳定性、一致性较高。相比较而言，铁模覆砂造型工艺方法设备投资大、产品质量普遍较好，由于间歇作业，生产效率低，劳动强度大、占用场地面积大。且该工艺需要200 ℃～260 ℃加热固化，能耗高，效率低、废砂目前再生成本高，在环保管控治理形势下，固废排放成为极大负担，粉尘、固废环保问题凸显。

3 结论

1）从黏土砂手工造型到微震压实造型，再到水平无箱自动化造型、静压自动化造型及铁模覆砂工艺，载重汽车轮毂的几种主要生产方式，各有其工艺优势和一定局限性，同步到其他铸件产品，企业采用适宜的工艺方式，需依据主要需求、自身条件、行业和技术发展趋势做综合评定。

2）载重汽车轮毂主要生产工艺的发展，有明显的时代特点，每次工艺的提升基于产品质量提升需要，来自于行业规范发展的推动，铸造工艺技术的突破和装备技术的发展提升。

图5 铁模覆砂铁型

图6 铁模覆砂组合砂芯

3）从载重汽车轮毂生产工艺和装备的发展转变看，当前及今后一段时间，技术创新、环境保护与治理是对铸造行业影响最主要的因素，铸造企业应主动变革，积极创新，倒逼自己升级发展，推动企业及行业向绿色环保、节能循环的模式发展。