定制轮和盘铸件 | 砂型铸造解决方案

车轮和盘铸件代表了广泛应用于汽车制动系统的一大类旋转结构部件, 机械传动设备, 采矿机械和船舶动力总成.

典型产品包括飞轮, 刹车盘, 皮带轮, 轮毂, 齿轮盘和制动鼓.

所有这些部件都具有与轴对称旋转体相同的结构特征: 厚的中心枢纽形成突出的热点, 轮毂与外轮辋之间的过渡连接腹板, 和薄壁外周边缘.

巨大的壁厚差异带来了固有的冶金挑战, 包括集中在轮毂内部的收缩孔隙, 端面翘曲变形, 热应力裂纹, 薄片的激冷倾向, 圆周硬度不均匀, 夹渣和气孔.

工艺设计的核心理念在于通过冒口调节凝固顺序, 激冷和优化浇口布局，实现按需定向凝固或比例凝固.

砂型铸造已成为中大型车轮的主导制造路线 & 由于其灵活的模具，可实现中小批量生产的圆盘铸件, 前期投资低，对各种几何形状的适应性强.

1. 轮盘部件的结构特点和铸造挑战

车轮和盘铸件是典型的 旋转结构部件 以轴对称几何为特征, 断面厚度差异大, 以及凝固过程中复杂的传热行为.

虽然这些组件通常具有相对简单的外部形状, 它们的内部铸造质量高度依赖于几何形状之间的相互作用, 熔融金属流动, 和固化控制.

轮盘铸件的典型结构特征

轮或盘铸件通常可分为三个功能区域: 枢纽, 光盘/网页部分, 和外缘.

这 中央枢纽 通常是最厚的部分，并提供轴的连接点, 轴承, 螺栓, 或传输系统.

由于其体积大、冷却速度慢, 轮毂成为凝固过程中的主要热热点.

该区域的液态金属比周围区域保持熔化状态的时间更长, 如果未提供足够的喂料，则会导致出现收缩缺陷的高风险.

这 光盘或网页部分 连接轮毂与外轮辋，负责传递机械载荷，同时保持轻质结构.

该区域通常包含逐渐或弯曲的厚度过渡. 过渡设计不当或冷却不均匀会产生残余应力, 失真, 和热裂.

这 外缘 通常具有比轮毂更小的横截面厚度并且冷却得更快.

该区域的过度冷却可能会导致轮毂完成送料之前过早凝固, 导致内部孔隙率和机械性能不均匀.

这三个区域之间的关系决定了整体铸造行为:

• 轮毂往往会保持高温并需要有效的进给.
• 盘片需要均衡冷却，防止变形.
• 边缘需要受控凝固以避免过早冻结.

所以, 成功的铸造设计必须实现从外部区域到中心加料区的受控热梯度.

轮和盘部件的主要铸造挑战

车轮和盘铸件由于其典型的结构而涉及复杂的热行为 厚轮毂, 薄网, 和外缘.

截面厚度差异大造成凝固不均匀, 喂养困难, 和应力集中.

下表总结了主要的铸造挑战和相应的控制方法.

2. 总体流程布局 & 分手计划

工艺布局为 沙子铸造 轮和盘组件是决定填充行为的关键因素, 凝固顺序, 维度的准确性, 和最终铸造质量.

与简单形状的铸件不同, 车轮部件之间的截面厚度存在显着差异 中央枢纽, 光盘/网络, 和外缘, 使得铸造方向和分型方法的选择尤为重要.

水平分型工艺 (最常见的解决方案)

水平分型是车轮和盘铸件最广泛使用的方法, 特别是 飞轮, 刹车盘, 滑轮, 中小型枢纽, 和一般工业光盘.

在这样的安排下, 铸件水平放置, 分型面通常通过圆盘或腹板截面来选择.

模具分为上上模和下下模, 允许方便的图案提取, 核心安装, 和模具组装.

该方法广泛兼容于:

• 用于大规模生产的潮模砂造型系统;
• 适用于中小批量生产的树脂砂工艺.

水平分型的主要优点是工艺布局简单, 模具投资低, 以及优良的生产效率.

核心放置相对简单, 使其适用于具有中心孔的部件, 内部空腔, 或轴安装结构.

典型的浇口布置包括:

• 中央顶门, 熔融金属通过轮毂区域进入并向外流向边缘;
• 圆周侧浇口, 熔融金属均匀地进入圆周，以提高填充稳定性.

然而, 卧式成型也有一定的局限性. 因为铸件的上表面和下表面经历不同的传热条件, 冷却通常是不对称的.

这可能会导致:

• 收缩不均匀;
• 端面翘曲;
• 残余应力;
• 尺寸偏差.

此外, 模具型腔的上表面更容易捕获气体和非金属夹杂物, 这可能会导致:

• 气孔;
• 炉渣夹杂物;
• 表面缺陷.

所以, 适用于精度要求严格的车轮部件, 水平分型通常需要额外的措施，例如改善通风, 优化门控, 和控制冷却.

垂直分型和垂直浇注工艺

垂直分型工艺将车轮或盘铸件置于垂直方向, 模具沿部件的径向剖分.

该方法主要用于 高精度轮毂, 重型驱动轮, 铁路部件, 以及需要出色尺寸稳定性的大型旋转部件.

与卧式成型相比, 垂直铸造提供更对称的热环境.

铸件的整个圆周经历更均匀的冷却速率, 大大减少了不同地区之间的温差.

主要好处包括:

• 改善圆度和同心度;
• 冷却后变形减少;
• 微观结构分布更均衡;
• 较低的残余应力.

因为铸件是垂直放置的, 熔融金属的流动也可以得到更好的控制, 减少上下部分之间填充不均匀的风险.

然而, 垂直分型需要更先进的成型能力. 主要挑战包括:

• 更复杂的图案和核心设计;
• 更高的模具装配要求;
• 处理大型模具的难度增加;
• 对起重定位设备提出更高要求.

所以, 该方法一般应用在 树脂砂生产环境, 特别适用于中等产量或定制的重型铸件，而不是大批量自动化生产.

倾斜浇注工艺 (混合优化方法)

倾斜浇注是在水平造型原理的基础上改进的工艺.

浇注时, 模具以受控角度倾斜, 通常在周围 10°–25°, 使熔融金属在更稳定的条件下进入型腔.

该方法结合了水平铸造和垂直铸造的优点，通过改进两者:

• 填充光滑度;
• 凝固方向控制.

倾斜位置减少了金属对模具表面的直接冲击，并减少了填充过程中的湍流.

同时, 它促进了更有利的热梯度, 帮助熔融金属流向中心区域.

倾斜浇注特别适合:

• 球墨铸铁轮;
• 大型圆盘铸件;
• 轮毂收缩倾向严重的部件.

其主要优点包括:

• 减少氧化物夹杂物的形成;
• 提高轮毂进给效率;
• 降低缩孔风险;
• 更好的尺寸稳定性.

然而, 倾斜浇注需要额外的设备或夹具来精确控制模具角度, 使其更适合专业化生产而不是标准造型线.

3. 砂型设计与制造工艺

砂型的质量直接决定充型行为, 表面质量, 维度的准确性, 以及车轮和盘铸件的内部健全性.

因为这些组件通常结合在一起 大直径, 厚轮毂, 薄腹板截面, 和复杂的传热条件, 成型工艺必须提供足够的强度以保持型腔稳定性，同时保持良好的渗透性和塌陷性.

用于中小型车轮部件批量生产的潮模砂造型

潮模砂造型是生产中小型车轮和盘类铸件应用最广泛、最经济的方法之一, 例如:

• 皮带轮;
• 小飞轮;
• 制动鼓;
• 一般工业光盘.

该工艺使用硅砂混合物, 膨润土粘土, 水, 和碳添加剂来制造可重复使用的成型材料.

特别适用于要求生产率高、制造成本低的自动化生产线.

潮型砂的性能在很大程度上取决于其物理特性. 典型的控制参数包括:

必须仔细控制活性膨润土和碳添加剂的比例. 膨润土提供粘合强度, 而煤粉或类似的碳质添加剂有助于减少:

• 金属渗透;
• 烧伤缺陷;
• 表面粗糙度;
• 与气体相关的表面缺陷.

生产过程中, 再生砂温度也必须控制. 热再生砂会对水分分布产生负面影响并降低模具质量, 导致表面光洁度差和尺寸不稳定.

用于车轮和盘铸件, 通常会采用额外的通风措施，因为气体往往会积聚在轮毂和腹板部分的最高点周围.

典型的解决方案包括:

• 沿分型面的环形排气槽;
• 模具高点处有排气孔;
• 封闭空腔区域上方的附加通风立管.

然而, 潮模砂造型也有局限性. 因为模具的刚性比较低，尺寸稳定性适中, 典型的尺寸精度约为 CT9 – CT11 根据铸造公差标准.

此外, 潮模砂模相对缓慢且不受​​控制的冷却特性增加了厚轮毂部分出现收缩缺陷的风险.

所以, 对于需要严格超声波检验或高疲劳性能的重型球墨铸铁轮毂，潮模砂通常不是首选.

用于大型高性能车轮铸件的自硬树脂砂造型

适用于大型轮毂, 重型飞轮, 铁路部件, 以及需要严格无损检测的铸件, 自硬树脂砂是首选造型技术.

与绿沙不同, 树脂砂通过树脂和硬化剂之间的化学结合来实现模具强度, 无需外部压实设备即可生产大型且复杂的模具.

典型材料包括:

• 70/140 网状硅砂;
• 陶粒砂可提高热稳定性;
• 呋喃树脂或碱性酚醛树脂体系.

树脂添加比例一般控制在大约 1.0%–1.4%, 而固化剂用量则根据情况调整:

• 环境温度;
• 湿度;
• 所需固化速度;
• 生产周期要求.

树脂砂为车轮和盘铸件提供了几个重要的优势:

提高尺寸精度

树脂砂模的高刚性和稳定性使尺寸精度达到约 CT8-CT9, 明显优于传统潮模砂造型.

这对于尺寸偏差可能影响的旋转部件尤其重要:

• 平衡性能;
• 轴对中;
• 机械加工余量;
• 使用寿命.

更好的复杂核心能力

大型车轮铸件通常需要内腔, 安装孔, 或复杂的轮毂结构. 树脂砂可以生产:

• 大型核心组件;
• 薄而复杂的砂芯;
• 准确的内部通道.

这使得它非常适合定制, 单件, 以及小批量生产.

更高的表面质量

更光滑的模具型腔表面减少了:

• 砂附着力;
• 表面粗糙度;
• 清洁工作量;
• 机械加工余量.

然而, 树脂砂也带来了一定的挑战.

因为树脂粘合剂在浇注过程中会产生更多的气体, 过程控制不当可能会导致:

• 地下气孔;
• 气孔隙度;
• 与碳相关的缺陷.

此外, 与湿砂相比，树脂砂型具有更高的刚性和更低的溃散性. 用于厚截面铸件, 收缩受限可能会增加风险:

• 热应力;
• 热裂;
• 残余应力集中.

所以, 树脂砂工艺需要模具强度之间的仔细协调, 立管设计, 和冷却控制.

模具涂层技术

模具涂层对于提高表面质量和防止铸造缺陷起着至关重要的作用, 特别适用于具有大热截面和复杂过渡的轮和盘组件.

涂层的主要目的是在熔融金属和砂型之间形成保护屏障, 减少:

• 沙渗透;
• 金属模具反应;
• 烧伤缺陷;
• 表面粗糙度.

不同的材料需要不同的涂层系统.

为了 灰铸铁车轮铸件, 通常应用石墨基涂料，因为石墨提供:

• 良好的热稳定性;
• 减少金属渗透;
• 改善表面光洁度.

为了 球墨铸铁和厚截面铸件, 醇基锆石粉末涂料通常是首选，因为它们具有以下优点：:

• 高耐火度;
• 优异的抗铁水侵蚀能力;
• 热点地区的强力保护.

典型的程序包括:

1. 首次涂覆覆盖整个型腔表面;
2. 彻底干燥以除去水分;
3. 第二层涂层可增强保护;
4. 模具组装前的最终检查.

干燥不充分可能会在浇注过程中产生额外的气体, 而涂层厚度过大可能会降低渗透性，影响铸件质量.

轮式和盘式砂模的排气系统设计

气体管理是轮式和盘式铸造的一个关键方面，因为它们的旋转几何形状自然会产生气体聚集区.

正确设计的通风系统通常包括:

有效的通风设计必须保持平衡: 排气不足导致气体缺陷, 而过度排气可能会削弱模具或增加金属渗透风险.

4. 轮式和盘式铸件的浇注系统设计

浇注系统对内部质量起着决定性作用, 维稳定性, 车轮和盘铸件的机械性能.

由于其典型的旋转几何形状 - 具有巨大的轮毂, 相对较薄的腹板部分, 和更薄的外缘——填充过程必须小心控制以避免湍流, 氧化物夹带, 冷关, 填充不完全, 且温度分布不均匀.

中央顶部门控系统: 布局简单，定向凝固能力强

中央顶部浇注系统是飞轮和相对简单的盘形铸件的传统解决方案之一.

在这个设计中, 熔融金属从中心轮毂区域进入并通过腹板部分径向向外流向轮缘.

这种布置提供了自然的温度梯度，因为在填充和固化过程中中心轮毂保持比外缘更热.

与正确设计的立管结合使用时, 该系统可以促进从较薄的外部部分到轮毂的定向凝固, 允许向中央热点供电.

然而, 中央喂食位置也带来了一些潜在的问题.

轮毂区域持续暴露于高温熔融金属会增加轮毂的热浓度, 这可能会扩大热点并增加缩孔或微孔的风险.

此外, 中心金属流的直接冲击会在初始填充阶段产生湍流, 增加氧化膜形成和夹渣的可能性.

为了提高性能, 现代设计通常在倾倒盆中加入陶瓷泡沫过滤器, 从中心延伸出多个径向内浇口, 并调整流动方向以防止金属直接撞击薄幅区域. 这些修改有助于减少湍流并提高内部清洁度.

环形狭缝侧浇口系统: 制动盘和精密旋转部件的首选解决方案

用于制动盘, 制动鼓, 以及其他需要优异尺寸精度和动平衡的部件, 环形狭缝侧浇口被广泛认为是最有效的解决方案之一.

在此配置中, 轮毂区域周围设有圆形流道, 具有沿圆周均匀分布的多个窄内浇口.

熔融金属从多个方向同时进入模具型腔, 产生平衡的填充图案.

该系统的主要优点是能够在整个圆周上实现均匀的温度分布.

由于熔融金属几乎同时到达铸件的不同区域, 热梯度最小化, 减少残余应力, 失真, 和圆度偏差.

与直接顶部浇注相比，相对温和的填充行为也减少了湍流. 较低的湍流意味着较少的氧化, 更少的夹杂物, 并提高表面质量.

这使得该设计特别适合加工余量有限且尺寸稳定性至关重要的制动部件.

环形浇注系统还支持轮毂之间更均匀的凝固, 网络, 和外缘.

与正确定位的冒口和冷口结合使用时, 可有效控制壁厚变化较大区域的缩松缺陷.

底部浇注系统: 重型轮毂的高质量填充

适用于大型和重型轮毂, 驱动轮, 和高负载工业部件, 通常选择底部浇口以获得尽可能高的填充质量.

在底部浇注系统中, 熔融金属从模具型腔的下部区域进入并逐渐向上上升.

填充过程中金属表面保持相对稳定, 显着减少飞溅, 空气夹带, 和二次氧化.

该方法的主要优点是其出色的流量控制. 因为熔融金属是平稳上升而不是垂直落下, 湍流和沙蚀的风险大大降低.

这对于大型铸件尤其重要，因为即使少量的氧化物夹杂物或砂粒也会严重影响疲劳性能.

然而, 底部填充也有局限性. 由于铸件的上部区域是最后填充的, 在完全进食之前它们的温度可能会下降.

所以, 底部浇注必须与高效立管系统仔细结合, 绝缘套管, 和外部冷铁，以保持足够的进料压力并补偿厚轮毂部分的收缩.

高效浇注系统的通用设计指南

无论具体的门控配置如何, 轮盘铸造设计时应遵循几个基本原则.

通常首选封闭式或半封闭式浇注系统，因为它可以减少湍流并改善炉渣分离.

浇口典型截面关系, 跑步者, 内门大约是:

浇口 : 跑步者 : 怎么样= 1 : 1.2 : 0.8–1

该比率有助于保持稳定的金属速度，同时避免过度湍流.

水平流道应延伸至最后一个内浇口之外，以形成渣收集区, 让杂质远离铸造型腔.

流道系统中经常安装泡沫陶瓷过滤器，以进一步提高熔体清洁度.

内浇口形状也很重要. 扇形, 狭缝, 或切向内浇口通常用于轮式和盘式铸件，因为它们逐渐分布熔融金属并减少对模具表面的直接影响.

最终, 最有效的浇口设计是能够实现 平滑填充, 受控热流, 以及从薄片到进料源的逐渐凝固.

通过优化门控之间的关系, 立管, 发冷, 和铸造几何形状, 制造商可以显着降低缩孔率, 包含, 形变, 以及车轮和盘铸件的其他常见缺陷.

5. 饲喂系统设计: 冒口和冷口

送料系统是决定轮盘铸件内部质量的关键因素.

由于其典型的结构——大型轮毂, 更薄的网, 和外缘——这些部件的截面厚度存在显着差异.

凝固时, 厚的轮毂区域保持液态的时间更长，并且体积收缩更大, 使其极易受到缩孔和微孔的影响.

车轮和圆盘铸件的冒口设计

轮毂区域通常是主要补缩目标，因为它代表铸件中最大的热质量.

冒口通常位于轮毂上方或附近，以便在凝固的最后阶段提供液态金属.

为了 灰铸铁车轮铸件 (EN-GJL-250, EN-GJL-300), 定向凝固技术应用广泛.

圆柱形或椭圆形立管放置在轮毂热点处, 其模量设计得高于补缩区，以保证冒口冻结晚于铸件.

为了 球墨铸铁车轮铸件 (EN-GJS-450-10, EN-GJS-600-3), 共晶凝固过程中石墨的膨胀提供了部分自供给能力.

所以, 避免冒口体积过大. 现代设计通常将较小的隔热冒口与冷铁结合起来，以提高铸件产量，同时保持内部健全性.

适用于厚截面的重型轮毂, 通常使用隔热冒口套或放热冒口来延长补缩时间并减少缩孔缺陷.

冷却应用和凝固控制

激冷器用于加速局部冷却并控制凝固模式.

通过增加选定区域的排热, 激冷减小热点的尺寸并促进朝向冒口的定向凝固.

用于车轮和盘铸件, 寒气主要分布在周围:

• 发生热集中的轮毂侧壁.
• 中心到网络的过渡区域.
• 局部厚壁断面收缩风险高.

然而, 必须仔细优化冷却位置. 薄边缘区域过度冷却可能会导致过早凝固, 导致误运行, 冷关, 或硬度不均匀.

所以, 除非需要特定的微观结构控制，否则通常避免在薄切片中激冷.

最有效的饲喂设计通常是以下组合： 隔热立管和正确定位的冷却件, 其中冷口控制热流，而冒口提供最终的收缩补偿.

常见喂养缺陷及解决方法

补缩设计不当会导致几种典型的铸造缺陷:

6. 融化, 球墨铸铁车轮铸件的球化和孕育工艺

球墨铸铁广泛用于重型车轮和盘铸件，因为它提供了出色的强度组合, 韧性, 疲劳性抗性, 和磨损性能.

与灰铸铁相比, 球墨铸铁含有球形石墨球, 显着减少应力集中并提高机械性能.

然而, 实现稳定的球墨铸铁质量需要精确控制熔炼, 镁治疗, 和接种过程.

熔化过程和化学控制

熔炼过程为球墨铸铁质量奠定了基础.

电感应炉被广泛使用，因为它们可以提供精确的温度和化学成分控制.

用于车轮铸件的典型球墨铸铁牌号包括:

• EN-GJS-450-10
• EN-GJS-600-3

典型的化学成分范围是:

典型温度控制:

• 出钢温度: 1500–1550°C
• 浇注温度: 1360–1420°C

严格控制硫和磷至关重要，因为过量含量会降低球化率和机械性能.

镁球化处理

镁处理是石墨由片状转变为球形球状的关键步骤. 最常见的方法是将镁硅铁合金添加到铁水中.

治疗期间, 镁与硫和氧反应, 引起强烈反应.

适当控制处理温度, 合金添加, 为了获得稳定的球状石墨，必须回收镁.

球化不良可能会导致:

• 蠕虫状石墨形成.
• 拉伸强度和伸长率降低.
• 抗疲劳能力较低.

一个优质的球墨铸铁结构应具备:

• 高石墨球化率.
• 石墨分布均匀.
• 控制结节大小.
• 根据性能要求选择合适的铁素体/珠光体基体.

孕育和石墨精炼

孕育改善了石墨成核并稳定了最终的微观结构. 通常分两个阶段进行: 出钢时初次孕育和浇注时二次孕育.

含钙硅铁孕育剂, 钡, 或常用锆.

有效的接种有助于:

• 增加石墨球数量.
• 减少碳化物形成.
• 提高机械性能.
• 实现均匀的硬度分布.

适用于大型车轮铸件, 孕育特别重要，因为砂型中的缓慢冷却会导致石墨粗大并降低强度.

7. 摇晃, 冷却热处理工艺

洗牌, 冷却, 热处理阶段对于保持尺寸精度起着重要作用, 机械性能, 车轮和盘铸件的长期使用可靠性.

虽然铸造过程是在凝固后完成的, 冷却过程中处理不当或过早从模具中取出可能会产生残余应力, 失真, 甚至开裂, 尤其是大直径部件, 壁厚不均匀, 以及严格的平衡要求.

落砂和保温时间控制

浇注固化后, 落砂前铸件必须在砂型内保留足够的时间.

砂型具有隔热作用，使铸件逐渐冷却, 减少厚截面和薄截面之间的温度梯度.

过早的震动过早地消除了这种热保护, 导致冷却不均匀并增加风险:

• 残余热应力引起的轮毂变形.
• 纸幅变形和平整度损失.
• 高应力区域表面开裂.

所需的保温时间主要取决于铸件尺寸, 壁厚, 材料类型, 和模具特性.

典型的保持时间是:

适用于大型球墨铸铁轮, 通常首选模具内部的延长冷却，因为缓慢冷却有助于减少热梯度并提高尺寸稳定性.

洗牌后, 铸件应小心处理. 大型车轮和圆盘铸件不应堆放或放置在不平坦的支撑下, 因为当金属仍处于高温时，它们的自重会导致永久弯曲变形.

落砂后的控制冷却

从模具中取出后, 车轮和盘铸件应在受控条件下继续冷却.

快速冷却, 特别适用于大截面球墨铸铁部件, 可能会在轮毂和轮辋区域之间产生过多的热应力.

正确的冷却实践包括:

• 避免用水或强气流强制冷却.
• 让铸件在受控环境中自然冷却.
• 均匀支撑铸件，防止重力变形.

用于球墨铸铁轮, 控制冷却也会影响最终的微观结构.

缓慢冷却促进石墨生长并减少不良碳化物的形成, 而过高的冷却速度可能会增加硬度并降低韧性.

消除应力热处理

由于冷却过程中不同部分以不同速率收缩，因此在铸造过程中会产生残余应力.

厚轮毂, 薄网, 和外缘经历不同的热收缩行为, 即使不存在可见缺陷也会产生内应力.

适用于高精度车轮部件, 尤其是刹车盘, 驱动轮, 和大型枢纽, 机械加工前通常进行去应力退火.

典型的压力缓解过程包括:

• 加热温度: 500–550°C
• 保温时间: 由铸件厚度和重量决定
• 控制炉冷却以最大限度地减少新的热应力

这种处理可减少残余应力并提高加工稳定性. 没有缓解压力, 铸件在粗加工或精加工过程中可能会变形，因为材料的去除会释放内应力.

8. 结论

轮和盘部件的砂型铸造是一个高度专业化的过程，需要模具设计之间的仔细协调, 门控技术, 喂养策略, 冶金, 和冷却控制.

生产高质量车轮铸件的关键不仅仅是实现完全填充, 但控制整个热和流体流动过程:

• 选择正确的铸造方向;
• 设计稳定、清洁的灌装系统;
• 管理集线器热点;
• 应用有效的冒口和冷口;
• 控制球墨铸铁冶金;
• 使用基于模拟的优化.

采用正确设计的砂型铸造工艺, 制造商可以生产具有优异机械性能的大型复杂轮毂铸件, 维度的准确性, 以及满足苛刻工业应用的长期服务可靠性.

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