轿车铝合金轮毂的液态模锻
2007-4-25 14:05:55 【文章字体：大 中 小】 打印 收藏 关闭
原作者：张广安 吴树迎 李玉书 李义
一、引言
铝合金轮毂是钢质轮毂的换代产品，它具有质量轻、导热快、美观华贵、节能安全等优点，目前国内外已广泛应用于轿车及其它轻型客车上。随着我国汽车工业的快速发展以及国外配件需求量的增加，市场容量十分可观。目前国内外制造铝合金轮毂的方法主要分为两大类：一类是锻造法，其中国外最先进的工艺是由连铸工序和三个锻造工序组成，该法虽然质量好，但成品率只有50%左右，价格昂贵。另一类是铸造法，分重力铸造和低压铸造。重力铸造法产品中缩孔、疏松、气孔等缺陷严重，机械强度低，成品率低，国外已经淘汰。目前国内外大多采用低压铸造法，该法产品质量和成品率都有一定提高，但工艺复杂，设备投资太大，从国外引进年产30万件的设备需投资亿元以上。采用液态模锻法，使铝合金在高压下结晶，并在结晶过程中产生一定量的变形，消除了缩孔、疏松、气孔等缺陷，产品既具有接近锻件的优良机械性能，又有精铸件一次精密成型的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。
二、轮毂的工艺特点及工艺关键
轮毂是一个如图1所示的零件，类似一个较浅的杯形件，壁较薄，壁厚基本均匀，轮缘直径较大，高度适中，基本适合液态模锻工艺。制造的主要困难在于采用直接液态模锻法时，轮缘与原浇注液面之间容易形成较深的冷隔，必须采取措施避免。
图1
影响工件内部结晶质量及力学性能的关键是温度场与应力场的控制，而影响温度场的因素又较多，因此必须通过试验和计算找到比较理想的温度——时间曲线。而应力场直接关系到工件中缩孔、疏松、气孔等缺陷的消除，必须确定合适的应力场分布，为获得高质量的工件打下基础。
三、模具设计及成形条件的确定
1.模具设计
考虑到工件表面可能出现夹杂等缺陷，厚度尺寸必须留有一定的机加工余量，所以在零件图厚度尺寸上单边加放0.5mm，并取拔模斜度1.5°，绘出锻件图。以该图为依据设计模具。根据工件的结构特点，必须采取直接液态模锻法，凹模采取垂直分型面，以便工件出模。采用垂直分模就必须有水平方向锁紧装置，考虑到设备条件限制，因此采用锥形护环锁紧装置，见图2中件3。工作时，在件4、6、8组成的凹模中浇注金属后，上模下行，件3首先压紧件4、8形成锁模，随后凸模6加压成形，保压后，凸模6随上模上行，件3在弹簧作用下仍压紧4、8，以便凸
模脱模，弹簧压紧力应大于凸模脱模力，最后件2带动件3上行，件4、8分开取出工件。由于是试验模具，导向主要靠设备导向。合模行程由加压力控制，这样可能会给轮辐部分厚度尺寸带来误差，但并不影响试验效果却大大简化了定量浇注装置。
图2
2.成形工艺条件的确定
（1）铝合金的熔炼及模具准备
轮毂工作时承受较大的冲击载荷，常用铝—硅合金制造。选用ZL107合金，电炉熔炼，以便比较准确地控制熔炼温度，并最好进行精炼除气处理。由于金属充填距离较长，为了增加充填性，浇注温度提高到730℃，模具工作前应预热到310℃，采用电阻丝加热，预热同时涂润滑剂，以便顺利脱模。采用石墨+机油为润滑剂，为了保证均匀，最好采用喷涂。浇注温度与模具温度太高，会使工件表面粗糙甚至粘焊，温度过低，金属冷却太快，给充填成形造成困难。
（2）浇注与加压
液态模锻时没有浇口和冒口，所以要比较精确地定量浇注。采用漏斗浇注，漏斗需加热至与金属液相近的温度，进行“底注”，以避免金属液喷溅到模具上造成缺陷。由于工件平面尺寸较大，散热较快，要在尽可能短的时间内浇注完毕，大型液压机速度较慢，快速下行转入工作加压需要一定时间，所以浇注后让凸模尽快下行，使开始加压时间控制在5－8s，加压速度在0.1m/s左右。速度太快会使金属液向外喷溅，造成浇不足。加压压力要大于100MPa，这是由于轮缘有一定高度，压力太低，会在轮缘与轮辐的连接部分压力不足，机械性能较差。保压时间约10s，冷却时间在15－20s，保压冷却时间太长，工件温度过低，会使脱模力大幅度增加，脱模困难甚至造成工件收缩破裂。
3.环形冷隔的处理
直接液态模锻时部分金属液上移充型，它与原金属液面之间形成一圈冷隔，这种冷隔有时是难以避免的，提高浇注温度与模具预热温度，缩短开始加压时间后，冷隔有所减轻，但无法完全避免，仍有1－1.5mm深冷隔，如图3所示。为此，在模具上冷隔形成的高度开一个R2的半圆弧，使冷隔形成在突起的圆弧上，在机加工工序切除，这样就完全消除了冷隔的影响。
图3
四、轮毂机械性能的检测
为了检测轮毂的机械性能，首先对其进行热处理，热处理条件为515±5℃保温6h淬火，175±5℃保温6h回火，并加工成试件。检测结果如表1所列。
表1液态模锻轮毂力学性能
-
试件号
σb(MPa)
δ(%)
HB
液态模锻
1
314
7.4
110
2
327
7.1
104
3
321
7.0
113
平均值
321
7.2
109
低压铸造
-
245
2.5
90
五、
结论
（1）汽车铝合金轮毂的液态模锻工艺可行，产品性能优于目前的制造方法。
（2）该工艺设备简单、投资小，材料利用率高，产品成本低。
（3）工艺过程容易实现自动化，适于汽车配件的批量生产。
参考文献
[1]上海交通大学.液态模锻.北京：国防工业出版社，1981.
[2]齐胚骧.挤压铸造.北京：国防工业出版社，1984.
[3]周大隽等.液态模锻技术的应用及新发展.锻压技术，1993，18（5）.
[4]大泽佳郎.汽车铝合金锻件现状.锻压技术.1993，18（6）.
信息来源： 佳工机电网
轿车铝合金轮毂的液态模锻
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原作者：张广安 吴树迎 李玉书 李义
一、引言
铝合金轮毂是钢质轮毂的换代产品，它具有质量轻、导热快、美观华贵、节能安全等优点，目前国内外已广泛应用于轿车及其它轻型客车上。随着我国汽车工业的快速发展以及国外配件需求量的增加，市场容量十分可观。目前国内外制造铝合金轮毂的方法主要分为两大类：一类是锻造法，其中国外最先进的工艺是由连铸工序和三个锻造工序组成，该法虽然质量好，但成品率只有50%左右，价格昂贵。另一类是铸造法，分重力铸造和低压铸造。重力铸造法产品中缩孔、疏松、气孔等缺陷严重，机械强度低，成品率低，国外已经淘汰。目前国内外大多采用低压铸造法，该法产品质量和成品率都有一定提高，但工艺复杂，设备投资太大，从国外引进年产30万件的设备需投资亿元以上。采用液态模锻法，使铝合金在高压下结晶，并在结晶过程中产生一定量的变形，消除了缩孔、疏松、气孔等缺陷，产品既具有接近锻件的优良机械性能，又有精铸件一次精密成型的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。
二、轮毂的工艺特点及工艺关键
轮毂是一个如图1所示的零件，类似一个较浅的杯形件，壁较薄，壁厚基本均匀，轮缘直径较大，高度适中，基本适合液态模锻工艺。制造的主要困难在于采用直接液态模锻法时，轮缘与原浇注液面之间容易形成较深的冷隔，必须采取措施避免。
图1
影响工件内部结晶质量及力学性能的关键是温度场与应力场的控制，而影响温度场的因素又较多，因此必须通过试验和计算找到比较理想的温度——时间曲线。而应力场直接关系到工件中缩孔、疏松、气孔等缺陷的消除，必须确定合适的应力场分布，为获得高质量的工件打下基础。
三、模具设计及成形条件的确定
1.模具设计
考虑到工件表面可能出现夹杂等缺陷，厚度尺寸必须留有一定的机加工余量，所以在零件图厚度尺寸上单边加放0.5mm，并取拔模斜度1.5°，绘出锻件图。以该图为依据设计模具。根据工件的结构特点，必须采取直接液态模锻法，凹模采取垂直分型面，以便工件出模。采用垂直分模就必须有水平方向锁紧装置，考虑到设备条件限制，因此采用锥形护环锁紧装置，见图2中件3。工作时，在件4、6、8组成的凹模中浇注金属后，上模下行，件3首先压紧件4、8形成锁模，随后凸模6加压成形，保压后，凸模6随上模上行，件3在弹簧作用下仍压紧4、8，以便凸
模脱模，弹簧压紧力应大于凸模脱模力，最后件2带动件3上行，件4、8分开取出工件。由于是试验模具，导向主要靠设备导向。合模行程由加压力控制，这样可能会给轮辐部分厚度尺寸带来误差，但并不影响试验效果却大大简化了定量浇注装置。
图2
2.成形工艺条件的确定
（1）铝合金的熔炼及模具准备
轮毂工作时承受较大的冲击载荷，常用铝—硅合金制造。选用ZL107合金，电炉熔炼，以便比较准确地控制熔炼温度，并最好进行精炼除气处理。由于金属充填距离较长，为了增加充填性，浇注温度提高到730℃，模具工作前应预热到310℃，采用电阻丝加热，预热同时涂润滑剂，以便顺利脱模。采用石墨+机油为润滑剂，为了保证均匀，最好采用喷涂。浇注温度与模具温度太高，会使工件表面粗糙甚至粘焊，温度过低，金属冷却太快，给充填成形造成困难。
（2）浇注与加压
液态模锻时没有浇口和冒口，所以要比较精确地定量浇注。采用漏斗浇注，漏斗需加热至与金属液相近的温度，进行“底注”，以避免金属液喷溅到模具上造成缺陷。由于工件平面尺寸较大，散热较快，要在尽可能短的时间内浇注完毕，大型液压机速度较慢，快速下行转入工作加压需要一定时间，所以浇注后让凸模尽快下行，使开始加压时间控制在5－8s，加压速度在0.1m/s左右。速度太快会使金属液向外喷溅，造成浇不足。加压压力要大于100MPa，这是由于轮缘有一定高度，压力太低，会在轮缘与轮辐的连接部分压力不足，机械性能较差。保压时间约10s，冷却时间在15－20s，保压冷却时间太长，工件温度过低，会使脱模力大幅度增加，脱模困难甚至造成工件收缩破裂。
3.环形冷隔的处理
直接液态模锻时部分金属液上移充型，它与原金属液面之间形成一圈冷隔，这种冷隔有时是难以避免的，提高浇注温度与模具预热温度，缩短开始加压时间后，冷隔有所减轻，但无法完全避免，仍有1－1.5mm深冷隔，如图3所示。为此，在模具上冷隔形成的高度开一个R2的半圆弧，使冷隔形成在突起的圆弧上，在机加工工序切除，这样就完全消除了冷隔的影响。
图3
四、轮毂机械性能的检测
为了检测轮毂的机械性能，首先对其进行热处理，热处理条件为515±5℃保温6h淬火，175±5℃保温6h回火，并加工成试件。检测结果如表1所列。
表1液态模锻轮毂力学性能
-
试件号
σb(MPa)
δ(%)
HB
液态模锻
1
314
7.4
110
2
327
7.1
104
3
321
7.0
113
平均值
321
7.2
109
低压铸造
-
245
2.5
90
五、
结论
（1）汽车铝合金轮毂的液态模锻工艺可行，产品性能优于目前的制造方法。
（2）该工艺设备简单、投资小，材料利用率高，产品成本低。
（3）工艺过程容易实现自动化，适于汽车配件的批量生产。
参考文献
[1]上海交通大学.液态模锻.北京：国防工业出版社，1981.
[2]齐胚骧.挤压铸造.北京：国防工业出版社，1984.
[3]周大隽等.液态模锻技术的应用及新发展.锻压技术，1993，18（5）.
[4]大泽佳郎.汽车铝合金锻件现状.锻压技术.1993，18（6）.
信息来源： 佳工机电网