整体式铝合金轮毂铸造工艺研究

整体式铝合金轮毂铸造工艺研究

1抗冲震性好，性能合理与钢纵杆相比，铝纵杆减少了非负荷重量，改善了抓地性，显示了更精确的转向运动和更好的弯曲性能。减少车轮和其他旋转部分的热惯性，具有良好的解热性和抗速性。由于吸收了冲击能力，抗疲劳抗地震能力优于钢环。硬度高，在过弯过程中减少车轮和车轮的倾斜角度，增加刚性。此外还具有同心度高、径向端向跳动低、车子乘驶平稳、受力合理、耐腐蚀、造型美观、装配方便和制造周期短等优点。据统计，铝合金轮毂与传统的钢轮毂相比，重量减轻了30%～40%，可节约油耗5%，汽车的振动程度可减轻12%，加速时间可缩短7%，明显提高了整车性能。在摩托车、汽车行业铝合金轮毂得到了广泛的应用，其装车比例逐年上升，尤其是在轿车行业，整体式铝合金轮毂几乎一统天下。2铸件结构及工艺分析轮毂的铸造工艺有低压（差压）铸造法、重力铸造法、压力铸造法、挤压铸造法（液态模锻）等。压力铸造法由于充型速度高（0.5～100m/s），压铸件中不可避免混有气泡、夹杂物，不能进行固溶淬火热处理。液态模锻制造方法其充型速度界于压铸和低压铸造之间，生产效率高、结晶压力高（>40MPa），组织致密，铸造力学性能提高，但充型不够平稳和难于满足顺序凝固，铸件成品率不高，模具和设备投资大。重力铸造法工序简单、成熟，生产效率高，投资小，铸件经固溶处理后，具有良好的机械性能；但铸件切削加工余量大，浇冒口系统复杂，回炉料多，浇注时易产生疏松、裂纹等缺陷，人为因素影响大，每件铸件的工艺极不稳定。低压（差压）铸造法是底注式填充，充型比较平稳；充型速度和凝固期间的压力可以根据铸件和铸型的特点加以调整，并用程序控制，减少了人为主观因素，工艺稳定（即同批车轮的性能基本相同）；浇口同时起冒口作用，材料利用率高，一般可达90%；液体在压力作用下凝固，铸件组织致密，机械性能好，具有高的延伸率，所以针对车轮则更易通过型式试验的验证；铸件夹杂、气孔、针孔、疏松等缺陷少，合格率高，同时由于铸件成型性好、成型轮廓清晰、表面光洁度高，有利于大型薄壁铸件的成形，因此得到广泛地应用。整体式铝合金轮毂的铸造冶金质量、X射线探伤及尺寸精度要求很高，同时要求成本低、机械性能好，故最好采用低压铸造法。所选用的合金应具有高的韧性和良好的铸造性能，即组织致密、无疏松夹杂，晶粒大小均匀。美国多选用A356.0，日本选用AC4CH，我国相应牌号为ZL101A。材料收缩率为0.55%～0.65%。整体式铝合金轮毂铸件结构图和三维设计图分别如图1、图2所示，最大外径420mm，高度为195mm，中心轮毂部位壁厚10～30mm，其余部位均为8.0～9.5mm,重5.65kg。轮辐与轮辋连接处存在着热节点。3模具结构的设计与优化在轮毂的制造过程中，铸件毛坯质量对铝合金轮毂的整体质量影响最大。铸造质量取决于合金选择、模具质量、熔炼工艺、合金变质和热处理等一系列工艺控制过程。模具是成型轮毂的关键工艺装备，其结构的设计与优化是轮毂生产企业的工艺关键。图3为200整体式铝合金轮毂低压铸造模具。由于轮毂属于大批量生产的有色金属产品，故该模具属于典型的金属型型腔模具。模具包括成型系统（又称铸型）、铸型排气系统、浇注系统、冷却系统和顶出系统五大组成部分。(1）双侧模液压抽芯机构设计铸型采用水平分型，分上模、侧模和下模三部分。侧模与下模分型面选择在离车轮下端面上偏尺寸R处，以保证车加工时定位准确，并省却除飞边工序。侧模为四块均等结构，可与机器的水平液压抽芯机构连接，同时定位在上模的T型槽中。上、下模材料采用热作模具钢，如H13，侧模选用QT400或35CrMo模具钢。(2）渐变度的确定确定车轮轮辋机加工余量时，在对机加工部位留正常的余量后，还应考虑铸造时轮辋的顺序冷却，即要求铸件壁厚有一定的渐变度，上（下）部比下（上）部增厚0.5～1mm。根据此轮辋顺序冷却原则对轮辋余量作相应的增加，以保证铸件的顺序冷却。(3）铸型的顺序凝固在设计低压铸造金属型模具时，针对金属型的特点，影响铸件凝固时间及温度场的主要因素为铸型的蓄热能力，利用金属型的壁厚度的变化，可以有效地控制铸件的凝固过程，实现铸件的顺序凝固。铸型的中心部位，铸件壁较厚，为了充分发挥中心浇口的补缩作用，有利于铸件的顺序凝固，希望此处最后凝固。在确定铸型壁厚时，选取了较小的壁厚比，即铸型壁厚(δm)与铸件壁厚(δc)之比较小，δm/δc=1.5～1.8；而在铸型四周轮缘部位，铸件壁较薄，此处铸件应最先凝固，选取了较大的壁厚比，即δm/δc=4～4.8。铸型的其他部位平滑过渡。在轮辋与轮幅相连接的部位存在着热节点，为了增大此处的冷却强度，选取了更大的壁厚比，即δm/δc>5。基于上述设计原则，可确定铸型各部分的壁厚尺寸。(4）排气通道设计由于低压铸造金属型型腔基本是封闭的，既不像砂型具有透气性，也不像一般重力浇注那样通过明冒口等措施进行排气，因此，低压铸造铸型的排气情况直接影响金属液充型过程及铸件质量。可通过分型面、顶出杆等处的间隙、排气槽和排气塞来实现排气。本铸型设计仔细考虑了排气通道：上模芯组件周边开设V型间隔5×5°、深0.8～1的排气槽，在分流锥与上模芯组件配合处开设了0.4深的排气槽，以利于逐渐中心处的气体的顺利排出。在安装面上根据螺栓孔数目的多少而布置同等数量的推杆，此推杆既作为顶出制品用，又作为排气用，该处推杆间隙为0.1～0.2mm。在深凹辐板处、铸件较大平面处上下均设置有排气塞。为防止涂料堵死排气塞，排气塞设计为可拆卸式，以便随时可清理排气塞通气道。(5）注系统升液管出口计算浇注过程中由于铝合金液易氧化，所以会产生氧化夹渣、针孔等铸造缺陷，故低压铸造浇注系统的设计，作如下考虑：保证升液和充型时金属液流平稳，呈层流状态，避免减气，故铁浇口尺寸要严格控制以利于铸件的顺序凝固和在压力作用下补缩；铝合金铸件应采用开放式浇注系统，即∑F内>∑F升液管出口(F为截面积)。为实现金属液充型时的“层流状态”，可以用下列公式计算升液管出口面积∑F升液管出口：式中G———金属液质量，取5.65kg;t———充型时间，根据铸件结构及质量确定，s;μ———金属液在某温度时的流动阻力因数(俗称流动阻力系数)。根据经验选取阻力因数为0.35;H———金属液所需上升的高度，cm;计算后确定升液管出口面积∑F升液管出口=12cm2。根据资料介绍，充型时金属液的线速度ω不应超过150cm/s，否则会产生涡流冲刷。可以用下列公式核算金属液的线速度：计算得ω=65.4cm/s。故充型时金属液线速度ω小于150cm/s。此外，在浇口与分流锥之间，设置有过滤网，分流锥设计为（平）圆顶，以顶住过滤网，过滤网一模一件以滤渣，还可避免紊流。过滤网类型有陶瓷过滤网、铁丝网等。(6）冷却铸造工艺对模具水冷型的影响轮辐与轮辋相交处是车轮的直接受力部位，且是应力集中区，若冷却不当，会产生缩松或热裂，而轮辋部位由于制品是无内胎直充气轮胎，在轮辋部位也不允许产生缩孔、缩松等缺陷。因此，冷却系统的设计原则是：首先轮辋部位由上往下顺序凝固，随后轮辐部位由外部向中心逐渐冷却；这样铸件冷却时才能保证充分补缩，防止产生缩孔、缩松、夹渣、热裂等缺陷。而铸件厚度一般在8.0～9.5mm，且轮辋远离中心浇口，铸件散热较快，由模具本身自然冷却即可，但对模具自然散热而言，需保证由上往下的顺序凝固。模具在预热炉中预热至300～400℃（铝液温度695±10℃），由于在安装到铸造机期间温度降低，需再用液化气燃具烘烤到控制的温度以减少初期不良影响因素。生产中铸型温度一般控制在350～450℃，且上、下、侧模的温差尽可能小。模具冷却有风冷、水冷型，生产中配合加压浇注系统设定模具冷却时段，由设备计算机自动控制，并可记录典型工艺的冷却模式。本模具冷却位置在轮毂的热节处，模具外围设置保温棉，以均衡冷却过程，模具采用水冷却方式，如模具结构图3。冷却部位主要集中在车轮轮辐、中心浇口处，而轮辋部位则无冷却系统。4零件的质量指标采用