整體式鋁合金輪轂鑄造工藝研究

整體式鋁合金輪轂鑄造工藝研究

1抗沖震性好，性能合理與鋼縱桿相比，鋁縱桿減少了非負荷重量，改善了抓地性，顯示了更精確的轉向運動和更好的彎曲性能。減少車輪和其他旋轉部分的熱慣性，具有良好的解熱性和抗速性。由于吸收了沖擊能力，抗疲勞抗地震能力優(yōu)于鋼環(huán)。硬度高，在過彎過程中減少車輪和車輪的傾斜角度，增加剛性。此外還具有同心度高、徑向端向跳動低、車子乘駛平穩(wěn)、受力合理、耐腐蝕、造型美觀、裝配方便和制造周期短等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，鋁合金輪轂與傳統(tǒng)的鋼輪轂相比，重量減輕了30%～40%，可節(jié)約油耗5%，汽車的振動程度可減輕12%，加速時間可縮短7%，明顯提高了整車性能。在摩托車、汽車行業(yè)鋁合金輪轂得到了廣泛的應用，其裝車比例逐年上升，尤其是在轎車行業(yè)，整體式鋁合金輪轂幾乎一統(tǒng)天下。2鑄件結構及工藝分析輪轂的鑄造工藝有低壓（差壓）鑄造法、重力鑄造法、壓力鑄造法、擠壓鑄造法（液態(tài)模鍛）等。壓力鑄造法由于充型速度高（0.5～100m/s），壓鑄件中不可避免混有氣泡、夾雜物，不能進行固溶淬火熱處理。液態(tài)模鍛制造方法其充型速度界于壓鑄和低壓鑄造之間，生產(chǎn)效率高、結晶壓力高（>40MPa），組織致密，鑄造力學性能提高，但充型不夠平穩(wěn)和難于滿足順序凝固，鑄件成品率不高，模具和設備投資大。重力鑄造法工序簡單、成熟，生產(chǎn)效率高，投資小，鑄件經(jīng)固溶處理后，具有良好的機械性能；但鑄件切削加工余量大，澆冒口系統(tǒng)復雜，回爐料多，澆注時易產(chǎn)生疏松、裂紋等缺陷，人為因素影響大，每件鑄件的工藝極不穩(wěn)定。低壓（差壓）鑄造法是底注式填充，充型比較平穩(wěn)；充型速度和凝固期間的壓力可以根據(jù)鑄件和鑄型的特點加以調(diào)整，并用程序控制，減少了人為主觀因素，工藝穩(wěn)定（即同批車輪的性能基本相同）；澆口同時起冒口作用，材料利用率高，一般可達90%；液體在壓力作用下凝固，鑄件組織致密，機械性能好，具有高的延伸率，所以針對車輪則更易通過型式試驗的驗證；鑄件夾雜、氣孔、針孔、疏松等缺陷少，合格率高，同時由于鑄件成型性好、成型輪廓清晰、表面光潔度高，有利于大型薄壁鑄件的成形，因此得到廣泛地應用。整體式鋁合金輪轂的鑄造冶金質(zhì)量、X射線探傷及尺寸精度要求很高，同時要求成本低、機械性能好，故最好采用低壓鑄造法。所選用的合金應具有高的韌性和良好的鑄造性能，即組織致密、無疏松夾雜，晶粒大小均勻。美國多選用A356.0，日本選用AC4CH，我國相應牌號為ZL101A。材料收縮率為0.55%～0.65%。整體式鋁合金輪轂鑄件結構圖和三維設計圖分別如圖1、圖2所示，最大外徑420mm，高度為195mm，中心輪轂部位壁厚10～30mm，其余部位均為8.0～9.5mm,重5.65kg。輪輻與輪輞連接處存在著熱節(jié)點。3模具結構的設計與優(yōu)化在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質(zhì)量對鋁合金輪轂的整體質(zhì)量影響最大。鑄造質(zhì)量取決于合金選擇、模具質(zhì)量、熔煉工藝、合金變質(zhì)和熱處理等一系列工藝控制過程。模具是成型輪轂的關鍵工藝裝備，其結構的設計與優(yōu)化是輪轂生產(chǎn)企業(yè)的工藝關鍵。圖3為200整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具。由于輪轂屬于大批量生產(chǎn)的有色金屬產(chǎn)品，故該模具屬于典型的金屬型型腔模具。模具包括成型系統(tǒng)（又稱鑄型）、鑄型排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)五大組成部分。(1）雙側模液壓抽芯機構設計鑄型采用水平分型，分上模、側模和下模三部分。側模與下模分型面選擇在離車輪下端面上偏尺寸R處，以保證車加工時定位準確，并省卻除飛邊工序。側模為四塊均等結構，可與機器的水平液壓抽芯機構連接，同時定位在上模的T型槽中。上、下模材料采用熱作模具鋼，如H13，側模選用QT400或35CrMo模具鋼。(2）漸變度的確定確定車輪輪輞機加工余量時，在對機加工部位留正常的余量后，還應考慮鑄造時輪輞的順序冷卻，即要求鑄件壁厚有一定的漸變度，上（下）部比下（上）部增厚0.5～1mm。根據(jù)此輪輞順序冷卻原則對輪輞余量作相應的增加，以保證鑄件的順序冷卻。(3）鑄型的順序凝固在設計低壓鑄造金屬型模具時，針對金屬型的特點，影響鑄件凝固時間及溫度場的主要因素為鑄型的蓄熱能力，利用金屬型的壁厚度的變化，可以有效地控制鑄件的凝固過程，實現(xiàn)鑄件的順序凝固。鑄型的中心部位，鑄件壁較厚，為了充分發(fā)揮中心澆口的補縮作用，有利于鑄件的順序凝固，希望此處最后凝固。在確定鑄型壁厚時，選取了較小的壁厚比，即鑄型壁厚(δm)與鑄件壁厚(δc)之比較小，δm/δc=1.5～1.8；而在鑄型四周輪緣部位，鑄件壁較薄，此處鑄件應最先凝固，選取了較大的壁厚比，即δm/δc=4～4.8。鑄型的其他部位平滑過渡。在輪輞與輪幅相連接的部位存在著熱節(jié)點，為了增大此處的冷卻強度，選取了更大的壁厚比，即δm/δc>5?；谏鲜鲈O計原則，可確定鑄型各部分的壁厚尺寸。(4）排氣通道設計由于低壓鑄造金屬型型腔基本是封閉的，既不像砂型具有透氣性，也不像一般重力澆注那樣通過明冒口等措施進行排氣，因此，低壓鑄造鑄型的排氣情況直接影響金屬液充型過程及鑄件質(zhì)量?？赏ㄟ^分型面、頂出桿等處的間隙、排氣槽和排氣塞來實現(xiàn)排氣。本鑄型設計仔細考慮了排氣通道：上模芯組件周邊開設V型間隔5×5°、深0.8～1的排氣槽，在分流錐與上模芯組件配合處開設了0.4深的排氣槽，以利于逐漸中心處的氣體的順利排出。在安裝面上根據(jù)螺栓孔數(shù)目的多少而布置同等數(shù)量的推桿，此推桿既作為頂出制品用，又作為排氣用，該處推桿間隙為0.1～0.2mm。在深凹輻板處、鑄件較大平面處上下均設置有排氣塞。為防止涂料堵死排氣塞，排氣塞設計為可拆卸式，以便隨時可清理排氣塞通氣道。(5）注系統(tǒng)升液管出口計算澆注過程中由于鋁合金液易氧化，所以會產(chǎn)生氧化夾渣、針孔等鑄造缺陷，故低壓鑄造澆注系統(tǒng)的設計，作如下考慮：保證升液和充型時金屬液流平穩(wěn)，呈層流狀態(tài)，避免減氣，故鐵澆口尺寸要嚴格控制以利于鑄件的順序凝固和在壓力作用下補縮；鋁合金鑄件應采用開放式澆注系統(tǒng)，即∑F內(nèi)>∑F升液管出口(F為截面積)。為實現(xiàn)金屬液充型時的“層流狀態(tài)”，可以用下列公式計算升液管出口面積∑F升液管出口：式中G———金屬液質(zhì)量，取5.65kg;t———充型時間，根據(jù)鑄件結構及質(zhì)量確定，s;μ———金屬液在某溫度時的流動阻力因數(shù)(俗稱流動阻力系數(shù))。根據(jù)經(jīng)驗選取阻力因數(shù)為0.35;H———金屬液所需上升的高度，cm;計算后確定升液管出口面積∑F升液管出口=12cm2。根據(jù)資料介紹，充型時金屬液的線速度ω不應超過150cm/s，否則會產(chǎn)生渦流沖刷?？梢杂孟铝泄胶怂憬饘僖旱木€速度：計算得ω=65.4cm/s。故充型時金屬液線速度ω小于150cm/s。此外，在澆口與分流錐之間，設置有過濾網(wǎng)，分流錐設計為（平）圓頂，以頂住過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)一模一件以濾渣，還可避免紊流。過濾網(wǎng)類型有陶瓷過濾網(wǎng)、鐵絲網(wǎng)等。(6）冷卻鑄造工藝對模具水冷型的影響輪輻與輪輞相交處是車輪的直接受力部位，且是應力集中區(qū)，若冷卻不當，會產(chǎn)生縮松或熱裂，而輪輞部位由于制品是無內(nèi)胎直充氣輪胎，在輪輞部位也不允許產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。因此，冷卻系統(tǒng)的設計原則是：首先輪輞部位由上往下順序凝固，隨后輪輻部位由外部向中心逐漸冷卻；這樣鑄件冷卻時才能保證充分補縮，防止產(chǎn)生縮孔、縮松、夾渣、熱裂等缺陷。而鑄件厚度一般在8.0～9.5mm，且輪輞遠離中心澆口，鑄件散熱較快，由模具本身自然冷卻即可，但對模具自然散熱而言，需保證由上往下的順序凝固。模具在預熱爐中預熱至300～400℃（鋁液溫度695±10℃），由于在安裝到鑄造機期間溫度降低，需再用液化氣燃具烘烤到控制的溫度以減少初期不良影響因素。生產(chǎn)中鑄型溫度一般控制在350～450℃，且上、下、側模的溫差盡可能小。模具冷卻有風冷、水冷型，生產(chǎn)中配合加壓澆注系統(tǒng)設定模具冷卻時段，由設備計算機自動控制，并可記錄典型工藝的冷卻模式。本模具冷卻位置在輪轂的熱節(jié)處，模具外圍設置保溫棉，以均衡冷卻過程，模具采用水冷卻方式，如模具結構圖3。冷卻部位主要集中在車輪輪輻、中心澆口處，而輪輞部位則無冷卻系統(tǒng)。4零件的質(zhì)量指標采用