新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车铝合金轮毂制造新工艺液态模锻的应用

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发表于 2011-7-6 15:39:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
  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。
  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。
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。
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。
发表于 2013-12-28 11:24:04 | 显示全部楼层
新的趋势是锻造铝合金或半固态铝合金轮毂
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