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(fù)荷重量，改善了抓地性，顯示了更精確的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和更好的彎曲性能。減少車輪和其他旋轉(zhuǎn)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(dòng)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(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)程度可減輕12%，加速時(shí)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)晶壓力高（>40MPa），組織致密，鑄造力學(xué)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(shè)備投資大。重力鑄造法工序簡(jiǎn)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(jī)械性能；但鑄件切削加工余量大，澆冒口系統(tǒng)復(fù)雜，回爐料多，澆注時(shí)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(diǎn)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(shí)起冒口作用，材料利用率高，一般可達(dá)90%；液體在壓力作用下凝固，鑄件組織致密，機(jī)械性能好，具有高的延伸率，所以針對(duì)車輪則更易通過型式試驗(yàn)的驗(yàn)證；鑄件夾雜、氣孔、針孔、疏松等缺陷少，合格率高，同時(shí)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(yīng)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(shí)要求成本低、機(jī)械性能好，故最好采用低壓鑄造法。所選用的合金應(yīng)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(yīng)牌號(hào)為ZL101A。材料收縮率為0.55%～0.65%。整體式鋁合金輪轂鑄件結(jié)構(gòu)圖和三維設(shè)計(jì)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(diǎn)。3模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質(zhì)量對(duì)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(guān)鍵工藝裝備，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是輪轂生產(chǎn)企業(yè)的工藝關(guān)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(cè)模液壓抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄型采用水平分型，分上模、側(cè)模和下模三部分。側(cè)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(shí)定位準(zhǔn)確，并省卻除飛邊工序。側(cè)模為四塊均等結(jié)構(gòu)，可與機(jī)器的水平液壓抽芯機(jī)構(gòu)連接，同時(shí)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(cè)模選用QT400或35CrMo模具鋼。(2）漸變度的確定確定車輪輪輞機(jī)加工余量時(shí)，在對(duì)機(jī)加工部位留正常的余量后，還應(yīng)考慮鑄造時(shí)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(duì)輪輞余量作相應(yīng)的增加，以保證鑄件的順序冷卻。(3）鑄型的順序凝固在設(shè)計(jì)低壓鑄造金屬型模具時(shí)，針對(duì)金屬型的特點(diǎn)，影響鑄件凝固時(shí)間及溫度場(chǎng)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(shí)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(bǔ)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(shí)，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(yīng)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(diǎn)，為了增大此處的冷卻強(qiáng)度，選取了更大的壁厚比，即δm/δc>5?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)原則，可確定鑄型各部分的壁厚尺寸。(4）排氣通道設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)排氣。本鑄型設(shè)計(jì)仔細(xì)考慮了排氣通道：上模芯組件周邊開設(shè)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(shè)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(shè)置有排氣塞。為防止涂料堵死排氣塞，排氣塞設(shè)計(jì)為可拆卸式，以便隨時(shí)可清理排氣塞通氣道。(5）注系統(tǒng)升液管出口計(jì)算澆注過程中由于鋁合金液易氧化，所以會(huì)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(shè)計(jì)，作如下考慮：保證升液和充型時(shí)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(yán)格控制以利于鑄件的順序凝固和在壓力作用下補(bǔ)縮；鋁合金鑄件應(yīng)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(shí)現(xiàn)金屬液充型時(shí)的“層流狀態(tài)”，可以用下列公式計(jì)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(shí)間，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)及質(zhì)量確定，s;μ———金屬液在某溫度時(shí)的流動(dòng)阻力因數(shù)(俗稱流動(dòng)阻力系數(shù))。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取阻力因數(shù)為0.35;H———金屬液所需上升的高度，cm;計(jì)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(shí)金屬液的線速度ω不應(yīng)超過150cm/s，否則會(huì)產(chǎn)生渦流沖刷?？梢杂孟铝泄胶怂憬饘僖旱木€速度：計(jì)算得ω=65.4cm/s。故充型時(shí)金屬液線速度ω小于150cm/s。此外，在澆口與分流錐之間，設(shè)置有過濾網(wǎng)，分流錐設(shè)計(jì)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(duì)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(yīng)力集中區(qū)，若冷卻不當(dāng)，會(huì)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(shè)計(jì)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(shí)才能保證充分補(bǔ)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(yuǎn)離中心澆口，鑄件散熱較快，由模具本身自然冷卻即可，但對(duì)模具自然散熱而言，需保證由上往下的順序凝固。模具在預(yù)熱爐中預(yù)熱至300～400℃（鋁液溫度695±10℃），由于在安裝到鑄造機(jī)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(cè)模的溫差盡可能小。模具冷卻有風(fēng)冷、水冷型，生產(chǎn)中配合加壓澆注系統(tǒng)設(shè)定模具冷卻時(shí)段，由設(shè)備計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shè)置保溫棉，以均衡冷卻過程，模具采用水冷卻方式，如模具結(jié)構(gòu)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(biāo)采用