鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于輕合金成形技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆阡X合金車輪制造業(yè)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國內(nèi)外鋁合金車輪的成形工藝主要以鑄造工藝為主，常用的鑄造工藝包括低壓鑄造和重力鑄造。低壓鑄造過程是鋁液位于模具下方保溫爐內(nèi)，通過低壓氣體壓力的作用鋁液沿著升液管自下而上進(jìn)入模具型腔完成充型，并在低壓氣體壓力作用下進(jìn)行凝固及低壓補(bǔ)縮來成形車輪。重力鑄造是靠重力的作用，進(jìn)行自上而下的充型澆鑄，還要靠澆口處液體的重力作用或?qū)ｉT設(shè)置的補(bǔ)縮腔內(nèi)液體的重力作用來實(shí)現(xiàn)凝固過程中的補(bǔ)縮。
[0003]車輪作為汽車的重要安全部件，車輪的質(zhì)量直接影響汽車的安全性及輕量節(jié)能效果，目前重力及低壓鑄造兩種工藝均面臨著一些問題，例如兩種工藝的共同弱點(diǎn)就是補(bǔ)縮壓力低、補(bǔ)縮能力弱、塑性指標(biāo)低。尤其低壓鑄造的車輪，中心輪盤處的延伸率總是不能令人滿意，重力鑄造的車輪雖然中心輪盤處的延伸率略高于低壓鑄造的產(chǎn)品，但由于補(bǔ)縮澆口的存在，導(dǎo)致材料利用率低且存在去澆口工序復(fù)雜的問題，不能令人滿意，并且由于重力澆鑄存在卷氣現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部經(jīng)常存在氣孔、縮孔以及縮松等缺陷。
[0004]專利申請?zhí)?CN201310345280.5公開的“金屬型輔壓重力鑄造系統(tǒng)及鑄造方法”，該方法為料液邊模澆鑄，澆口廢料較大，本發(fā)明采用中心澆鑄，中心澆鑄保證了充型過程中鑄坯圓周方向的均勻性，澆口處的鋁液在補(bǔ)縮壓力的作用下被強(qiáng)力推注到模具型腔，顯著地提高了材料利用率；該發(fā)明中采用壓縮空氣補(bǔ)縮，壓力為0.15-0.2MPa，本發(fā)明采用補(bǔ)縮活塞對料液進(jìn)行強(qiáng)力加壓補(bǔ)縮，補(bǔ)縮壓力范圍0.1-3.0MPa, 二者補(bǔ)縮壓力與方法均不同；從原理上看，該專利從中心補(bǔ)縮加壓處經(jīng)模具型腔直至邊澆澆口處未形成封閉型腔，本發(fā)明的強(qiáng)力補(bǔ)縮是在密閉的模具型腔上施壓的。
[0005]專利申請?zhí)?CN200710027352.6C公開的“鋁合金車輪氣體壓力鑄造裝置及其鑄造方法”以及專利申請?zhí)?201320016053.3公開的“輪轂反重力補(bǔ)縮鑄造模具”，兩專利中補(bǔ)縮介質(zhì)均為壓縮空氣，而本發(fā)明采用間隙配合的補(bǔ)縮活塞對料液進(jìn)行強(qiáng)力加壓補(bǔ)縮，前者為氣體補(bǔ)縮，后者為機(jī)械方法補(bǔ)縮；兩專利中用于補(bǔ)縮加壓的型腔均為上小下大的圓臺形，獲得的是帶有凹坑的半高圓錐臺形澆口的鑄件，仍需進(jìn)一步去除澆口，本專利所述的補(bǔ)縮加壓室為與加壓活塞間隙配合的等內(nèi)徑的通孔，且有效加壓補(bǔ)縮容積為模具型腔的6?8%，加壓補(bǔ)縮完成時，有效補(bǔ)縮容積被推注到模具型腔，故可獲得無澆口鑄件，自然省去了去澆口工序；本發(fā)明的補(bǔ)縮加壓室?guī)в醒a(bǔ)溫加熱裝置，可保證補(bǔ)縮過程中鋁液的流動性，上述兩個專利未提及；針對所有中心澆鑄多年來普遍存在鋁液落差大沖擊壁底而發(fā)生卷氣的共性問題，本發(fā)明中設(shè)有導(dǎo)流澆鑄系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無卷氣澆鑄及控速充型，為獲得高質(zhì)量的鑄件奠定了必要的基礎(chǔ)條件，上述兩個專利未提及無卷氣導(dǎo)流及控速充型內(nèi)容。
[0006]專利申請?zhí)?201210328935.3公開的“鋁合金車輪重力加壓鑄造”，該發(fā)明的澆鑄位置為中心側(cè)開口澆鑄，與本發(fā)明的澆鑄位置不同，該專利旁澆管路殘存的低于內(nèi)輪唇高度的鋁液無法順利排出，不利于批量生產(chǎn)；本發(fā)明中設(shè)有導(dǎo)流澆鑄系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無卷氣澆鑄及控速充型，該專利未涉及這方面的內(nèi)容；該專利的模具冷卻采用的介質(zhì)是壓縮空氣，未見具體的冷卻控制原理，本專利采用水和風(fēng)作為冷卻介質(zhì)均可，并給出了冷卻通道分布方法和模具溫控點(diǎn)布局方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公布了一種鋁合金車輪鑄造工藝-鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝，其獨(dú)特之處在于:1)發(fā)明了強(qiáng)力補(bǔ)縮模具結(jié)構(gòu):以常規(guī)頂、底、邊模為基礎(chǔ)，在上模(1-8)內(nèi)腔中心處增設(shè)了補(bǔ)縮加壓室(1-4)和可在加壓室(1-4)上下移動的補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)及導(dǎo)流活塞(1-5) ；2)以此模具結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，發(fā)明集無卷氣導(dǎo)流澆鑄特征、控速充型特征、自動補(bǔ)溫特征、強(qiáng)力補(bǔ)縮特征、快速順序凝固冷卻通道布局和模具溫控測點(diǎn)布局為一體的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝，本發(fā)明的工藝與相應(yīng)的強(qiáng)力鑄造設(shè)備配合，生產(chǎn)的車輪產(chǎn)品具有密度高、強(qiáng)度高和延伸率高的顯著效果，并具有更高的生產(chǎn)效率和材料利用率。
[0008]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造模具結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)在:與常規(guī)的僅由頂、底、邊模組成的模具不同，本發(fā)明是在此基礎(chǔ)上，在上模(1-8)中心處增設(shè)了補(bǔ)縮加壓室(1-4)和可在補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)上下移動的補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)及導(dǎo)流活塞(1-5)，補(bǔ)縮加壓室(1-4)是一內(nèi)徑為D的筒形件，其下端與上模(1-8)的中心盤相聯(lián)，其外側(cè)設(shè)有自動補(bǔ)溫裝置(1-7)，其內(nèi)徑D通過上模中心孔與模腔聯(lián)通，補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)和導(dǎo)流活塞(1-5)與補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)徑是間隙配合的，配合間隙在0.08-0.15mm,當(dāng)導(dǎo)流活塞(1_5)行至下部一定位置時，補(bǔ)縮加壓室(1-4)的內(nèi)孔與模具的型腔是聯(lián)通的，加壓室(1-4)的內(nèi)徑D和高度H的確定的依據(jù)為:根據(jù)鋁合金凝固收縮的比率，加壓室(1-4)的有效補(bǔ)縮容積C應(yīng)不小于模具型腔容積的6%，加壓室(1-4)的高度H的確定既要滿足補(bǔ)縮容積C的要求，又要滿足當(dāng)全部液體澆入后補(bǔ)縮加壓室(1-4)的液面應(yīng)略高于內(nèi)輪唇的最高點(diǎn)，確定了補(bǔ)縮加壓室(1-4)的高度H，便可根據(jù)補(bǔ)縮體積C為定值來確定補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)徑D (—般取值范圍在50-80mm)。
[0009]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝過程特征體現(xiàn)在:將溫度在695_710°C定量的鋁液注入出口帶有過濾網(wǎng)(1-20)的具有定量稱重功能的澆杯(1-2)中，合模后將澆杯(1-2)出口對準(zhǔn)補(bǔ)縮加壓室(1-4)的入口，打開澆杯(1-2)出口開關(guān)的同時無卷氣導(dǎo)流裝置依照編程設(shè)定的速度平穩(wěn)地帶動導(dǎo)流活塞(1-5)向下運(yùn)動，鋁液在導(dǎo)流活塞(1-5)的引導(dǎo)下進(jìn)入補(bǔ)縮加壓室(1-4)，并通過導(dǎo)流活塞(1-5)的位置控制補(bǔ)縮加壓室(1-4)與模具型腔的通道口的開度進(jìn)行控速充型，模具型腔充滿后移走澆杯(1-2)，補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)進(jìn)入補(bǔ)縮加壓室(1-4)進(jìn)行強(qiáng)力補(bǔ)縮，此過程中加壓室(1-4)自動補(bǔ)溫系統(tǒng)和快速順序凝固冷卻溫控系統(tǒng)實(shí)時配合，凝固結(jié)束后補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)返回，開模出件，采用本工藝生產(chǎn)不同尺寸車輪的鑄造生產(chǎn)節(jié)拍為160-220s/件。
[0010]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝具有無卷氣導(dǎo)流澆鑄功能，其特征在于:根據(jù)真空吸入式導(dǎo)流原理，在圓形補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)壁設(shè)有與之間隙配合的導(dǎo)流活塞(1-5)，澆鑄時鋁液隨著導(dǎo)流活塞(1-5)依照預(yù)設(shè)置的速度向下移動，平穩(wěn)地充滿加壓室(1-4)，消除了鋁液因落差較大而直沖底部產(chǎn)生的卷氣現(xiàn)象。
[0011]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝的控速充型特征在于:鋁液往模具型腔的充型速度取決于導(dǎo)流活塞(1-5)上端的分流型面與補(bǔ)縮加壓室(1-4)下出口間的通道口的開度，本發(fā)明通過帶動導(dǎo)流活塞(1-5)移動來實(shí)現(xiàn)對通道開口開度的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車輪不同部位充型時流量控制，這有助于充型時模具型腔內(nèi)氣體的排放。
[0012]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝的強(qiáng)力補(bǔ)縮特征在于:由模具型腔、補(bǔ)縮加壓室(1-4)及補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)構(gòu)成密閉型腔，若型腔內(nèi)的鋁液的凝固是由表及里、由遠(yuǎn)離補(bǔ)縮加壓室(1-4)的輪緣向輪芯乃至補(bǔ)縮加壓室(1-4)是順序凝固的，那么，當(dāng)補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)向下移動并施加壓力的時候，未凝固的鋁液會遵從帕斯卡定律將補(bǔ)縮加壓活塞(1-3)上的壓力以等靜壓的方式向各個方傳遞，直至遠(yuǎn)端凝固點(diǎn)，補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)的鋁液在壓力持續(xù)作用下，被實(shí)時推注到模具型腔，根據(jù)鋁合金凝固收縮的體積比率，由補(bǔ)縮加壓室(1-4)推注到模具型腔內(nèi)的鋁液體積應(yīng)為模具型腔容積的6?8%，所謂“強(qiáng)力補(bǔ)縮”是指補(bǔ)縮壓力范圍為0.1-3.0MPa,遠(yuǎn)高于重力和低壓鑄造的補(bǔ)縮壓力，最高壓力是低壓鑄造補(bǔ)縮壓力的30倍，由于液體是在較高的壓力下進(jìn)行凝固的，因此可獲得更好的補(bǔ)縮效果和更為致密的鑄件。
[0013]本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝，所設(shè)的加壓補(bǔ)縮室具有自動補(bǔ)溫澆鑄特征，所述自動補(bǔ)溫澆特征是這樣實(shí)現(xiàn)的:在補(bǔ)縮加壓室(1-4)外側(cè)設(shè)有補(bǔ)溫裝置(1-7)，當(dāng)測溫點(diǎn)的溫度低于設(shè)定值時，自動接通補(bǔ)溫裝置對加壓室(1-4)和料液進(jìn)行加熱補(bǔ)溫至設(shè)定溫度而自動斷開，使補(bǔ)縮加壓室(1-4)內(nèi)的料液在充型和補(bǔ)縮過程中具有較好的流動性。
[0014]權(quán)利要求1所述的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝，所述的模具溫度控制測點(diǎn)及冷卻通道分布方法，是基于順序凝固、快速冷卻思想提出的，是為配合強(qiáng)力鑄造設(shè)備的模具溫控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，本專利權(quán)利要求1所述的冷卻通道分布方法是指:以水或風(fēng)為冷卻介質(zhì)的多層式上模冷卻分布法、多環(huán)式下模冷卻分布法和多點(diǎn)式邊模冷卻分布法。所述的多層式上模冷卻分布法是指:在上模的內(nèi)腔自上而下的布置多層的環(huán)形冷卻通道，所述多環(huán)式下模冷卻分布法是指在下模底面開有多個環(huán)形冷卻通道，所述多點(diǎn)式邊模冷卻分布法是指在邊模的外側(cè)輪輞與每個輪輻交界處設(shè)有點(diǎn)式冷卻通道；本發(fā)明權(quán)利要求1所述的用于模具溫度控制的測溫點(diǎn)布局是指:將模具測點(diǎn)溫度作為目標(biāo)變量，用以對于模具這樣連續(xù)介質(zhì)溫度場的近似表示，對于底模在正對輪輻的內(nèi)、中、外布置最多三點(diǎn)設(shè)置溫度傳感器(圖2，TmU Tm2、Tm3)，對于邊模最多在上下輪緣對應(yīng)處設(shè)置兩點(diǎn)溫度傳感器(圖2，Tm4、Tm5)，變量TmI, Tm2，…Tm5作為控制變量用以表征模具溫度場的狀態(tài)；此外還設(shè)置了冷卻介質(zhì)入出口溫度傳感器(圖2，Twl、Tw2、…Tw7)作為參考變量；作為測定控制變量的溫度傳感器與相應(yīng)強(qiáng)力鑄造機(jī)提供的流速閥(圖2中ql、至q7)、流量傳感器(圖2中Ql至Q7)、電磁開關(guān)(圖2中Kl至K7)和PLC —起組成模具冷卻測控系統(tǒng)?？赏ㄟ^改變每路冷卻介質(zhì)的流速qiji=1,2...n總流量Qi,i=1，2...n，和開啟時刻\,%2.1三類基本變量來進(jìn)行模具溫度的調(diào)節(jié)，測點(diǎn)的溫度值Tmi用以作為三類基本變量調(diào)整的目標(biāo)，這種以水或風(fēng)為冷卻介質(zhì)、流速、流量及開啟時刻作為基本變量，以模具控制點(diǎn)溫度為控制變量的模具溫度監(jiān)控系統(tǒng)，為工藝參數(shù)設(shè)定和調(diào)整提供了數(shù)值依據(jù)與數(shù)字化調(diào)控手段。
[0015]與現(xiàn)有的鋁合金車輪鑄造工藝相比，使用本發(fā)明的鋁合金車輪強(qiáng)力鑄造工藝其有益的技術(shù)效果在于:
(1)解決了重力鑄造中和低壓鑄造補(bǔ)縮壓力小的問題，解決了重力鑄造存在的澆鑄卷氣、澆冒口大、充型速度難以控制以及易出現(xiàn)鑄造缺陷等問題；
(2)強(qiáng)力補(bǔ)縮與快速凝固技術(shù)相結(jié)合，縮短了壓鑄時間，提高了生產(chǎn)效率，提高了致密度、細(xì)化了鑄坯晶粒度；
(3)得到的車輪鑄坯無澆口，相比重力鑄造毛坯重量減輕10%，不僅提高了材料利用率，而且減少了后續(xù)的去澆口工序；
(4)使用該工藝，輪盤兩側(cè)均獲得半深中心錐孔，