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轿车铝合金轮毂的液态模锻

摘要：提出了轿车铝合金轮毂液态模锻新工艺，并试验验证了新工艺实现条件及工艺措施，产品性能优于目前的低压铸造法，设备简单，具有良好的经济效益。

关键词：液态模锻；轮毂；铝合金

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

轮毂是一个如图1所示的零件，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。

图1

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，汽车护理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用户可按各自要求修正实验报告量浇注装置。

图2

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，金满洲里属冷却太快，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。速度太快本人认为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，它与原金属液面之液压软管间形成一圈冷隔，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。

图3

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。检测结果如表1所列。表1液态模锻轮毂力学性能

-试件号σb(MPa)δ(%)HB液态模锻13147...0113平均值3217.2109低压铸造-2452.590

五、结论

(1)汽车铝合金轮毂的液态模锻工艺可行，产品性能优于目前溶剂油的制造方法。

(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，我国机械产品进1步扩大出口的难度在加大适于汽车配件的批量生产。

参考文献

［1］上海交通大学.液态模锻.北京：国防工业出版社，1981.

［2］齐胚骧.挤压铸造.北京：国防工业出版社，1984.

［3］周大隽等.液态模锻技术的应用及新发展.锻压技术，1993，18(5).

［4］大泽佳郎.汽车铝合金锻件现状.锻压技术.1993，18(6).(end)