铝合金车轮挤压铸造工艺

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目前，国内卡丁车(类似碰碰车)都从国外进口，其中铝合金车轮是一个重要零件。过去，国外采用压力铸造生产该铸件，铸件质量差，且成品率低，劳动强度大。针对该铸件的结构特点和性能要求，如何提高其产品质量、降低原材料消耗、节约能源、提高劳动生产率及降低铸件成本，是当前生产中的关键。从研制的情况可知，采用挤压铸造代替压力铸造是今后制造铝合金车轮行之有效的工艺。

　　1　车轮材料、要求及铸件设计

　　图1所示为铝合金车轮零件图。车轮不仅有较高的性能要求，而且形状十分复杂。

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图1　车轮零件图

　　车轮材料的化学成分(质量分数)为：1.5%～3.5%的Cu,10.5%～12.0%的Si,＜0.3%的Mg，＜1.0%的Zn，＜0.5%的Mn，＜1.3%的Fe,＜0.5%的Ni,＜0.5%的Sn，其余为Al。力学性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。

　　该车轮内外形的尺寸精度较高，都应加放加工余量及余块。按挤压铸造工艺的要求，把形状复杂的车轮零件图设计如图2所示的铸件图。

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　　由该图可见，为便于从铸件内孔脱出及简化模具加工，把原来的阶梯轴孔设计成圆柱形中心孔，其直径为?φ30 mm，内壁斜度为3°［1］。

图2　车轮铸件图

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　　2　模具结构及设计参数［1］

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　　2.1　挤压铸造模具结构

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　　铝合金车轮挤压铸造的模具结构如图3所示。它主要有凸模、右凹模、顶杆镶块和左凹模组成所要求的型腔。左凹模和右凹模分别固定在左凹模定模板和右凹模动模板上，左凹模定模板用螺钉紧固在下模板上，右凹模动模板经过侧缸在导柱上实施开启及闭合。

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1.上模板 2.凸模固定板 3.凸 模 4.导 柱 5.右凹模 6.右凹模动模板
7.垫 板 8.下模板 9.顶杆镶块 10.左凹模 11.左凹模定模板

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图3　车轮挤压铸造模具

　　采用2000 kN油压机改装进行挤压铸造，其工作过程是：将定量的合金熔液浇入型槽后，固定在活动横梁上的凸模以一定速度向下挤入型腔，压力达一定数值后保压；铝合金凝固后卸压，凸模通过工作缸的回程向上移动，顶杆镶块通过下顶缸从铸件内向下退出，直到全部脱离铸件之后，再用侧缸开启右凹模，取出铸件。

　　2.2　模具设计的主要参数

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　　(1) 间隙　凸模与左、右凹模之间的间隙要适当。过小则因凸模与凹模的装配误差而相碰或咬住；过大则合金熔液通过间隙喷出，造成事故；或者在间隙中产生纵向毛剌，减小加压效果，阻碍卸料。
合理的间隙与加压开始时间、加压速度、压力大小、工件尺寸及金属材料有关。根据实际生产经验，单边间隙取0.1 mm。

　　(2) 脱模斜度　合金熔液在凸模压力下凝固成铸件，冷却后紧包在凸模及顶杆镶块上。为了便于凸模及顶杆镶块脱出，故在凸模及顶杆镶块上设有3°的脱模斜度。由于铸件外形呈圆状，且分在左、右两片凹模，只要右凹模向右移动一定距离，铸件就易从左凹模取出，故不必设置脱模斜度。

　　(3) 排气　在左、右两片凹模完全闭合后，合金熔液因缓慢地浇入型腔，型腔中气体可基本排出。挤压铸造时，留在凸模导向部分的少量气体，通过凸模与凹模之间的间隙排出。

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　　(4) 模具材料　挤压铸造是在一定的压力和一定的温度下进行的，不存在像压铸模那样受到金属液的冲刷。工作压力比压铸时高，只要求模具在高温下有一定的抗压强度即可。另外，为了防止与合金熔液接触的模具表面产生热疲劳裂纹，左右凹模、凸模及顶杆镶块均采用3Cr2W8V合金模具钢制造，热处理后硬度为HRC48～52，型腔表面进行软氮化处理。

　　3　挤压铸造的工艺参数

　　挤压铸造是铸锻结合的工艺，其生产工艺过程是：合金的熔化、模具的准备(清理、预热、喷涂润滑剂)、金属的浇注、液态金属的加压、压力的保持、压力的去除及铸件的取出等。

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　　为保证铸件质量，须合理选择工艺参数［1～2］。

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　　(1) 比压　压力大小对铸件的物理力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的单位压力是很重要的。如果比压过小，铸件表面与内在质量都不能达到技术指标；比压过大，对性能的提高不十分明显，还容易使模具损坏，且要求较大合模力的设备。挤压铸造试验是在2 000 kN油压机上进行的。试验证明，适合于本铝合金车轮挤压铸造的比压应在50～60 MPa范围内选取。

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　　(2) 加压开始时间　从车轮挤压铸造试验的结果来看，其加压开始时的间隔时间过长，铸件的强度及伸长率降低。现用的开始加压时间是3～5 s，较为合适。

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　　(3) 加压速度　挤压铸造要求一定的加压速度，在可能情况下，以加压速度快一点为好。加压速度快，则凸模能很快地将压力施加于金属上，便于成形、结晶和塑性变形。但也不宜过快，否则会使部分合金熔液的表面产生飞溅及涡流，使铸件产生缺陷，以及在凸、凹模之间的间隙中流出过多的合金熔液，形成难以去除的纵向毛刺。因此，必须使凸模缓慢地压入液态金属中。由于使用的油压机工作进给速度较慢，故利用工作行程的速度进行压制。

　　(4) 保压时间　压力保持时间主要取决于铸件厚度，在保证成形和结晶凝固条件下，保压时间以短为好。但是保压时间过短，则铸件内部容易产生缩孔，如果保压时间过长，则会延长生产周期，增加变形抗力，降低模具使用寿命。

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　　考虑本车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用12 s左右。

　　(5) 模具预热温度　模具若不预热，合金熔液注入型腔后会很快凝固，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，否则会延长保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂。对本车轮挤压铸造模具的预热温度为200～300℃，通常是用煤油喷灯进行加热。

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　　(6) 合金浇注温度　浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影响。过低，合金极易凝固，所需单位压力大；过高，易产生缩孔。必须指出，挤压铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度高。一般希望把浇注温度控制在比较低的数值，因为挤压铸造时希望消除气孔、缩孔和疏松。在浇注温度低时，气体易于从合金熔液内部逸出，极少留在金属中，易于消除气孔。此外，也可减少缩孔形成机会，同时由于浇注温度较低，金属溢出较少，可减少毛刺。对本车轮挤压铸造的浇注温度选用720～740℃为最合适。

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　　(7) 润滑剂　润滑剂的作用是保护模具，提高铸件表面质量和便于从模具内取出铸件。采用机油石墨润滑剂，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%机油中，搅拌均匀即可。用喷枪喷涂在模具型腔表面上，其厚度为0.05～0.1 mm，过厚会影响铸件表面质量。

　　(8) 冷却　挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件的出模温度较高。为了防止高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放入砂堆中，待冷却到150℃以下时再取出空冷。【MechNet】