铝合金轮毂铸造模具及工艺优化

2020-11-25林波

大众汽车 2020年1期

林波

滨州盟威戴卡轮毂有限公司山东滨州 256603

引言

这几年国家在保护环境方面的意识很强，在汽车的节能减排方面也向汽车厂及用户提出了要求，各汽车厂对节能降耗这一块也很重视（据有关资料介绍，车辆自身质量减轻10%，可降低油耗6%～8%，汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，除节能降耗之外，还可相应减少主车的CO2排放量，从而减轻空气污染），要求各零部件公司降价、产品轻量化。各轮毂厂为了生存，当然要在提升产品良品率及产品性能方面做文章，才能满足客户及自身的需求。目前来说，铝合金轮毂的生产方式主要有低压铸造、重力铸造、锻造等几种，其中最主要的方式还是低压铸造（可以增加额外的辅助工序），模具是成型轮毂的关键工艺装备，其结构设计的优劣决定了轮毂的成品率及生产成本，如果设计不当，不从铸造工艺角度上去考虑，会极大地影响铸造厂去生产出完美的致密的铸件来。当然，如果只有好的模具，但工艺配置地不好，也是万万不行的，两者相辅相成。

1 铝合金轮毂成形的重要体现

在中空铸型中倒入金属液，待冷却之后，形成预期形状制品，这种方法称为“铸造”，在铸造过程中取得的制品为铸件。铸造可根据铸件材料分成“黑色金属铸造”、 “有色金属铸造”，其中黑色金属铸造分为钢与铁、有色金属包括铜合金和铝合金。铸造可以按照铸型材料分成“金属型铸造”与砂型铸造。铸造还可根据金属液浇筑的工艺分成压力铸造与重力铸造。铝合金有良好的性能，并且结合使用目的和零件形状、经济效益等各方面的要求，确定最佳的合金，确定铸造方法。在发动机缸体和机油泵等各个部位铝合金取得广泛应用。铝合金轮毂成形的方法比较多，现阶段，常见的方法为铸造法与锻造法。国外的工艺主要是有 3 个锻造工序与连铸工序构成，这种方法尽管可保证科学性能比较好，但是成品率仅有 50%。铝合金轮毂采取的铸造工艺为挤压铸造和低压铸造、重力铸造。当产品应用重力铸造，可出现疏松和缩孔等缺陷，并且力学性能和成品率比较低，国外已经将其淘汰。低压铸造为铝合金轮毂常见的铸造技术，并且其他国家生产铝合金轮毂普遍利用低压铸造，我国大部分制造企业仍采取低压铸造的技术。现阶段，改装轮毂工艺为挤压铸造，主要是将铝锭利用压力机通过模具挤压成型，优点主要是密度相对平均，并且外表更加平滑精细，轮毂不仅壁薄，还具有分量轻和强度高等优点，唯一不足为成本比较高。低压铸造的方法，产品的质量与成品率均可得到保障，但是工艺比较复杂，因此设备的投入比较大。利用液态模锻法，促使铝合金可以在高压的状态下结晶，在结晶的过程中发生变形，从而有效解决疏松和缩孔等缺点，产品表现出良好的力学性能。另外，还具有高精度和高效率的特点，投入的成本相对低压铸造法低。0.1MPa压力下，高压精密铸造可实施精密化铸造，并且这种方法成性比较好，密度相对均匀，外表更加光亮，既有轻量化和高强度的优点，又可保证生产成本在预期范围内。轿车中铝合金轮毂主要利用压力铸造的方法成型，为提升产品的性能，现在正在向挤压铸造和半固态方向发展。

2 铝合金轮毂铸造模具及工艺优化

2.1 常规低压铸造法

使用常规低压铸造法生产出来的铝合金轮毂的重量约为相同尺寸钢轮毂的50%左右。用常规低压铸造法对铝合金轮毂进行制造的过程中，晶粒流向与受力的方向能够达到一致，在这一前提下，低压铸造成型的轮毂，无论是自身的强度、韧性，还是抗疲劳强度，都要明显优于铸造成型的铝合金轮毂。正是基于该原因，使得常规低压铸造法在铝合金轮毂的成型工艺中占据了一席之地。不仅如此，用该方法低压铸造的轮毂可以使铝合金的性能得到完美地再现，由此使得每个轮毂都具有了同样的力学性能。常规低压铸造法的铝合金轮毂的伸长率可以达到12%～17%，试验证明，这个伸长率很能很好地对道路的振动和应力进行吸收。常规低压铸造的铝合金轮毂还有较强抗冲击、抗剪切、抗拉伸的能力以及更高的强度重量比，其表面不会出现气孔，可以确保涂层的均匀性，涂层与铝合金面的结合也更加紧密牢固。

2.2 调整铸造工艺

把铸造的充型压力提高至900mbar左右。这样，充型速度加快，可以弥补低温铝液（690℃左右）充型短板，使结晶起始时间提前，配合冷却缩短结晶周期，提高组织致密性；有利于薄壁成型，可以提升金属利用率。但存在一个问题，原始的四开模具，无自锁装置，生产过程中四块侧模完全由侧油缸顶住，如果侧油缸有漏油或其它原因，可能会导致侧模合不严，这时候充型压力再大的话，会产生侧模缝隙漏铝的问题，非常危险。如果想充型压力增大，又不产生侧模漏铝现象，可以在充型过程中在侧模外侧再增加一个束环施加外力把边模顶住。

2.3 压力铸造法

所谓压力铸造主要是指：液态金属处于高压作用下，通过较高的速度将液态金属填入到型腔中，通过压力作用经过凝结获取的铸件。利用压铸工艺产出的铸件具有力学性能强和组织紧密等优点，并且强度和硬度比较高。但是传统压铸工艺下的铝轮毂存在的最大缺陷为不能利用热处理提升性能，主要原因为液态金属冲型的速度比较快，并且型腔内气体并不能排除，导致以气孔的方式存放在铸件中，这部分铸件孔隙气体通过热处理便可出现膨胀，从而导致铸件气泡。