CN100395052C - 特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具及成形方法 - Google Patents

特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具及成形方法 Download PDF

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特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具及成形方法，涉及一种材料成形方法及对材料进行成形过程中使用的模具。针对现有的模具不能加工出高质量轮盘的弊端，以及现有的成形方法存在锻造难以成形、铸造不能保证轮盘性能要求的问题，本发明提供一种模具，以及利用此模具对轮盘进行成形的方法。特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具包括下模(1)和凹模外套(2)，还包括上模板(3)和内凸模(4)，在所述内凸模(4)外面套有外凸模(6)。成形方法为，首先制备耐磨增强体(12)，然后将增强体(12)放在模具内，再向模具内浇注铝合金液体，挤压即可。本发明模具结构简单，利用所述模具进行对轮盘成形方法具有工艺简便、制件性能好、效率高的优点，利于推广应用。

Description

特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具及成形方法
技术领域
本发明涉及一种材料成形方法及对材料进行成形过程中使用的模具，特别是一种轮盘的成形方法及使用的模具。
背景技术
轮盘类成形方法很多，主要有：1)板材成形技术，包括热压成形和旋压成形后进行焊接组合方法，主要用于重型卡车和特种车辆的钢质轮盘制造。其缺点是加工工序长，需要十几台成形、机械加工、焊接设备形成的生产线配合加工，尤其旋压成形件尺寸精度要求较高，低尺寸精度会影响车辆的动平衡，目前国内汽车厂使用的旋压机多是国外进口设备，因而设备投资大。2)热锻造成形，用于变截面轮盘的成形，一般需要多道工序，并需要机械加工，成本高，效率低，用于特种车辆轮盘的生产；3)压铸成形，主要用于轻型汽车轮盘的生产，近净成形、效率高，成本低，但机械性能较低。
由于轮盘存在壁厚不均匀的结构特点，使用现有模具存在成形过程中各部分凝固不同步、各部分施压不均匀的问题，并且轮盘的直壁高度比底部厚度大很多，约为9～12倍，采用现有的整体凸模施压时，底部最先凝固、变形，承载了全部成形力，限制了上模继续下行对直壁部分施压，这样直壁部分和底部部分将产生较大的密度差，机械性能差别较大，严重时，在直壁和底部结合处将产生裂纹，因此，现有的整体凸模模具不能加工出高质量的轮盘；而且对于要求具有较高的比强度、比刚度，局部耐磨性能好，且形状复杂的特种车辆轮盘，采用目前的成形方法，存在采用锻造难以成形，采用铸造不能保证其性能要求的问题。
发明内容
针对现有的模具不能加工出高质量轮盘的弊端，以及现有的成形方法存在锻造难以成形、铸造不能保证轮盘性能要求的问题，本发明提供一种采用组合式凸模结构的模具，以及利用此模具加工成本低、效率高、制件性能好且工艺简单的特种车辆铝轮盘液态模锻成形方法。
特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，它包括下模1和固定在下模1上的凹模外套2，在所述下模1上设有耐磨环凹槽1-1，它还包括上模板3和设置在上模板3下方的内凸模4，所述内凸模4通过弹簧5与上模板3连接，在所述内凸模4外面套有外凸模6，外凸模6的上端通过垫板7与上模板3相固接，外凸模6的下端与内凸模4的下端间距离比待成形轮盘直壁部分高。
利用前面所述模具对特种车辆铝轮盘进行液态模锻成形的方法，它依次包括以下步骤：首先，根据轮盘局部磨损严重的位置形状，用耐磨材料制成相应形状的增强体12，然后将模具预热到200℃～300℃，增强体12预热到400℃以上，将增强体12放在下模1上的耐磨环凹槽1-1底部，再向由下模1和凹模外套2围成的凹腔内浇注温度为730℃～740℃铝合金液体，控制上模板3下行，使内凸模4、外凸模6与下模1、凹模外套2之间形成对铝合金液体的挤压比压＞60Mpa，保压时间取决制件的壁厚，按0.5～1.5sec/mm计算；各壁厚不等时，取最大值。
采用本发明组合凸模式的模具，通过对制件在液态模锻(挤压铸造)成形过程中的局部加载补缩使制件性能达到了均匀化，所述方法在轮盘需要耐磨的区域采用局部液态浸渗复合材料或采用耐磨钢制成的增强体镶嵌，满足了轮盘局部耐磨性能的需求；由于所述方法实现了轮盘本体与局部耐磨增强体的一次复合成形，具有工艺简便、制件性能好、效率高的优点，与现有的固态成形方法相比可省力80％以上。因此，本发明所述方法及模具的积极效果为：(1)与传统的轮盘成形工艺相比，具有工序少、省力、高性能、低成本的优点；(2)能够满足形状复杂且具有局部耐磨性能要求的特种车辆轮盘成形需求；(3)通过局部加载技术能够有效控制成形制件的力学性能，质量稳定性好；(4)为特种车辆轮盘成形开辟了一条新途径，同时对普通车辆轮盘成形亦具有推广意义，因此利于推广应用。
附图说明
图1是本发明所述模具结构示意图，图2是图1的I处放大示意图，
图3是对Al2O3sf纤维和SiCp颗粒混合原料加压时使用的模具结构示意图，
图4是本发明所述轮盘的外形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，参照图1，它包括下模1和固定在下模1上的凹模外套2，在所述下模1上设有耐磨环凹槽1-1，在下模1内设有顶杆10，顶杆10纵向贯通下模1，并且所述顶杆10的上表面与下模1的上表面平齐，它还包括上模板3和设置在上模板3下方的内凸模4，所述内凸模4通过弹簧5与上模板3连接，在所述内凸模4外面套有外凸模6，外凸模6的上端通过垫板7与上模板3相固接，外凸模6的下端与内凸模4的下端间距离比待成形轮盘直壁部分高。所述弹簧5是碟型弹簧，所述上模板3与内凸模4之间设有导向柱8，所述导向柱8固定在内凸模4上，所述碟型弹簧5套在导向柱8的外面。所述上模板3与内凸模4之间设有调节螺钉9，调节螺钉9的下端设置在内凸模4上表面的盲孔内。
利用所述模具对特种车辆铝轮盘进行液态模锻成形的方法依次包括以下以下步骤：首先，根据轮盘局部磨损严重的位置形状，用耐磨材料制成相应形状的增强体12，本实施方式所述增强体12是由钢制成；然后将模具预热到200℃～300℃，增强体12预热到400℃以上，将增强体12放在下模1上的耐磨环凹槽1-1底部，在内凸模4的底部及侧面、外凸模6的底面涂上油剂胶体石墨进行润滑，然后向由下模1和凹模外套2围成的凹腔内浇注温度为730℃～740℃铝合金液体，所述铝合金液体是锻铝合金，硬铝合金、超硬铝合金或铸造铝合金液体；前面所述下模1的上表面与待成形轮盘11底面的外表面形状相同，所述内凸模4的下表面与待成形轮盘11底面的内表面形状相同，所述外凸模6的下端面与待成形轮盘11直壁部分的上表面形状相同；然后控制上模板3下行，内凸模4、外凸模6下行施压进行液态模锻，控制内凸模4、外凸模6与下模1、凹模外套2之间形成对铝合金液体的挤压比压＞60Mpa，在底部完成了复合材料液态浸渗制备，保压时间取决制件的壁厚，按0.5～1.5sec/mm计算；各壁厚不等时，取最大值，即得到轮盘，然后通过向上推动顶杆10将成形的轮盘推出模具的凹腔内即可。顶杆10的上表面与下模1的上表面平齐，目的在于得到规定形状的制件。
本发明所述模具采取了组合式凸模结构形式，分内、外凸模，碟型弹簧5设置在内凸模的导向柱8上面，组合时通过调整调节螺钉9的深度可以调节碟型弹簧5的预紧力，从而适应不同制取目的的需要，本实施方式控制内凸模4具有2～5MP的承载能力。成形加压时，组合凸模下行，在内凸模4的作用下，使液态金属充满整个型腔，获得制件形状；继续加压，碟型弹簧5压缩，内凸模4不动，外凸模6对制件直壁部分施压，直至内、外凸模合成一体；继续加压，组合凸模使制件全部凝固并产生塑性变形，从而获得机械性能均匀的制件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，具体实施方式一所述的由于碟型弹簧5的作用，“外凸模6的下端与内凸模4的下端间距离比待成形轮盘直壁部分高”中，高出部分大小在数值上等于待成形轮盘11的直壁高度与底部厚度的比值，单位为mm。其作用是：首先在上模板3的上方设置压力机，压力机带动下组合凸模(内凸模4和外凸模6)下行。在组合凸模下行最初施压时，是依靠内凸模将金属液充满由下模1、凹模外套2和内凸模4封闭的空间；组合凸模继续下行、施压，其压力超过碟型弹簧5的承载压力使弹簧压缩，内凸模4便停止不动；外凸模6通过上模板3继续下行对制件的直壁部分施压，直到内凸模4的上平面与垫板7接触，这期间外凸模6对高出设计尺寸正在凝固定型的直壁部分单独进行了压缩，使其符合设计尺寸；接下来，内、外凸模在压力机通过垫板7的作用下，共同对制件施压，产生塑性变形，提高制件性能。其目的是：解决了目前轮盘类零件在液态模锻过程中，由于轮盘底部较薄所以先被压实从而使凝固后的轮盘底承载了全部载荷的问题，由于轮盘底部承载了压力机的全部载荷，从而迫使凸模停止，因此不能继续对直壁部分施压，因此所形成的直壁部分就成为一般铸态组织，性能较差。本实施方式通过组合凸模的加载方式，分别对制件的底部和直壁施压，根据零件的形状尺寸，通过碟型弹簧调节直壁部分的压缩量，使其压实程度与底部一致，解决了整体凸模施压造成制件组织性能不均匀的问题，因此可以称为“液态模锻局部加载法”。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，所述增强体12是以Al2O3sf短纤维和SiCp颗粒为原料制备而成，具体制备过程如下：
a.按以下成分及体积比例配置胶溶液：蒸馏水∶硅溶胶∶聚乙烯醇∶甘油＝100∶3∶1∶3，混合均匀；
b.加入Al2O3sf纤维，搅拌均匀；
c.再加入SiCp，搅拌均匀；
其中，a步骤制备的胶溶液占Al2O3sf纤维与SiCp总质量的10～15倍，所述Al2O3sf纤维与SiCp之间的质量比例为1∶2～2∶1，所述Al2O3sf纤维的质量百分比是Al2O372.3％和SiO227.7％；
d.搅拌完毕后进行渗水，然后加压、定型；可以将其倒入如附图3所示结构的模具中进行渗水，表面水渗出后，再用压头加压，并通过限位块保证预定高度；
e.烧结，其工艺分为两个阶段：
低温烧结：将压坯加热到50℃，保温10min，再加热到70℃，保温10min，然后加热到90℃，保温5min；
高温烧结：以10～20℃/分的升温速率从90℃加热到300℃，保温30min，再以同样的升温速率从300℃加热到500℃，保温30min，再从500℃以同样的升温速率加热到800℃，保温60min，即得到增强体。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，在模具中浇铸铝合金液体并加压形成轮盘后，在耐磨环凹槽1-1的位置即形成轮盘的耐磨环11-1，该耐磨环11-1中，控制增强体12的体积分数占耐磨环11-1总体积分数的15％～25％。实际应用时，可以根据制件需要的耐磨性能和延伸率在该范围内调整增强体积分数，如18％、20％、22％、23％、24％都可以实现所述目的。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，A过程中的b步骤所述搅拌是以800～1000rpm/min的速度搅拌，A过程中的c步骤所述搅拌时间为30min；所述搅拌速度及搅拌时间是经过大量试验得出的，实验证明，在上述速度和时间内搅拌可以获得分布均匀增强体溶液。
具体实施方式六：本实施方式是采用如具体实施方式一所述结构的模具进行液态模锻+局部Al2O3sf·SiCp/Al液态浸渗复合材料增强一体化复合工艺一次成形的方法。
具体的成形过程是：首先，根据轮盘局部磨损严重的位置形状制备增强体12。增强体12是以Al2O3sf短纤维和SiCp颗粒为原料制备而成，具体制备过程如下：
a.按以下成分及体积比例配置胶溶液：蒸馏水∶硅溶胶∶聚乙烯醇∶甘油＝100∶3∶1∶3，混合均匀；b.加入Al2O3sf纤维，搅拌均匀；c.再加入SiCp，搅拌均匀；其中，a步骤制备的胶溶液占Al2O3sf纤维与SiCp总质量的12倍，所述Al2O3sf纤维与SiCp之间的质量比例为1∶1，所述Al2O3sf纤维是由(wt％)Al2O372.3％和SiO227.7％混合而成；d.搅拌完毕后将其倒入如附图3所示结构的模具中进行渗水，表面水渗出后，再用压头加压，并通过限位块保证预定高度，预定高度根据增强体12占耐磨环11-1总体积分数的20％进行确定，然后进行加压、定型即可。e.低温烧结：将压坯加热到50℃，保温10min，再加热到70℃，保温10min，然后加热到90℃，保温5min；高温烧结：以15℃/分的升温速率从90℃加热到300℃，保温30min，再以同样的升温速率从300℃加热到500℃，保温30min，再从500℃以同样的升温速率加热到800℃，保温60min，即得到增强体。
前面所述SiCp及Al2O3sf的性能指标分别如下表所示：
 SiCp性能指标
Figure C20061001029000091
Al2O3sf性能指标
Figure C20061001029000092
增强体12制成以后，在模具的内凸模4的底部及侧面、外凸模6的底面涂上油剂胶体石墨进行润滑，将模具预热到250℃，增强体12预热到600℃，然后将增强体12放在下模1上的耐磨环凹槽1-1底部，再向由下模1和凹模外套2围成的凹腔内浇注精炼后的、温度为735℃的2A50铝合金液体，控制上模板3下行，使内凸模4、外凸模6与下模1、凹模外套2之间形成对铝合金液体的挤压比压达到80Mpa，保压时间为1sec/mm，即得到轮盘制件，所得轮盘如图4所示。
上面所述2A50铝合金的化学成分如下表所示：
Figure C20061001029000101
经实际测定，所得到的轮盘抗拉强度σb＞350Mpa，延伸率＞4％，Al2O3sf·SiCp(20％)/2A50复合材料耐磨环的耐磨性能与GCr15钢的耐磨性能相当。

Claims (10)

1.一种特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，其特征在于它包括下模(1)和固定在下模(1)上的凹模外套(2)，在所述下模(1)上设有耐磨环凹槽(1-1)，它还包括上模板(3)和设置在上模板(3)下方的内凸模(4)，所述内凸模(4)通过弹簧(5)与上模板(3)连接，在所述内凸模(4)外面套有外凸模(6)，外凸模(6)的上端通过垫板(7)与上模板(3)相固接，外凸模(6)的下端与内凸模(4)的下端间距离比待成形轮盘直壁部分高。
2.根据权利要求1所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，其特征在于所述弹簧(5)是碟型弹簧，所述上模板(3)与内凸模(4)之间设有导向柱(8)，所述导向柱(8)固定在内凸模(4)上，所述碟型弹簧(5)套在导向柱(8)的外面。
3.根据权利要求1所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，其特征在于所述上模板(3)与内凸模(4)之间设有调节螺钉(9)。
4.根据权利要求1、2或3所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，其特征在于“外凸模(6)的下端与内凸模(4)的下端间距离比待成形轮盘直壁部分高”的高出部分大小在数值上等于待成形轮盘(11)的直壁高度与底部厚度的比值，单位为mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形时使用的模具，其特征在于在下模(1)内设有顶杆(10)，所述顶杆(10)纵向贯通下模(1)，并且所述顶杆(10)的上表面与下模(1)的上表面平齐。
6.一种利用权利要求1所述模具对特种车辆铝轮盘进行液态模锻成形的方法，其特征在于它依次包括以下步骤：首先，根据轮盘局部磨损严重的位置形状，用耐磨材料制成相应形状的增强体(12)，然后将模具预热到200℃～300℃，增强体(12)预热到400℃以上，将增强体(12)放在下模(1)上的耐磨环凹槽(1-1)底部，再向由下模(1)和凹模外套(2)围成的凹腔内浇注温度为730℃～740℃铝合金液体，控制上模板(3)下行，使内凸模(4)、外凸模(6)与下模(1)、凹模外套(2)之间形成对铝合金液体的挤压比压＞60Mpa，保压时间取决制件的壁厚，按0.5～1.5sec/mm计算；各壁厚不等时，取最大值。
7.根据权利要求6所述的对特种车辆铝轮盘进行液态模锻成形的方法，其特征在于所述增强体(12)是由钢制成。
8.根据权利要求6所述的对特种车辆铝轮盘进行液态模锻成形的方法，其特征在于所述增强体(12)是以Al2O3sf短纤维和SiCp颗粒为原料制备而成，具体制备过程如下：
a.按以下成分及体积比例配置胶溶液：蒸馏水∶硅溶胶∶聚乙烯醇∶甘油＝100∶3∶1∶3，混合均匀；
b.加入Al2O3sf纤维，搅拌均匀；
c.再加入SiCp，搅拌均匀；
其中，a步骤制备的胶溶液占Al2O3sf纤维与SiCp总质量的10～15倍，所述Al2O3sf纤维与SiCp之间的质量比例为1∶2～2∶1，所述Al2O3sf纤维的质量百分比是Al2O372.3％和SiO227.7％；
d.搅拌完毕后进行渗水，然后加压、定型；
e.烧结，其工艺分为两个阶段：
低温烧结：将压坯加热到50℃，保温10min，再加热到70℃，保温10min，然后加热到90℃，保温5min；
高温烧结：以10～20℃/分的升温速率从90℃加热到300℃，保温30min，再以同样的升温速率从300℃加热到500℃，保温30min，再从500℃以同样的升温速率加热到800℃，保温60min，即得到增强体(12)。
9.根据权利要求8所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形方法，其特征在于在模具的耐磨环凹槽(1-1)内形成轮盘的耐磨环(11-1)，所述增强体(12)的体积分数占耐磨环(11-1)总体积分数的15％～25％。
10.根据权利要求8所述的特种车辆铝轮盘液态模锻成形方法，其特征在于A过程中的b步骤所述搅拌是以800～1000rpm/min的速度搅拌，A过程中的c步骤所述搅拌的时间为30min。
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