CN103433466A - 一种起动机外壳铝合金液态模锻的模具及复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起动机外壳铝合金液态模锻的模具及复合成形方法，其特征在于该模具由上模连板、上模腿、上模板、上模芯、底模芯、抽芯、底模板、顶板、模腿、油缸、电磁行程开关、冲头、空腔等十三部分组成。所述复合成形的方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→等温轧制→热处理→精整等步骤。其优点是保温好、可成形性能好，取件方便，不仅能够简化起动机外壳的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善起动机外壳的微观组织状态，提高综合力学性能。

Description

一种起动机外壳铝合金液态模锻的模具及复合成形方法

技术领域

本发明涉及的是一种铝合金液态模锻模具和制造工艺，特别涉及一种用于起动机外壳铝合金液态模锻的模具及复合成形方法，属于机械加工的技术领域。

背景技术

国外发达国家的汽车制造业考虑到整车轻量化、道路适应性、环境保护、加工成本等问题，对汽车起动机外壳采用铝合金材料制成。但是由于传统的铝合金压铸或重力铸造的汽车起动机外壳的力学性能指标不能适应国内道路状况要求。所以从六十年代开始国内汽车行业制造商将汽车起动机外壳材料由铝合金改为球墨铸铁，使用砂型铸造生产制造起动机外壳。其后制造的起动机外壳强度能够满足国内路况需要。但是制成的起动机单件重量大于4000克，较铝合金材质单件重量1008千克，增加总量近4倍，不能适应目前汽车轻量化要求。而且由于球墨铸铁件砂型铸造浇注系统需要保留水口、冒口，需保留较大的加工余量，存在材料利用率低，后续的切削加工的工作量大，生产成本居高不下，经济性较差等问题，同时还存在能耗较高、污染环境等问题。

液态模锻是介于液态成型和固态成型之间的一种工艺，液态模锻工艺是对浇入模具内的液态金属施以较高的机械压力，使其凝固时消除铸造缺陷并产生一定塑性变形，从而获得高质量制件的一种方法。液态模锻技术不仅适用于轴对称的实心零件、杯形件、通孔件以及长轴类等厚壁零件，也适用于非轴对称、壁厚不均匀、形状复杂的零件。对于一些薄壁零件也可以用液态模锻获得很好的成形质量。它集中了这两种工艺的优点，综合了金属的韧性、成形性、导电导热性等，其强度、刚度、硬度、耐热、耐磨、耐蚀等性能指标均优于砂型铸造的球墨铸铁件。

但采用液态模锻加工起动机外壳等特形产品具有一定难度，主要是零件壁薄，形体凹凸异形不规则，成形不易充满，现有技术中还没有较好地解决方法。

发明内容

本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一种整体起动机铝合金外壳的液态模锻模具，在保证铝合金外壳机械性能的同时，提高材料利用率，减少后续加要的切削加工量，降低加工成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种整体起动机铝合金外壳的液态模锻模具，由上模连板、上模腿、上模板、上模芯、底模芯、抽芯、底模板、顶板、模腿、油缸、电磁行程开关、冲头、空腔等十三部分组成。具体而言，包括上模及底模，上模芯环套在芯棒上并固定安装在上模板上，上模芯和底模芯内设有上冷却腔；底模的底模体及底模芯嵌套在一起并固定安装在下固定板上。模具上模连板的中央设有油缸，各部分模具通过油缸连接，油缸的行程通过电磁接近开关控制。

进一步的：

所述模体为两个对开的半模。由于上模芯(凹模)压入底模芯(凸模)液态金属反向挤压受力不均时会造成厚壁处产生冷隔、卷气缩孔等缺陷，为了减少这些缺陷，采用上模芯(凹模)对下模芯(凸模)直接加压。为了控制凸凹模挤压受力均匀，在模具上横连板中央装置了油缸，油缸下端是冲头，使用行程开关控制油缸冲头，用于调整上下模板芯在铝合金液态模锻过程均匀受力。上模连板下部设置一定的空腔，便于液态金属热传速度和凝固速度保持相等。压机装胃了六个油缸，分别控制模具上下部的顶板和抽芯四周的锁紧，可以实现自动合模。铝液注入模具后，按下“下行”开关，上模自动下行，下行到规定的行程位置后(上液压油缸显示7—8兆帕)，上模芯与底模芯闭合，开始通过上模具连板装置的油缸冲头对上模芯加压，保压一段时间(50s—60s)，待液锻件冷却定型后，按下“工作”键，先开左右锁紧块，再开前后模具块，上模回程上行到一定位置，将下模顶出毛坯，上油缸回程，取下铸件。进行下一个周期循环。

本发明的技术效果在于：

本发明公开的一种整体起动机铝合金外壳的液态模锻模具，不仅可使起动机铝合金外壳的机械性能与模锻的起动机铝合金外壳机械性能相当，而且提高材料利用率，并可大大地减少后续加工的切削加工量，降低加工成本，同时生产出的起动机铝合金外壳重量轻，质量好，经济性更佳。目前运用液态模锻工艺制成的铝合金起动机外壳各项性能指标符合或优于国家标准；芯棒与上模芯及底模体与底模芯的分体结构，便于模具的修复和更换，提高了模具使用寿命，同时减少维修费用。

同时，本发明提供一种起动机外壳铝合金液态模锻的模具及复合成形方法，即，液态模锻是将熔化的铝合金注入模具中压机开动之后，在压力作用下使铝合金在成形过程中凝固。按铝合金注入模具的方式分为上压式和下注式。本工艺采用顶注式成形。其优点是保温好、可成形性能好，取件方便，利用压机上的油缸将工件顶出。

具体而言，包括熔炼→液态模锻→均匀化→等温轧制→热处理→精整；

所述熔炼为：铝合金块入炉之前将表面清理干净，用电阻炉加热，炉膛温度控制在840℃，熔化钔合金之前坩埚先预热600～700℃，保温30min，冷却到300℃，喷涂料，再升温到500～600℃装料，铝合金熔化后精炼、除气，扒去液面的浮渣；

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的铝合金溶液定量浇注到权利要求1或2所述的液态模锻模具内，浇注温度为液相线温度以上50-80℃，加压速度为50-80mm/s，充型时间1-6s，比压为150-250MPa，并在该压力下保压(50s-60s)，得到铝合金坯；

所述等温轧制为：经均匀化的坯温度为750-850℃时，采用四立柱液压机上进行等温轧制。

其中，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至100-150℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，然后继续预热液态模锻模具至200-250℃。

其中，所述等温轧制中四立柱液压机的参数为：

公称压力：3500kN

回程力：900kN

液压工作压力：25Mpa

滑块最大行程：1200mm

滑块速度   快下：150mm/s

           工作：6～15mm/s

           回程：100mm/s

滑块开口高度：1800mm

压射缸推力：1250kN

压射缸拉力：1000kN

压射缸行程：800mm

压射速度：60～150m/s

抽芯缸推力：1000kN

抽芯缸拉力：800kN

抽芯缸行程：400mm

工作台面积：前后：1400mm

            左右：1400mm

下缸推力：1200kN

下缸拉力：1000kN

下缸行程：500mm

电机总功率：96.2kW

机器重量：38500kg

采用液态模锻制成坯，使铝合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1)液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2)液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3)液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4)液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

附图说明

图1为本发明中模具的结构示意图，其中1上模连板；2上模腿；3上模板；4上模芯；5底模芯；6抽芯；7底模板；8顶板；9模腿；10油缸；11电磁行程开关；12空腔；13冲头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明

实施1模具的制备

如图1所示，本发明包括上模及底模，上模包括上模板、芯棒及上模芯，芯棒固定安装在上模板的中央，上模芯环套在芯棒上并固定安装在上模板上。底模包括底模板及底模芯，底模板及底模芯嵌套在一起并固定安装，上模连板中央设有油缸，各部分模具通过油缸连接，油缸的行程通过电磁接近开关控制。通过设备“自动”合模，将熔炼得到的铝合金溶液用定量勺舀取定量的铝水浇注到液态模锻模具内，然后按下“下行”键，上模自动下行，下行到行程位置后(上液压油缸压力指示7—8兆帕)，上油缸对铸件加压锻造，浇注温度为液相线温度以上50-80℃，加压速度为50-80mm/s，充型时间1-6s，比压为150-250MPa，并在该压力下保压一段时间(50s—60s)，按下“工作”键，先开左右锁紧块，再开前后模具块，上模回程，下模顶出的同时，上油缸回程，将锻件顶出，这种结构可在完成液态模锻后使铝合金外壳顺利从底模中取出。

在实际使用时，上模及底模分别安装在压力机的上、底模架上。在开始液态模锻前对上模及底模加热并喷脱模剂，然后将铝合金熔液定量注入底模的型腔内，上模下降并合模，上冷却腔、下冷却腔中作水冷循环，调整模具温度始终在200～250摄氏度之间，由压力机施以静压并保温、保压直至完成铝合金外壳的液态模锻。

利用本发明所述的模具，不仅可使铝合金外壳的机械性能与模锻的铝合金外壳机械性能相当，不仅可以提高材料利用率，并在后续的加工中，可大大地减少切削加工量，并降低加工成本。

实施例2起动机铝合金外壳的复合成形方法

本实施例的起动机铝合金外壳的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→等温轧制→热处理→精整。本实施例的起动机外壳铝合金的化学成分见表1

表1起动机外壳铝合金成分(以％计，余者为Al)

采用该铝合金的异截面环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：其具体工艺过程为：铝合金块入炉之前将表面清理干净，用电阻炉加热，炉膛温度控制在840℃，熔化铝合金之前坩埚先预热600～700℃，保温30min，冷却到300℃，喷涂料，再升温到500～600℃装料，铝合金熔化后精炼、除气，扒去液面的浮渣；

2、液态模锻为：将上述液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为970℃，加压速度为80mm/s，充型时间1s，比压为200MPa，并在该压力下保压50s-60s，，得到铝合金坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100～180℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度18微米，继续预热液态模锻模具至250℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。脱模剂选用油剂石墨。

3、均匀化为：将液态模锻得到的坯冷却至620℃时，保温3h。

4、等温轧制：均匀化后加热实施等温热轧制过程，经均匀化的近终截面环坯升温至850℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为850℃，其与近终截面环坯的温差为0℃。等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段。

4、热处理为：经等温轧制得到的环坯在350℃保温1h，随炉冷却。

5、精整：本实施例的精整采用冷精整。

本实施例的起动机铝合金外壳与传统砂型铸造的球墨铸铁件的性能比较如表2、表3所示。

表2球墨铸铁砂型铸造与铝合金液态模锻方案比较

表3本实施例的模锻件在强度、刚度、硬度等方面性能指标

Claims (5)

1.一种生产起动机外壳的铝合金液态模锻模具，其特征在于：由上模连板、上模腿、上模板、上模芯、底模芯、抽芯、底模板、顶板、模腿、油缸、电磁行程开关、冲头、空腔等十三部分组成。

2.按照权利要求1所述的液态模锻模具，其特征在于：包括上模及底模，上模芯环套在芯棒上并固定安装在上模板上，上模芯内设有上冷却腔；底模的底模板及底模芯嵌套在一起并固定安装在下固定板上，底模芯内设有下冷却腔；模具各部分通过油缸连接，油缸的行程通过电磁接近开关控制；在模具上模连板中央装置了油缸，油缸下端是冲头，使用电磁开关控制油缸冲头行程；采用上模芯(凹模)对底模芯(凸模)直接加压；上模连板下部设置一定的空腔，便于液态金属热传速度和凝固速度保持相等。

3.利用权利要求1或2的模具制备起动机铝合金外壳的复合成形方法，其特征在于：包括熔炼→液态模锻→均匀化→等温轧制→热处理→精整；

所述熔炼为：铝合金块入炉之前将表面清理干净，用电阻炉加热，炉膛温度控制在840℃，熔化铝合金之前坩埚先预热600～700℃，保温30min，冷却到300℃，喷涂料，再升温到500～600℃装料，铝合金熔化后精炼、除气，扒去液面的浮渣。

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将模具加热到180℃--230℃，喷涂涂料，特别是模芯、冲头部位应均匀涂布，然后通过设备“自动”合模，将熔炼得到的铝合金溶液用定量勺舀取定量的铝水浇注到权利要求1或2所述的液态模锻模具内，上模自动下行，下行到行程位置后(上液压油缸压力指示7—8兆帕)，上油缸对铸件加压锻造，浇注温度为液相线温度以上50-80℃，加压速度为50-80mm/s，充型时间1-6s，比压为150-250MPa，并在该压力下保压一段时间(50s—60s)，先开左右锁紧块，再开前后模具块，上模回程，下模顶出的同时，上油缸回程，然后用火钳取出锻件，使用压缩空气吹净后，喷涂石墨乳胶脱模剂，连续锻造。

所述等温轧制为：经均匀化的坯温度为750-850℃时，采用四立柱液压机上进行等温轧制。

4.根据权利要求3所述的复合成形方法，其特征在于：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至180℃--230℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，对模芯、冲头部位应均匀涂布，防止拉铝划痕，造成铸件损伤，然后继续预热液态模锻模具至200-250℃。

5.根据权利要求3所述的复合成形方法，其特征在于：所述等温轧制中四立柱液压机的参数为：

公称压力：3500kN

回程力：900kN

液压工作压力：25Mpa

滑块最大行程：1200mm

滑块速度   快下：150mm/s

           工作：6～15mm/s

           回程：100mm/s

滑块开口高度：1800mm

压射缸推力：1250kN

压射缸拉力：1000kN

压射缸行程：800mm

压射速度：60～150m/s

抽芯缸推力：1000kN

抽芯缸拉力：800kN

抽芯缸行程：400mm

工作台面积：前后：1400mm

            左右：1400mm

下缸推力：1200kN

下缸拉力：1000kN

下缸行程：500mm

电机总功率：96.2kW

机器重量：38500kg。

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