CN103551545A - 一种轮毂低压铸造模具及其浇注方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮毂低压铸造模具，其上模、上模芯、左侧模、右侧模和下模组合后形成铸造轮毂的铸造型腔，铸造型腔包括轮辋部成型型腔、辐条部成型型腔以及安装面成型型腔；所述左侧模和右侧模上均设有直接连通轮辋部成型型腔的第一浇口，下模上设有直接连通安装面成型型腔的第二浇口，第二浇口的顶端高于第一浇口的顶端；所述下模板上设有与第一浇口和第二浇口相匹配的浇口杯，浇口杯的上端分别与第一浇口和第二浇口连通，浇口杯的下端与插入到保温炉中的升液管连通。本发明还涉及采用该模具的浇注方法。本发明通过对浇口的设置进行了改良，故减轻了产品重量，改善了熔汤的微观组织结构，提高产品机械性能的同时，大大降低了外观不良的发生。

Description

一种轮毂低压铸造模具及其浇注方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体涉及一种尤其适用于铝液浇注的轮毂低压铸造模具及其浇注方法。

背景技术

以往轮毂在采用低压铸造方式时，在安装面设置浇口，从浇口处注入熔汤，辐条部和轮辋依次注入并凝固成形的方法叫单浇口式铸造法。在单浇口方式下，为了能够使熔汤在压力的作用下充分填充，一般按照从中心孔，到辐条部，然后到轮辋部的顺序进行定向性凝固。但是，此种铸造方法，由于轮毂辐条部会有厚壁部与薄壁部同时存在的这种复杂造型，因此，从安装面向轮辋部的定向性凝固就难以实现。同时，在该种方式下，作为从安装面向辐条及轮辋部输送熔汤的通道，为了确保熔汤良好的流动性，不得不增加辐条部分的厚度，所以这种方法做出的轮毂重量较重，在价格竞争日益激烈市场条件下，很难满足客户对产品低成本的要求。

为了改善上述现状，有人提出在安装面和轮辋端部分别设置浇口，从各浇口处将熔汤分别注入模具型腔内，即被称之为三浇口式浇铸法。但现有的三浇口浇铸工艺虽然在一定程度上满足了产品轻量化的要求，但是从现实生产的情况来看，还存在有待于解决的问题。在原本要求材料的微观组织要细化的轮辋端部（交差部）及前突缘部，由于设置了浇口，使得轮毂该部分的机械强度不足，为了弥补其不足，又不得不增加产品壁厚。而且，为了实现良好的定向性凝固，在辐条部增设了冷却系统对该处进行冷却。即便如此，定向性凝固后的产品上铸造缺陷还是时有发生。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，在于提供一种轻量化，高强度以及能够减少铸造不良率的轮毂低压铸造模具及其浇注方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种轮毂低压铸造模具，包括上模盖板、上模、上模芯、左侧模、右侧模、下模和下模板；所述上模与上模盖板连接，上模芯设在上模上，下模设在下模板上，左侧模和右侧模设在上模盖板和下模板之间；所述的上模、上模芯、左侧模、右侧模和下模组合后形成铸造轮毂的铸造型腔，铸造型腔包括轮辋部成型型腔、辐条部成型型腔以及安装面成型型腔；所述左侧模和右侧模上均设有直接连通轮辋部成型型腔的第一浇口，下模上设有直接连通安装面成型型腔的第二浇口，第二浇口的顶端高于第一浇口的顶端；所述下模板上设有与第一浇口和第二浇口相匹配的浇口杯，浇口杯的上端分别与第一浇口和第二浇口连通，浇口杯的下端与插入到保温炉中的升液管连通。 

所述第二浇口顶端与第一浇口顶端的高度差为25~70mm；如果高度差小于25毫米，第二浇口处熔汤进入型腔时机过早，对于型腔内已填充熔汤的补充填充效果比较不明显，而高度差大于70mm，型腔内的壁薄部分，可能会有部分凝固或半凝固，不太利于熔汤的循环。当然，具体设置的高度差还要根据轮毂尺寸大小及造型面复杂程度来调整。

所述第二浇口的口径小于第一浇口的口径。由于第二浇口处位置变高，所以熔汤在到达第二浇口处时的压力损耗大于第一浇口，通过减小第二浇口口径，来增强熔汤的压力；进一步实现了微观结构组织的细微化的同时，减少了外观不良。

所述第二浇口最大截面面积与第一浇口最大截面面积的比值以及第二浇口最小截面面积与第一浇口最小截面面积的比值均为0.5~0.8。当第二浇口最大截面面积与第一浇口最大截面面积的比值以及第二浇口最小截面面积与第一浇口最小截面面积的比值低于0.5时，型腔内的薄壁部分已凝固或半凝固，很难进行填充，故不宜采用；当第二浇口最大截面面积与第一浇口最大截面面积的比值以及第二浇口最小截面面积与第一浇口最小截面面积的比值高于0.8时，第二浇口处压力已很接近第一浇口处的压力，第二浇口处熔汤液面接近于第一浇口处的熔汤液面，补充填充效果不明显。

所述第二浇口最小截面面积与最大截面面积的比值为0.3~0.7。第二浇口口径大小采用该种比例的目的在于，在满足所述高度差和浇口处压力的同时，还要保证单位时间内熔汤的流量。在整个成型型腔里，安装面周围的壁厚较厚，而从第一浇口处填充的熔汤是最后到达安装面的，这时安装面部分的熔汤数量减少，流速变缓慢。所以，通过浇口口径的变化，提高熔汤压力的同时，也保证了单位时间的流量。又因为第二浇口处熔汤填充时机晚于第一浇口处，故第二浇口最小截面面积与最大截面面积的比值设在这个范围内的补充填充效果明显。

所述第一浇口内腔的截面形状为从浇口处到轮辋部逐渐增大的倒置壶状，第一浇口最小截面面积与最大截面面积的比值为0.6~0.8。较之第二浇口而言，第一浇口顶端高度较低，浇口口径变化较小，其目的在于第一浇口处是从轮辋部开始进行填充，该处浇道呈倒置壶状，即熔汤是由浇口处集中向轮辋部逐渐发散的填充过程，且型腔壁厚单薄，冷却速度快，故熔汤压力和流速等都不宜过猛过快，以平稳均匀填充最佳。

本发明将辐条部成型型腔的高度设为6-9mm时，在满足轮毂轻量化的同时，其机械性能也能够满足使用的要求。

本发明还涉及上述轮毂低压铸造模具的浇注方法，包括如下步骤：

1）升液阶段：通过加压将熔汤从保温炉导入升液管顶部，但还未进入铸造型腔，此时的压力由0逐渐升至150-220bar，升液阶段的时间为为8-16s；

2）充型阶段：待熔汤平稳流入铸造型腔直至充满型腔为止，压力由150-220bar升至220-380 bar，所需时间为15-30s；

3）补压阶段：在熔汤充满铸造型腔时继续加大压力，压力由220-380bar升至380-700bar，所需时间为8-15s；

4）保压阶段：保持压力为380-700bar对型腔进行冷却，使轮毂成型凝固；

5）脱模阶段：轮毂成型凝固后泄压，泄压后自然冷却100-150s，脱模，即得到轮毂。

上述步骤4)中的冷却方式采用水冷或者风冷。

发明人经研究发现，在三浇口式浇铸法中，安装面浇口和轮辋两侧浇口之间不存在高度差时，各个浇口处的熔汤必然会同时流入型腔，使得熔汤在辐条部产生合流，随着下模冷却系统的冷却，在下模表面温度达到350℃左右的低温时，辐条部产生的合流会冷却凝固造成冷隔不良。同时当熔汤在辐条部产生合流时有可能卷入空气和氧化物质，如果该产品的辐条部是精加工样式的话，在加工时该种氧化物会出现在产品表面，产生外观不良。该工艺所产生的冷隔不良大多发生在辐条部，同时，安装面浇口和轮辋两侧浇口之间的高度差与口径大小直接影响到熔汤进入型腔时的时间和压力大小，而这些因素又直接关乎产品本身质量好坏及不良发生的概率。

本发明在轮毂低压铸造模具的型腔里，采用了安装面及轮辋两端分别各设置浇口，并保证熔汤能够顺利从各个浇口处注入型腔的三浇口浇注工艺。并且本发明将安装面浇口与轮辋型腔处浇口设置有一定高度差，使得左、右侧模浇口处的熔汤，先进入型腔内部进行填充。由于安装面浇口口径较小，使得进入型腔时的熔汤压力增加，并且由于高度差的产生使得该处的高压熔汤填充时间晚于左、右侧模处浇口的填充时间，对于型腔内的熔汤起到了补填充的作用，即避免了辐条部合流的产生，又降低了卷入空气及氧化物的概率，不仅提高轮辋端部（交差部）及前突缘部等部位的机械强度，还使得一般的三浇口工艺带来的铸造外观不良的状况得到了极大地改善，即便在辐条部变薄的情况下，其机械强度依然能够满足使用要求，从而能够大幅度减轻轮毂的重量。

本发明所述浇注工艺，通过控制各个阶段的压力和时间，进一步提供了轮辋端部（交差部）及前突缘部等部位的机械强度，极大地改善了一般的三浇口工艺带来的铸造外观不良的状况。

附图说明

图1为本发明铸造模具的结构示意图；

图2为图1中的E部放大图；

图3为采用图1所述铸造模具浇注得到的轮毂；

图4为图3中轮辋和辐条部分的结构图；

图5a为图4中P3部分现有轮毂的金相组织图；

图5b为图4中P3部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图6a为图4中P1部分现有轮毂的金相组织图；

图6b为图4中P1部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图7a为图4中P2部分现有轮毂的金相组织图；

图7b为图4中P2部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图8a为图4中P4部分现有轮毂的金相组织图；

图8b为图4中P4部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图9a为图4中P5部分现有轮毂的金相组织图；

图9b为图4中P5部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图10a为图4中P6部分现有轮毂的金相组织图；

图10b为图4中P6部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图11a为图4中P7部分现有轮毂的金相组织图；

图11b为图4中P7部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图；

图12a为图4中P8部分现有轮毂的金相组织图；

图12b为图4中P8部分本发明制备得到的轮毂的金相组织图。

具体实施方式

本发明中1巴(bar)=100,000帕(Pa)。

以下结合附图进一步说明本发明。

参见图1图2所示，本发明提供轮毂低压铸造模具的具体结构如下：连接单元3将上模盖板4与机台盖板1连接，同理，连接杆17将推料环14与顶杆板2连接，上模8分别与上模盖板4与上模芯6连接，左侧模5-B和右5-A嵌在上模盖板4与下模板10之间，立柱单元12位于左侧模5-B的左侧，并嵌在上模盖板4与下模板10之间。轮毂铸造型腔的主体结构由上模8，上模芯6，右侧模5-A，左侧模5-B以及下模9几部分构成。上模8与下模9形成的辐条C处的型腔的高度为6-9mm。

右侧模5-A与左侧模5-B上分别设有第一浇口11 -A与11-B，第一浇口11 -A与11-B直接连通轮辋部A处成型型腔，第一浇口内腔的截面形状为从浇口处到轮辋部逐渐增大的倒置壶状结构，同时，下模9中心部，设有第二浇口（图中未标出），第二浇口与安装面D处成型型腔连通。第二浇口的顶端高于第一浇口的顶端，优选的，其高度差为25~70mm。下模板10的两侧及中间部分分别设有与第一浇口和第二浇口相匹配的浇口杯7-A、7-B以及7-C，浇口杯7-A的上端与第一浇口11-A连通，其下端与插入到保温炉16中的升液管15-A连通；浇口杯7-B的上端与第一浇口11-B连通，其下端与插入到保温炉16中的升液管15-B连通； 浇口杯7-C的上端与第二浇口连通，其下端与插入到保温炉16中的升液管15-C连通。

本发明所述第二浇口的口径小于第一浇口的口径；其中，第二浇口最大截面面积Q1与第一浇口最大截面面积M1（N1）以及第二浇口最小截面面积Q2与第一浇口最小截面面积M2（N2）的比值均为0.5~0.8。第二浇口最小截面面积Q2与最大截面面积Q1的比值优选为0.3~0.7；第一浇口最小截面面积M2（N2）与最大截面面积M1（N1）的比值优选为0.6~0.8。

采用本发明的铸造模具进行浇注时，熔汤在压力的作用下从保温炉16中进入升液管15-A、5-B以及15-C ，再分别进入浇口杯7-A，7-B以及7-C，通过浇口杯将熔汤导入第一浇口和第二浇口，然后进入轮辋部成型型腔和安装面成型型腔。由于第二浇口的顶端高于第一浇口的顶端，熔汤首先从第一浇口11-A、11-B进料，然后从轮辋部A处成型型腔依次按照A-B-C-D的顺序进行填充。（即轮辋部-轮辋与辐条的连接处-辐条处-安装面）的顺序进行填充；熔汤从第二浇口进入安装面D处成型型腔的时间晚于第一浇口11-A、11-B，从第二浇口进入的熔汤从填充顺序上看刚好与前述进入轮辋部成型型腔A处熔汤的填充顺序的方向相反（即D-C-B-A），也正是由于熔汤进入轮辋部A处成型型腔和进入进入安装面D处成型型腔的时间不同，大大降低了熔汤合流的机会，同时，使得型腔内部的成型更加的充分，进而减少了铸造不良的发生。

本发明的上述浇注方法中的工艺流程及参数如下：

1）升液阶段：通过加压将熔汤从保温炉导入升液管顶部，但还未进入铸造型腔，此时的压力由0逐渐升至150-220bar，升液阶段的时间为为8-16s；

2）充型阶段：待熔汤平稳流入铸造型腔直至充满型腔为止，压力由150-220bar升至220-380 bar，所需时间为15-30s；

3）补压阶段：在熔汤充满铸造型腔时继续加大压力，压力由220-380bar升至380-700bar，所需时间为8-15s；

4）保压阶段：保持压力为380-700bar对型腔进行冷却，使轮毂成型凝固；

5）脱模阶段：轮毂成型凝固后泄压，泄压后自然冷却100-150s，脱模，即得到轮毂。

开模时，液压缸将机台盖板1向上抬起时将上模8（轮毂与上模一起抬起）与推料环14抬起，到一定高度以后，将顶杆板2向下压，通过连接杆17将推料14向下压从而将轮毂从上模8上脱下。

以下结合实施例进一步说明本发明，以下实施例1和对比例1的浇注方法均是以20寸轮毂为例。

实施例1

铝液成分

Si	Fe	Mg	Ti	Sr	Zn	Pb	Cu	Mn	Ni	Sn	Cr	Al
													7.2	0.12	0.25	0.12	0.016	0.001	0.01	0.08	0.008	0.012	0.04	0.05	余量

采用本发明的铸造模具，辐条处型腔的高度为8mm，第二浇口最大截面面积Q1与第一浇口最大截面面积M1（N1）以及第二浇口最小截面面积Q2与第一浇口最小截面面积M2（N2）的比值均为0.6。第二浇口最小截面面积Q2与最大截面面积Q1的比值Q1/Q2=0.45；第一浇口最小截面面积M2（N2）与最大截面面积M1（N1）的比值M1/M2(N1/N2)=0.78。

采用上述模具浇注时的工艺流程及参数如下：          

1）升液阶段：通过加压将熔汤从保温炉导入升液管顶部，但还未进入铸造型腔，此时的压力由0逐渐升至200bar，升液阶段的时间为为10s；

2）充型阶段：待熔汤平稳流入铸造型腔直至充满型腔为止，压力由200bar升至340bar，所需时间为20s；

3）补压阶段：在熔汤充满铸造型腔时继续加大压力，压力由340bar升至600bar，所需时间为12s；

4）保压阶段：保持压力为600bar对型腔进行冷却，使轮毂成型凝固；

5）脱模阶段：轮毂成型凝固后泄压，泄压后自然冷却100s，脱模，即得到轮毂。

开模时，液压缸将机台盖板1向上抬起时将上模8（轮毂与上模一起抬起）与推料环14抬起，到一定高度以后，将顶杆板2向下压，通过连接杆17将推料14向下压从而将轮毂从上模8上脱下。

对比例1

对比例1中所采用的铸造模具与实施例1中的模具相同，其不同之处在于第二浇口的顶端与第一浇口的顶端相同，熔汤成分与前者一致，且上模与下模形成的辐条处的型腔的高度为8mm。其浇注方法如下：

1）升液阶段：通过加压将熔汤从保温炉导入升液管顶部，但还未进入铸造型腔，此时的压力由0逐渐升至200bar，升液阶段的时间为为10s；

2）充型阶段：待熔汤平稳流入铸造型腔直至充满型腔为止，压力由200bar升至340bar，所需时间为20s；

3）补压阶段：在熔汤充满铸造型腔时继续加大压力，压力由340bar升至600bar，所需时间为12s；

4）保压阶段：保持压力为600bar对型腔进行冷却，使轮毂成型凝固；

5）脱模阶段：轮毂成型凝固后泄压，泄压后自然冷却100s，脱模，即得到轮毂。

开模时，液压缸将机台盖板1向上抬起时将上模8（轮毂与上模一起抬起）与推料环14抬起，到一定高度以后，将顶杆板2向下压，通过连接杆17将推料14向下压从而将轮毂从上模8上脱下。

  以下对对比例1和实施例1分别得到的轮毂进行相关性能的检测。

表1为图4中内法兰部分P8、辐条部分P5、外凸缘部分P3的性能数据。

 

从表1可以看出，轮毂中的内法兰、辐条、外凸缘部位的抗拉强度、屈服强度以及延伸率均得到了明显的提高。

    表2为图4中轮辋与辐条各个部分的布氏硬度试验数据

表2

 图5至图12为图4中轮辋与辐条中的P3、P1、P2、P4、P5、P6、P7、P8部位的金相组织图，放大倍数：200x。从图5至图12可以看出，实施例1中轮毂各部分的金相组织比对比例1中的金相组织显得更加圆滑，细密。

表3为是对比例1与实施例1的信赖性试验数据

 表3

	对比例1	实施例1
			13°冲击试验	710kg	1100kg
疲劳试验	84万（圈数）	320万（圈数）
			径向试验	6000km	24000km

 13°冲击试验为轮毂试验中最重要的一个试验，从表3的实验结果我们不难发现，通过该种方法生产出来的轮毂与以前的相比，性能得到了极大地改善。

通过上述一系列的实验表明通过该种浇铸方法生产的产品，不论是材料的机械性能，产品的性能试验还是微观金相组织结构，较之以前的产品，都有了显著地提高，从而满足了在高度市场化下的今天，客户对产品的多重化需求。

Claims (9)

1.一种轮毂低压铸造模具，包括上模盖板、上模、上模芯、左侧模、右侧模、下模和下模板；所述上模与上模盖板连接，上模芯设在上模上，下模设在下模板上，左侧模和右侧模设在上模盖板和下模板之间；所述的上模、上模芯、左侧模、右侧模和下模组合后形成铸造轮毂的铸造型腔，铸造型腔包括轮辋部成型型腔、辐条部成型型腔以及安装面成型型腔；

其特征在于所述左侧模和右侧模上均设有直接连通轮辋部成型型腔的第一浇口，下模上设有直接连通安装面成型型腔的第二浇口，第二浇口的顶端高于第一浇口的顶端；所述下模板上设有与第一浇口和第二浇口相匹配的浇口杯，浇口杯的上端分别与第一浇口和第二浇口连通，浇口杯的下端与插入到保温炉中的升液管连通。 

2.根据权利要求1所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述第二浇口顶端与第一浇口顶端的高度差为25~70mm。

3.根据权利要求1或2所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述第二浇口的口径小于第一浇口的口径。

4.根据权利要求3所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述第二浇口最大截面面积与第一浇口最大截面面积的比值以及第二浇口最小截面面积与第一浇口最小截面面积的比值均为0.5~0.8。

5.根据权利要求4所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述第二浇口最小截面面积与最大截面面积的比值为0.3~0.7。

6.根据权利要求4所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述第一浇口内腔的截面形状为从浇口处到轮辋部逐渐增大的倒置壶状，第一浇口最小截面面积与最大截面面积的比值为0.6~0.8。

7.根据权利要求1所述的轮毂低压铸造模具，其特征在于所述辐条部成型型腔的高度为6-9mm。

8.上述任一权利要求所述的轮毂低压铸造模具的浇注方法，其特征在于包括如下步骤：

1）升液阶段：通过加压将熔汤从保温炉导入升液管顶部，但还未进入铸造型腔，此时的压力由0逐渐升至150-220bar，升液阶段的时间为为8-16s；

2）充型阶段：待熔汤平稳流入铸造型腔直至充满型腔为止，压力由150-220bar升至220-380 bar，所需时间为15-30s；

3）补压阶段：在熔汤充满铸造型腔时继续加大压力，压力由220-380bar升至380-700bar，所需时间为8-15s；

4）保压阶段：保持压力为380-700bar对型腔进行冷却，使轮毂成型凝固；

5）脱模阶段：轮毂成型凝固后泄压，泄压后自然冷却100-150s，脱模，即得到轮毂。

9.根据权利要求8所述的浇注方法，其特征在于步骤4)中的冷却方式采用水冷或者风冷。

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