CN111790894B - 移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法及其铸模 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法及其铸模，提供有效率地生产制造，其包含有：一原料熔融步骤，将一含铝材料熔融成一铝汤；一铸造步骤，系一下模具设有一升液管，俾利将该铝汤注入于该下模具内，又在该升液管的出口处周围设有一水冷模块，可以对下模具内铝汤进行局部冷却，以获得特定固液比的铝汤，此时再以一上模具则对铝汤进行压挤，最后冷却、脱模而获得一第一初胚，然后再对该第一初胚进行塑性成型加工、固溶与时效热处理后，而得一铸锻轮圈；如此，可以克服传统铸胚无法采用锻造用析出硬化型铝合金的问题。

Description

移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法及其铸模

技术领域

本发明涉及移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，尤指使用先铸造粗胚、再锻造及旋压成型加工的一种成型工法。

背景技术

市售铝合金轮圈可区分为锻造轮圈及铸造轮圈，而锻造轮圈因使用析出硬化型的铝合金AA6061，配合繁琐的锻造制程而可生产出机械性质佳的锻造轮圈，该锻造轮圈可以达到降伏强度可达221MPA、抗拉强度可达276MPA、延伸率7%等机械性质。反观，铸造轮圈因使用国际标准压铸铝合金原料 A356，而 所获得铸造轮圈的降伏强度仅达130MPA、抗拉强度仅达201MPA、延伸率7%等机械性质，故锻造轮圈的机械性质优于铸造轮圈，但铸造轮圈的制造成本优势较佳，而铸锻轮圈则同时具有前述两种轮圈优点。

传统低压铸造轮圈的工法，是铸造前上、下及侧边模具须完全闭合才能进行铝汤注入充填，且铝汤为以高硅含量的铸造铝合金配方来进行充填，可以增 进铝汤的流动性。在模具内完成铝汤充填后，仅能以保压为主，铝汤不再具有流动性，导致后续冷却过程中，其铸胚易有缩孔(shrinkage cavity)及结晶偏析(crystal segregation)等问题。

中国台湾专利前案TW200906511A教示一种「铝圈铸锻旋压方法」，其以铸造、锻造、固溶处理、旋压成型、时效处理等先后顺序的工法来制造车辆铝圈，但其铝汤成分，仍需要以高硅含量的铸造成分配方(硅含量至少3%以上)来制作胚料，以达到铸造粗胚的成型性；之后，在辅以锻造工法增加些微强度及延伸率。但考量其所采用铝合金材料，并非属于锻造用析出硬化型铝合金，故 无法达到锻造轮圈的强度需求。

再者，该TW200906511A文献所教示的旋压成型，系先将铸胚固溶热处理(含淬水)后再旋压胎环，最后才进行时效处理，虽然铸胚经过固溶处理后的延展性增加，可增进旋压成型的合格率，惟其仍属常温条件下的旋压成型，失败率仍高。

另，中国专利前案CN103084559B系教示一种「二次加压熔汤锻造车轮的锻造方法」，其以机械手舀取铝汤倒入铸模的模穴中，然后分二次对该铸模加压，其第一次加压，以主缸对该铝汤进行一次加压；其第二次加压，以辅助缸对该铝汤进行二次加压。此种工法的优点：由于是在铝汤半凝固加压，故可改善成型性及不必受限于使用高硅含量的铝合金；然而，其缺点：在其舀汤、倒汤过程中，容易产生大量扰动产生卷气，使该铝汤内有大量氧化膜，且该氧化膜影响铸胚品质甚大，而无法以一次及二次加压过程去除。

发明内容

缘此，鉴于上述现有工法，于是本发明人便穷极心思发明出一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法及其铸模，故本发明的主要目的在于：提供满足传统锻造产品要求的机械性质的铸锻工法；本发明的次要目的在于：可采用锻造用铝合金并解决铸胚的流动性不佳、严重偏析等问题的工法铸锻；本发明的另一目的在于：提供较佳的得料率、制造合格率、铸锻品质等的铸锻工法。

为达上述目的，故本发明运用了如下技术手段：

关于本发明一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，包含有：一原料熔融步骤，将一含铝材料熔融成一铝汤；一铸造步骤，以位于一铸模所设一下模具内的一升液管，凭借该升液管将该铝汤注入于该下模具内，又紧邻该升液管的出口处周围附近设有一水冷模块，该水冷模块对该铝汤进行由近至远的渐次递降冷却效果，进而获得特定固液比的铝汤，此时再以该铸模所设一上模具则对该铝汤进行压挤，以防该铝汤回流堵塞该升液管，最后将该铸模整体经冷却、脱模而获得一第一初胚；一塑性成型加工步骤，以再结晶温度以上的温度，对该第一初胚进行精锻成型作业，而获得一第二初胚；及一旋压成型步骤，以旋压成型方式，而获得一旋压胚料；及一冲孔切边步骤移除盘面多余材料；一热处理步骤，对该第二初胚进行固溶与时效处理后成为一铸锻轮圈。

上述该升液管将该铝汤注入于该下模具内的方式，以1~2大气压力的惰性气体，将该铝汤平稳地压入模具内的填充方式。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中该塑性成型加工步骤系更包含有一盘面热作细锻整型步骤及一热旋延伸步骤。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中该水冷模块的流道设为环绕于该升液管的出口处附近，并嵌入下模具内。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中在该铸模注入填充铝汤后，才启动该水冷模块通入冷却水于该水冷模块的流道内，然后才进行该上模具的压挤，待取出铸件后通入空气，以将热水完全排出。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中该铝汤注入于该下模时，该上模具的位置可以是全开、半闭合状态。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中该铸锻轮圈可以获得降伏强度221MPA、抗拉强度276MPA、延伸率7%以上的机械性质。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中上模主缸压力仅需施予低于20吨的压力，以对该铝汤进行挤压。

所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其中该含铝材料是采用锻造用析出硬化型铝合金。

所述该移动载具用铝合金铸锻轮圈的成型铸模，包含有：一下模具，对应一铸胚的下半部设有一模穴；一上模具，对应该铸胚的上半部设有一模穴；一升液管，接设于该下模具底部的中心处位置；及一水冷模块，紧邻该升液管的出口处周围附近；先凭借以惰性气体将铝汤平稳地压入下模具内后，再启动该水冷模块对该铝汤局部冷却后形成特定的固液比状态，然后，再移动该上模具密合于该下模具后冷却脱模，最后形成该铸胚。

本发明凭借上述技术手段，可以达到如下功效：

本发明工法以铸模下方注入填充铝汤，然后再辅以该上模具下压该铝汤方式，让本发明工法可以采用锻造用析出硬化型铝合金美国铝业成分标准AA2XXX、6XXX、7XXX等材料来进行预先铸造第一初胚，而不会产生有流动性不佳，并改善传统铸造工法的严重偏析等问题；然后，再将铸锻轮圈不易铸造成型的部位以锻造方式成型，以强化本发明铸锻轮圈的机械性质，换言之，本发明铸锻轮圈所获得的机械性质相当于锻造件。

本发明工法是使用第一初胚来进行锻造，可使材料分配更自由，同时降低传统锻造材料分配的限制之外，还能节省原传统锻造难以避免的材料浪费，进而提高得料率。

本发明工法以铸模下方自动施以惰性气体以1~2大气压力将铝汤平稳地压入模具的填充铝汤方式，可免用机械手舀汤倒入模穴时的大量卷气氧化现象以避免铸锻轮圈产生氧化膜而提升其品质；另，在第一初胚的后所进行的塑性加工，均为再结晶温度以上的热作成型，据以提高塑性加工的成型性与制造合格率。

附图说明

图1是本发明移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法的流程图。

图2是本发明移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法的较佳流程图。

图3是本发明铸模全开状态的示意图。

图4是本发明铸模半开半闭合状态的示意图。

图5是本发明铸模内铸胚成型的示意图。

图6是本发明铸模脱模的示意图。

图7是本发明进行热作的塑性加工的示意图。

图8是以本发明工法制造完成的铸锻轮圈的剖面示意图。

图9是以本发明工法制造完成的铸锻轮圈的正面示意图。

附图标记说明：A-铸锻成型工法；a、b、c、c1、c2、d、e-步骤；1-铸模；11-下模具；111-模穴；12-上模具；121-模穴；2-升液管；21-出口处；3-水冷模块；4-铝汤；41-固态区域；42-液态或半固态区域；5-第一初胚；51-升液管铸口；7-铸锻轮圈；70-本体；71-盘面；72-轮辐；73-中心孔；74-螺丝孔；75-胎环；8-锻模。

具体实施方式

本发明涉及一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，最主要提供制造生产一般车辆的轮圈、轮毂及可扩及电动车辆的轮毂电机外壳等具备单边盘面且带环状侧壁的圆筒型的铸锻轮圈。换言之，本发明所述及的铸锻轮圈不以车辆为限，可扩及其他移动式载具用的轻金属铸锻件。

如图8及图9所示，按本发明铸锻工法的规划，将一铸锻轮圈7的本体70、盘面71、轮辐72、中心孔73、胎环75等部位先行铸造作业成铸胚后，再对该本体70、盘面71、轮辐72、中心孔73、胎环75进行热锻作业，该热锻作业除面精锻盘面71外，更特别将胎环75以旋压法将其延伸出更长，的后进行冲孔切除部分余料，最后在将该铸锻轮圈进行热处理。

因此，如图1所示，本发明铸锻成型工法A包含有：一原料熔融步骤(a)、一铸造步骤(b)、一塑性成型加工步骤(c)、一冲孔切边加工步骤(d)、一热处理步骤(e)。兹将本发明铸锻成型工法A的各步骤详述如后：

一原料熔融步骤(a)，将一含铝材料熔融成一铝汤4，并将该铝汤4放入一容器备用；而该含铝材料可特别选用锻造用析出硬化型铝合金美国铝业成分标准AA2XXX、6XXX、7XXX等材料，让本发明工法所制造生产的铸锻轮圈可以获得接近锻造件的机械性质。

一铸造步骤(b)，以位于一铸模1所设一下模具11内的一升液管2，且该升液管 会连通至该铝汤4的备用容器，凭借该升液管2吸引铝汤4以将该铝汤4注入于该下模具11内。

接者，紧邻该升液管2的出口处21周围附近设有一水冷模块3，其中该水冷模块3的流道设为环绕于该升液管2的出口处21附近，又该水冷模块3在该铸模1所设一上模具12则对该下模具11内的铝汤4进行压挤前时必须启动。而该上模具12的行程位置系指如图3、图4所示的全开、半闭合等状态的连续作动。

待启该动水冷模块3时，可对铸模1内的铝汤4进行由近至远的渐次递降的冷却效果，进而获得特定固液比的一固态区域41及一液态或半固态区域42，换言之，如图5所示，所谓渐次递降的冷却效果主要系因该升液管2的出口处21较接近该升液管2的出口处21附近的铝汤4较容易凝固成固态，但又不会完封堵塞该出口处21。此时，该铸模1所设一上模具12则对该下模具11内的铝汤4进行压挤当下，该固态区域41可以防止该铝汤4回流堵塞该升液管2，以俾利再将该铸模1整体进行冷却、脱模，所谓脱模系指分离下模具11及上模具12，以及包含下模具11所接设的侧缸从四面八方方向来进行开模，进而获得如图5及图6一第一初胚5，其中该第一初胚5具有铸锻轮圈的本体70、盘面71、 轮辐72、中心孔73、胎环75等部位的雏形。

一塑性成型加工步骤(c)，以再结晶温度以上的温度，对该第一初胚5进行加热精锻成型作业，特别将该铸锻轮圈的本体70、盘面71、轮辐72、中心孔73、胎环75以一锻模8进行精锻，如图7所示，而获得组织较为细致的一第二初胚。换言之，配合如图2所示，该塑性成型加工步骤系更包含有一盘面热作细锻整型步骤(c1)及一热旋延伸(c2)步骤，其中该盘面热作细锻整型步骤(c1)对该铸锻轮圈的本体70、盘面71、轮辐72、中心孔73、螺丝孔74凹状雏型进行精锻整型，而该热旋延伸步骤(c2)以热旋法延伸出该铸锻轮圈的胎环75至所需的长度(宽度)。

一冲孔切边加工步骤(d)，以冲孔切边加工方式，对该第二初胚的特定部位进行余料移除，例如：对铸锻轮圈的肋部之间的窗口及环绕其盘面周围的圆周余料。

一热处理步骤(e)，对该第二初胚进行固溶与时效处理后，而得一铸锻轮圈7。所谓固溶处理（solid solution heat treatment），将工件温度拉高到固溶温度使材料内合金元素进行固体扩散均匀分布至材料内部，然后淬水急速冷却将固溶温度时时元素分布状态固定下来，而所谓时效处理(Aging treatment)，系固溶后材料为过饱和固溶体并非稳定，会随着时间析出第二相，凭借第二相在材料基地内的析出可以强化材料机械性质与硬度，因固溶与时效处理是业界惯用技术，不再赘述。经该热处理步骤(e)的铸锻轮圈7可以获得降伏强度221MPA、抗拉 强度276MPA、延伸率7%以上等接近锻造件的机械性质。

凭借上述步骤构成本发明一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，最主要提供一种以铸模1下方的升液管2注入填充该铝汤4于下模具11内，然后再辅以该上模具12下压该铝汤4方式，让本发明工法可以采用锻造用析出硬化型铝合金等材料来进行预先铸造第一初胚5，而不会产生有流动性不佳，模穴内充填不完全、严重偏析等问题也获得改善。

另在该升液管2的出口处设有该该动水冷模块3，该水冷模块3系在该下模具11设有一分离式机构，且其内装设有循环水路流道，在填充注入该铝汤的过程中，不启动该水冷模块3，故流道内无冷却水，当该铝汤4注入填充完毕后，而须对该铝汤4进行冷却时，通入冷水并排出热水进行冷却，待取出第一初坯5后，需通入空气将热水完全排出。

在该铸模1充填过程中，该升液管2压力系使用至少为1~2大气压的惰性气体(Inert gas)，如此才能将该铝汤4往上输送至下模具11，铸模1充填过程约8秒至15秒，而该上模具12的下压时间约为3~10秒，又该上模具12的下压铝汤行程约为20~100mm，上模具12的油压缸总出力小于20吨的力量，此远低于锻机数百到数千吨的出力。

本发明铸锻轮圈的盘面71在铸造过程中形成些许毛边，该毛边处对应锻造溢料位置，锻造后直接排出溢料可避免锻造后夹入锻件；又该第一初胚5对应该升液管2会形成一升液铸口51，该升液铸口51若不在锻造前移除时可再锻模8预留空间容纳该特征即可进行锻造，后续在以机械加工法去除该特征即可；而胎环75处须视情况，必要时先进行研磨毛边，然后再放入锻模8。

以本发明工法完成的铸锻轮圈，然后再以车削、铣削或钻削等机械加工方式进行精密尺寸加工及控制而得一满足客户要求结构强度与机械性能的加工件，最后再依客户需求施以表面处理即为最终成品。

关于本发明所述该移动载具用铝合金铸锻轮圈的成型铸模1，如图3至图5所示，包含有：一下模具11，对应一铸胚5的下半部设有一模穴111；一上模具12，对应该铸胚的上半部设有一模穴121；一升液管2，接设于该下模具11底部的中心处位置；及一水冷模块3，紧邻该升液管2的出口处21周围附近；先凭借以惰性气体将该铝汤4平稳地压入下模具11内后，再启动该水冷模块3对该铝汤4局部冷却后形成特定的固液比状态，然后再移动上模具12密合于该下模具11后冷却脱模，最后形成该铸胚5，即得该第一初胚5。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于，包含有：

一原料熔融步骤，将一含铝材料熔融成一铝汤；

一铸造步骤，在一铸模所设一下模具内设有一升液管，凭借该升液管将该铝汤注入于该下模具内，又紧邻该升液管的出口处周围附近设有一水冷模块，该水冷模块对该铝汤进行由近至远的渐次递降冷却效果，进而获得一固态区域及一液态或半固态区域，此时再以该铸模所设一上模具则对该铝汤进行压挤，以防该铝汤回流堵塞该升液管，最后将该铸模整体经冷却、脱模而获得一第一初胚；

一塑性成型加工步骤，以再结晶温度以上的温度，对该第一初胚进行精锻成型与旋压成型作业，而获得一第二初胚；及

一热处理步骤，对该第二初胚进行固溶与时效处理后，而得到一铸锻轮圈。

2.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该升液管将该铝汤注入于该下模具内的方式，是以1~2个大气压力的惰性气体，将该铝汤平稳地压入模具内的填充方式。

3.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该塑性成型加工步骤是均施以再结晶温度以上的热作成型，其中包含有一盘面热作细锻整型步骤及一热旋延伸步骤；其中盘面热作细锻整型步骤目的是使肋部与各细部特征更接近最终产品；经过塑性成型后的铸造胚材料内部也得到更细化且紧致的显微结构，而热旋延伸步骤目的是使胎环部位延伸成型薄壁状特征。

4.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：在该塑性成型加工步骤、热处理步骤之间还包含有一冲孔切边步骤，其中该冲孔切边加工步骤是以冲孔模方式对该第二初胚的肋间窗口与盘面锻造溢料进行余料移除。

5.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该水冷模块的流道设为环绕于该升液管的出口处附近且嵌入于下模内。

6.如权利要求5所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：在该铸模注入填充铝汤后，才启动该水冷模块通入冷却水于该水冷模块的流道内，然后才进行该上模具的压挤，待取出铸件后通入空气，再将冷却热水完全排出。

7.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该铝汤注入于该下模时，该上模具的行程位置是全开或半闭合状态。

8.如权利要求1所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该上模具则对该铝汤所施予挤压力，设为主缸在完全闭模前的总压力低于20吨的力。

9.如权利要求1~8中任一项所述移动载具用铝合金铸锻轮圈成型工法，其特征在于：该含铝材料是采用锻造用析出硬化型铝合金，即为AA2xxx、6xxx或7xxx系列锻造用析出硬化型铝合金，让该铸锻轮圈获得降伏强度221MPA、抗拉强度276MPA、延伸率7%以上的机械性质。

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