CN112570684A - 一种铝合金车轮整体挤压铸造装置及其挤压铸造工艺和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金车轮整体挤压铸造方法及其装置，涉及挤压铸造成形领域。采用了反重力供液形式将铝合金液输送到模具型腔之中，不仅解决了重力供液存在的铝合金液氧化夹杂较多问题，而且显著提升了供液效率，缩短了供液时间；采用整体式挤压，显著提升了挤压效果，使铝合金车轮铸件各个位置均在较大压力下凝固成形，提高了铝合金车轮铸件冶金质量和性能；设计有铝合金液止回装置，该装置不仅起到挤压过程中防止合金液回流作用，而且在合金液充型过程中还可起到分流作用，保证合金液在各个方向上的均匀流动。

Description

一种铝合金车轮整体挤压铸造装置及其挤压铸造工艺和应用
技术领域
本发明涉及铝合金车轮铸件制造领域，具体涉及一种铝合金车轮整体挤压铸造装置及其挤压铸造工艺和应用。
背景技术
铝合金车轮铸件目前主流工艺是低压铸造成形工艺，但该工艺成形的铸件性能偏低，对于乘用车用铝合金车轮铸件尚可满足使用要求，但无法满足卡车、大巴车等商用车对铝合金车轮铸件的性能要求。
挤压铸造工艺技术是生产高性能铝合金铸件的较佳方法，该方法的最大特点是合金液在很大的机械压力作用下完成凝固过程，并伴有少量塑性变形，铸件具有很高的力学性能和较佳的冶金质量，可满足装备对铸件高性能的要求。
挤压铸造工艺可分为直接挤压铸造工艺和间接挤压铸造工艺两种形式，国内采用间接挤压铸造工艺的厂家较多，但是，由于该工艺在挤压过程中只能对铸件局部位置进行挤压，压力传递距离有限，远离挤压位置铸件性能偏低，无法满足车轮铸件整体挤压的要求。
国内采用直接挤压铸造成形工艺生产车轮铸件的厂家较少，其主要工艺步骤是：利用定量舀勺将合金液以重力浇注的方式输送到下模具凹模中，输液完毕后，上模具凸模在挤压铸造设备上横梁的带动下向下运动与凹模闭合，挤压合金液完成充型及凝固过程，并保压一段时间，使合金液在压力下完成凝固，之后，凸模带动铸件上行，并在卸料装置的作用下完成脱模过程。该工艺最大的问题是合金液输送采用重力浇注方式，合金液极易产生氧化夹杂，在后续挤压充型及凝固过程中氧化夹杂将进入铸件，对铸件性能影响极大，特别是对铸件疲劳性能造成很大影响，无法满足使用要求。另外，由于采用模具敞开式浇注，为保证铸件挤压后尺寸满足要求，必须加大加工余量，金属利用率仅有40％。
目前，国内尚无高性能铝合金车轮铸件专用铸造成形技术，传统工艺均存在一定问题，无法满足卡车、大巴车等商用车对铝合金车轮铸件的性能要求，在一定程度上也影响了国内商用车的轻量化发展。因此，开发出具有自主知识产权的高性能铝合金车轮铸件专用铸造成形工艺及装置迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种铝合金车轮整体挤压铸造装置及其挤压铸造工艺和应用，解决的技术问题是防止合金液产生氧化夹杂，避免在后续挤压充型及凝固过程中氧化夹杂将进入铸件，避免对铸件疲劳性能造成很大影响。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种铝合金车轮整体挤压铸造装置，该装置自上而下包括模具上凸模1、模具下凹模2、挤压机安装平台3、输液管加热装置4、保温炉5、坩埚6、输液管7、止回装置8；其中模具上凸模1及模具下凹模2均固定于挤压机安装平台3上，模具上凸模1中央设计止回装置8，坩埚6置于保温炉5内，输液管7通过挤压机安装平台3深入坩埚6内，在保温炉5与挤压机安装平台3之间设计有输液管加热装置4。
所述止回装置8在独立油缸带动下可上下移动，挤压过程中低压输液完成后即采用液压方式将止回装置8顶至输液管口与管口紧密贴合，将型腔和输液管内的铝液分离，防止整体挤压过程中铝液回流；止回装置8在铝液供液阶段可起到分流作用，保证铝液在各个方向上的均匀流动；输液管加热装置4可对输液管7内的铝合金液进行加热，保证输液管7内的铝合金液温度达到工艺要求。
止回装置设置有止回销，止回销在铝液供液阶段可起到分流锥作用，保证铝液在各个方向上的均匀流动。另外，止回销进入输液管口内可将型腔和输液管内的铝液分离，防止整体挤压过程中铝液回流；输液管加热装置可对输液管内的铝合金液进行加热，保证输液管内的铝合金液温度达到工艺要求。
所述止回装置8采用H13钢材质，厚度15mm-20mm，且设置有水冷通道11，采用单孔点冷式冷却方式对止回装置8进行冷却，防止止回销温度过高影响封闭效果，并延长使用寿命。
所述止回销直径至少80mm，最大不超过铝车轮中心孔产品加工线。
一种铝合金车轮整体挤压铸造工艺，模具上凸模1完成预合模；铝合金液在气控系统精确控制的压缩空气作用下通过输液管7自下而上从模具下凹模2底部进入型腔，待合金液充满型腔后，气控系统停止加压，完成铝液输送；
铝液输液完毕后，止回装置8在独立油缸带动下向下运动，进入输液管口内，将型腔和输液管7内的铝液分离防止回流；使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；
止回装置8完成铝液分离后，模具上凸模1在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在模具上凸模1压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随模具上凸模1向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
一种铝合金车轮铸件成形方法，具体步骤如下：
1)配制铝合金，合金在熔化炉内熔化后，在720℃-730℃下加入Al-Ti中间合金和Al-Sc中间合金进行细化处理，在720℃利用旋转喷吹设备进行精炼处理20min，取化学成分试样进行炉前分析，成分符合要求后，将合金液转运至设备保温炉中；
2)对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，模具上凸模1快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2800KN，保压时间300s，铝液供液压力45KPa，供液速度60mm/s，补液高度150mm；
3)对车轮挤压模具进行预热调试，模具上凸模1和模具下凹模2温度预热到200℃-220℃，止回销10预热温度200℃；
4)待参数设置和模具预热完成后，模具上凸模1完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置8在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上凸模1在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在模具上凸模1压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随模具上凸模1向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕；
5)车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺采用阶梯式工艺：固溶处理工艺470℃×3h+485℃×6h，40℃水淬，时效处理工艺120℃×10h；制备得到成形铝合金车轮铸件本体。
所述成形铝合金车轮铸件本体力学性能达到：Rm≥500MPa，Rp0.2≥400MPa，A≥10％。
优选的，所述步骤1)中铝合金的质量百分比为：Zn：5.1％-6.1％，Mg：2.1％-2.9％，Cu:1.2％-2.0％，Mn:0.1％-03％，Cr:0.18％-0.28％，Ti：0.05％-0.2％，Sc:0.05-0.2％，Al为余量。
有益效果：
本发明采用了反重力供液形式将铝合金液输送到模具型腔之中，不仅解决了重力供液存在的铝合金液氧化夹杂较多问题，而且显著提升了供液效率，缩短了供液时间；采用整体式挤压，显著提升了挤压效果，使铝合金车轮铸件各个位置均在较大压力下凝固成形，提高了铝合金车轮铸件冶金质量和性能；设计有铝合金液止回装置，该装置不仅起到挤压过程中防止合金液回流作用，而且在合金液充型过程中还可起到分流作用，保证合金液在各个方向上的均匀流动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是铝合金车轮整体挤压铸造工艺装置示意图；
图2是铝合金液止回装置示意图；
图3是本装置剖面结构示意图；
其中，模具上凸模1、模具下凹模2、挤压机安装平台3、输液管加热装置4、保温炉5、坩埚6、输液管7、止回装置8、止回销9。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的结果及实施效果做进一步说明：
实施例1
如图1、图2所示，一种铝合金车轮整体挤压铸造装置，该装置自上而下包括模具上凸模1、模具下凹模2、挤压机安装平台3、输液管加热装置4、保温炉5、坩埚6、输液管7、止回装置8；其中模具上凸模1及模具下凹模2均固定于挤压机安装平台3上，模具上凸模1中央设计止回装置8，坩埚6置于保温炉5内，输液管7通过挤压机安装平台3深入坩埚6内，在保温炉5与挤压机安装平台3之间设计有输液管加热装置4。
所述止回装置8在独立油缸带动下可上下移动，挤压过程中低压输液完成后即采用液压方式将止回装置8顶至输液管口与管口紧密贴合，将型腔和输液管内的铝液分离，防止整体挤压过程中铝液回流；止回装置8在铝液供液阶段可起到分流作用，保证铝液在各个方向上的均匀流动；输液管加热装置4可对输液管7内的铝合金液进行加热，保证输液管7内的铝合金液温度达到工艺要求。
所述止回装置8采用H13钢材质，厚度15mm-20mm，且设置有水冷通道11，采用单孔点冷式冷却方式对止回装置8进行冷却，防止止回销温度过高影响封闭效果，并延长使用寿命。
所述止回销直径至少80mm，最大不超过铝车轮中心孔产品加工线。
实施例2
一种铝合金车轮整体挤压铸造工艺，模具上凸模1完成预合模；铝合金液在气控系统精确控制的压缩空气作用下通过输液管7自下而上从模具下凹模2底部进入型腔，待合金液充满型腔后，气控系统停止加压，完成铝液输送；
铝液输液完毕后，止回装置8在独立油缸带动下向下运动，进入输液管口内，将型腔和输液管7内的铝液分离防止回流；使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；
止回装置8完成铝液分离后，模具上凸模1在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在模具上凸模1压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随模具上凸模1向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
实施例3
一种铝合金车轮整体挤压铸造工艺及装置进行铝合金车轮铸件成形，包括如下步骤：
(1)按照一定的配比配制铝合金，具体质量百分比为：Zn：5.1％-6.1％，Mg：2.1％-2.9％，Cu:1.2％-2.0％，Mn:0.1％-03％，Cr:0.18％-0.28％，Ti：0.05％-0.2％，Sc:0.05-0.2％，Al:余量。合金在熔化炉内熔化后，在720℃-730℃下加入Al-Ti中间合金和Al-Sc中间合金进行细化处理，在720℃利用旋转喷吹设备进行精炼处理20min，取化学成分试样进行炉前分析，成分符合要求后，将合金液转运至设备保温炉中。
(2)对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，上模快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2300KN，保压时间300s，铝液供液压力35KPa，供液速度60mm/s，补液高度150mm。
(3)对车轮挤压模具进行预热调试，模具温度预热到200℃-220℃，止回装置止回销预热温度200℃。
(4)待参数设置和模具预热完成后，模具上模完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上模在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在上模具压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随上模向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
(5)车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺采用阶梯式工艺：固溶处理工艺470℃×3h+485℃×6h,40℃水淬，时效处理工艺120℃×10h。
利用上述步骤成形铝合金车轮铸件本体力学性能可达到：Rm≥500MPa，Rp0.2≥400MPa，A≥10％。
实施例4
本实施实例为采用A356合金进行挤压铸造制备22.5寸×9.00寸卡车铝合金车轮铸件，A356合金材料的成分为(重量百分比)Si：6.96％，Mg:0.35％,Ti:0.15％,Fe:0.1％,Ni:0.01％,Zn:0.01％,Cu:0.01％,Mn:0.01％,Sn:0.01％,其余为Al。
具体工艺过程如下：
1.对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，上模快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2800KN，保压时间300s，铝液供液压力35KPa，供液速度60mm/s，补液高度100mm。
2.对车轮挤压模具进行预热调试，模具温度预热到200℃-220℃，止回装置止回销预热温度200℃。
3.待参数设置和模具预热完成后，模具上模完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上模在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在上模具压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随上模向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
4.车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺：固溶处理535℃×10h，50℃～60℃水淬，时效处理165℃×4h，空冷。
利用上述步骤成形的铝合金车轮铸件本体力学性能可达到：Rm≥320MPa，Rp0.2≥260MPa，A≥10％。
实施例5
本实施实例为采用Al-Si-Mg-Cu合金进行挤压铸造制备22.5寸×9.00寸卡车铝合金车轮铸件，Al-Si-Mg-Cu合金材料的成分为(重量百分比)Si:6.0％-6.6％，Cu:3.5％-4.5％，Mg:0.15％-0.30％，Ti:0.05％-0.30％，其余为Al。
具体工艺过程如下：
1.对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，上模快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2800KN，保压时间300s，铝液供液压力40KPa，供液速度60mm/s，补液高度120mm。
2.对车轮挤压模具进行预热调试，模具温度预热到200℃-220℃，止回装置止回销预热温度200℃。
3.待参数设置和模具预热完成后，模具上模完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上模在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在上模具压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随上模向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
4.车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺：固溶处理工艺450℃×4h+485℃×6h,40℃水淬，时效处理工艺125℃×10h。
利用上述步骤成形的铝合金车轮铸件本体力学性能可达到：Rm≥430MPa，Rp0.2≥400MPa，A≥8％。
实施例6
本实施实例为采用Al-Zn-Mg-Cu合金进行挤压铸造制备22.5寸×9.00寸卡车铝合金车轮铸件，Al-Zn-Mg-Cu合金材料的成分为(重量百分比Zn：5.1％-6.1％，Mg：2.1％-2.9％，Cu:1.2％-2.0％，Mn:0.1％-03％，Cr:0.18％-0.28％，Ti：0.05％-0.2％，Sc:0.05-0.2％，Al:余量。
具体工艺过程如下：
1.对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，上模快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2800KN，保压时间300s，铝液供液压力45KPa，供液速度60mm/s，补液高度200mm。
2.对车轮挤压模具进行预热调试，模具温度预热到200℃-220℃，止回装置止回销预热温度200℃。
3.待参数设置和模具预热完成后，模具上模完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上模在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在上模具压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随上模向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
4.车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺：固溶处理535℃×10h，50℃～60℃水淬，时效处理165℃×4h，空冷。
利用上述步骤成形的铝合金车轮铸件本体力学性能可达到：Rm≥500MPa，Rp0.2≥400MPa，A≥10％。

Claims (7)

1.一种铝合金车轮整体挤压铸造装置，其特征在于：该装置自上而下包括模具上凸模(1)、模具下凹模(2)、挤压机安装平台(3)、输液管加热装置(4)、保温炉(5)、坩埚(6)、输液管(7)、止回装置(8)；其中模具上凸模(1)及模具下凹模(2)均固定于挤压机安装平台(3)上，模具上凸模(1)中央设计止回装置(8)，坩埚(6)置于保温炉(5)内，输液管(7)通过挤压机安装平台(3)深入坩埚(6)内，在保温炉(5)与挤压机安装平台(3)之间设计有输液管加热装置(4)；
所述止回装置(8)在独立油缸带动下可上下移动，挤压过程中低压输液完成后即采用液压方式将止回装置(8)顶至输液管口与管口紧密贴合，将型腔和输液管内的铝液分离，防止整体挤压过程中铝液回流；止回装置(8)在铝液供液阶段可起到分流作用，保证铝液在各个方向上的均匀流动；输液管加热装置(4)可对输液管(7)内的铝合金液进行加热，保证输液管(7)内的铝合金液温度达到工艺要求。
2.根据权利要求1所述的铝合金车轮整体挤压铸造装置，其特征在于：所述止回装置(8)采用H13钢材质，厚度15mm-20mm，且设置有水冷通道(11)，采用单孔点冷式冷却方式对止回装置(8)进行冷却，防止止回销温度过高影响封闭效果，并延长使用寿命。
3.根据权利要求2所述的铝合金车轮整体挤压铸造装置，其特征在于：所述止回销直径至少80mm，最大不超过铝车轮中心孔产品加工线。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述装置铝合金车轮整体挤压铸造工艺，其特征在于：模具上凸模(1)完成预合模；铝合金液在气控系统精确控制的压缩空气作用下通过输液管(7)自下而上从模具下凹模(2)底部进入型腔，待合金液充满型腔后，气控系统停止加压，完成铝液输送；
铝液输液完毕后，止回装置(8)在独立油缸带动下向下运动，进入输液管口内，将型腔和输液管(7)内的铝液分离防止回流；
止回装置(8)完成铝液分离后，模具上凸模(1)在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在模具上凸模(1)压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随模具上凸模(1)向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕。
5.一种如权利要求1-4所述装置和工艺进行铝合金车轮铸件成形方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)配制铝合金，合金在熔化炉内熔化后，在720℃-730℃下加入Al-Ti中间合金和Al-Sc中间合金进行细化处理，在720℃利用旋转喷吹设备进行精炼处理20min，取化学成分试样进行炉前分析，成分符合要求后，将合金液转运至设备保温炉中；
2)对挤压铸造设备和气控系统进行参数设置，模具上凸模(1)快速下行速度200mm/s，慢速下行速度80mm/s，挤压速度10mm/s，挤压力2800KN，保压时间300s，铝液供液压力45KPa，供液速度60mm/s，补液高度150mm；
3)对车轮挤压模具进行预热调试，模具上凸模(1)和模具下凹模(2)温度预热到200℃-220℃，止回销(10)预热温度200℃；
4)待参数设置和模具预热完成后，模具上凸模(1)完成预合模过程，停止在预合模位置，合金液在气控系统控制下从保温炉自下而上完成输液过程，合金液充满型腔后，铝液输液完毕；止回装置(8)在独立油缸带动下向下运动，使止回销进入输液管口内，将型腔和输液管内的铝液分离防止回流；模具上凸模(1)在挤压装备上横梁的带动下向下运动挤压铝液，铝液在模具上凸模(1)压力作用下完成充型及凝固过程，保压一段时间后开模，车轮铸件随模具上凸模(1)向上运动，达到一定高度后在卸料装置的作用下完成脱模过程，整体挤压铸造过程完毕；
5)车轮铸件完成挤压铸造后进行热处理，热处理工艺采用阶梯式工艺：固溶处理工艺470℃×3h+485℃×6h，40℃水淬，时效处理工艺120℃×10h；制备得到成形铝合金车轮铸件本体。
6.根据权利要求5所述的铝合金车轮铸件成形方法，其特征在于：所述成形铝合金车轮铸件本体力学性能达到：Rm≥500MPa，Rp0.2≥400MPa，A≥10％。
7.根据权利要求5所述的铝合金车轮铸件成形方法，其特征在于：所述步骤1)中铝合金的质量百分比为：Zn：5.1％-6.1％，Mg：2.1％-2.9％，Cu:1.2％-2.0％，Mn:0.1％-03％，Cr:0.18％-0.28％，Ti：0.05％-0.2％，Sc:0.05-0.2％，Al为余量。
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