CN1325191C - 固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法，它涉及合金轮毂成形方法及其装置，解决了现有镁合金轮毂制造工序复杂及轮毂晶粒大、致密度差、纤维分布不合理的问题。该装置在上模板4与凸模3之间固定有隔热板2，凸模3上设有凸模加热器21，模具型腔分为左半模19和右半模6，在左、右半模上设有型腔加热器20，凹模16与凹模垫板11之间设置有隔热垫板10，顶出杆12上设有销轴13，凸模加热器21、型腔加热器20与温控器8电连接。该方法的步骤如下：下料、加热、保温、模具预热、挤压、切连皮，表面和时效处理。本发明制成的轮毂具有成形工序简单、晶粒细小、纤维组织分布更合理、组织更致密、力学和减振性能好、寿命长、节能。

Description

固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及镁合金轮毂固态热挤压成形装置及其成形方法。

背景技术

由于日益严重的能源危机和日渐恶化的大气污染，世界各国对节约能源和环境保护方面的要求越来越高。汽车等交通工具的发动机废气已成为空气污染的头号杀手。据统计，汽车重量每减轻100kg，每百公里油耗就减少0.7升，而汽车自重每降低10％，燃油效率还可以提高5.5％。因此，交通工具重量的减轻是减少能量消耗、净化空气的行之有效的方法。即使是不排放尾气的电动车等交通工具，减轻重量也是节约能源消耗的一种有效方法。镁合金与钢铁、铝合金和塑料相比不但轻，而且还具有更优良的抗振、降噪性能。如AS41镁合金振动衰减系数为70％，而A380铝合金却只有4％。因此，镁合金更适合于制造交通工具的车轮轮毂等零部件。20世纪90年代之后，随着冶炼技术的不断提高，镁合金的价格逐年下降，目前单位体积的价格已经接近或低于钢铁材料，这使得镁合金材料在交通工具上的广泛应用成为现实。

已有技术制造的镁合金轮毂都是用液态镁合金以铸造方式进行加工制造的它存在铸造工序复杂、产品的晶粒大、组织的致密度差、纤维分布不合理及力学性能差等问题。

发明内容

本发明为了解决现有镁合金轮毂制造工序复杂及镁合金轮毂晶粒大、组织的致密度差、纤维分布不合理及力学性能差的问题，提供了一种固态热挤压镁合金轮毂的成形装置及其成形方法，解决问题的技术方案如下：

本发明的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，它包括上模板4、凸模3、凸模固定板22、压板18、下模板14、凹模16、支撑块17、凹模垫板11、导柱7、导套5，凸模3的上端嵌在凸模固定板22内，凸模固定板22与上模板4用螺钉15固定连接，压板18下方的支撑块17坐落在凹模垫板11上，凹模垫板11放置在下模板14上，压板18、支撑块17、凹模垫板11和下模板14用螺钉固定连接成一体，导柱7的上端置于导套5的下部中，导套5的上端与上模板4的下端固定连接，导柱7的下端固定在下模板14上，它还包括固定在上模板4与凸模3之间的隔热板2，凸模3上设有凸模加热器21，模具1的型腔分为左半模19和右半模6，模具1设在型腔的左半模19和右半模6内，在左半模19和右半模6上设有型腔加热器20，凹模16与凹模垫板11之间设置有隔热垫板10，顶出杆12上设有销轴13，凸模加热器21、型腔加热器20与温度控制器8电连接。

本发明的固态热挤压镁合金轮毂的成形方法由下列步骤完成：

一、轮毂材料选用镁合金圆铸锭或轧制的棒材；

二、在室温或在250～400℃温度范围下料；

三、将步骤二的坯料加温，当坯料的温度小于360℃时，升温速度保持在10～20℃/s；当坯料温度大于360℃时，升温速度保持在2～6℃/s，坯料加热的温度为250～450℃；

四、对经由步骤三加温的坯料在加热炉中保温1小时，保温温度为250～450℃；

五、为防止经由步骤四保温的镁合金坯料在接触模具时发生急冷裂纹缺陷，在热挤压前对固态热挤压镁合金轮毂的成形装置中的模具型腔左半模19、右半模6和凸模3分别通过型腔加热器20、凸模加热器21进行预热，预热温度由温度控制器8控制在250～450℃；

六、当步骤五预热达到要求后，为减小坯料与凸模3、模具1、凹模16之间的摩擦力及防止黏膜，需添加润滑剂，将步骤四保温的坯料取出放入固态热挤压镁合金轮毂的成形装置的模具1中，通过液压机进行挤压，坯料的挤压温度控制在250～450℃，挤压力P＝1.3P₁F²，式中P₁为单位挤压力，F为凸模投影面积，凸模3的移动速度控制在5～20mm/s；挤压出成形的镁合金轮毂半成品；

七、用简易热切边模、铣床或带锯去掉镁合金轮毂半成品连皮。

八、对步骤七处理后的镁合金轮毂毛坯表面采用阳极处理或离子喷涂方法进行处理；

九、对经步骤八进行表面处理的轮毂在160～200℃的温度范围，保温12～18小时后获得镁合金轮毂。

在现有实用工程金属材料中，镁合金是比重最小的，仅为钢的1/4、铝的2/3，与塑料十分接近。它的比强度、比刚度均高于钢铁材料、铝合金和塑料。此外，镁合金还具有极好的防震性能、耐冲击和耐磨性能，材料加工切削性能良好。

本发明采用的装置和方法制成的镁合金轮毂它具有如下优点：1、固体塑性变形工艺省掉了铸造预成形工序，同时避免了铸造成形时液态镁合金和空气中的氧气产生的剧烈化学反应，因此不需使用阻燃剂；2、因固态热挤压工艺的锻造比大，所以固态热挤压的镁合金轮毂的晶粒细小、纤维组织分布更合理、组织更致密、力学性能更好；3、省去铸造预成形工序，节约了熔化镁合金的设备，从而降低了生产成本并提高了生产率和安全性；4、它还具有质量轻和理想的减振性能、寿命长、节约能量消耗和有利环境保护。

附图说明

图1是固态热挤压镁合金轮毂的成型装置的整体结构剖示图，图2是本发明的成形方法及其装置制造的汽车轮毂的结构示意图，图3是本发明的成形方法及其装置制造的另一种结构的汽车轮毂的结构示意图，图4是本发明的成形方法及其装置制造的城市轻轨火车轮毂的结构示意图，图5是本发明的成形方法及其装置制造的电动车轮毂的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置由上模板4、凸模3、凸模固定板22、压板18、下模板14、凹模16、支撑块17、凹模垫板11、隔热板2、凸模加热器21、型腔加热器20、温度控制器8、隔热垫板10、顶出杆12、销轴13、导柱7、导套5组成，凸模3的上端嵌在凸模固定板22内，凸模固定板22与上模板4用螺钉15固定连接，压板18下方的支撑块17坐落在凹模垫板11上，凹模垫板11放置在下模板14上，压板18、支撑块17、凹模垫板11和下模板14用螺钉固定连接成一体，导柱7的上端置于导套5的下部中，导套5的上端与上模板4的下端固定连接，导柱7的下端固定在下模板14上，隔热板2被夹固在上模板4与凸模3之间，凸模3上设有凸模加热器21，模具1的型腔分左半模19和右半模6，模具1设在型腔的左半模19和右半模6内，用来成形镁合金轮毂的，在左半模19和右半模6上设有型腔加热器20，凸模加热器21、型腔加热器20与温度控制器8电连接，隔热垫板10被压板18、支撑块17、凹模垫板11、与下模板14用螺钉9固定后夹固在凹模16与凹模垫板11之间，销轴13插接在顶出杆12的上端。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是：装置的凸模加热器21由电阻丝缠绕在凸模3的外围上，模具1型腔的左半模19和右半模6上钻有插固型腔加热器20的电阻丝的插孔，将电阻丝插入孔内，温度控制器8通过测温探头实施对凸模3、模具1型腔的左半模19、右半模6与模具1的温度控制。其它组成中的连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的装置在模具型腔的下部安装有顶出杆12，顶出杆12的上端设置有销轴13，目的是顶出杆12在液压机构的作用下将模具型腔内挤压成形后的镁合金轮毂半成品向上顶起，此时模具型腔的左半模19、右半模6也跟随向上移动，在移动的过程中在偏心重力或外力的作用下，同时绕销轴13向外侧转动，最终的位置限定在压板18的斜面上，模具型腔左半模19、右半模6自动分模，分模后可顺利取出挤压成形的中间小、两头大的圆形镁合金汽车轮毂毛坯。

具体实施方式四：本实施方式的热固态挤压镁合金轮毂的成形方法由下列步骤完成：

一、轮毂材料选用镁合金圆铸锭或轧制的棒材，型号为AZ31、AZ61、AZ91、MB2、MB3、MB5、MB6、MB7、MB8、MB11、MB14、MB15；

二、在室温下采用圆盘电锯、车床、快速铣床及线切割设备进行下料，也可采用在250～400℃温度范围内用剪床进行下料；

三、将步骤二的坯料进行加热，升温方式可采用加热炉、电炉、感应线圈、电阻丝、高温油管及火焰等多种方式，当坯料温度小于360℃时，升温速度保持在10～20℃/s；当坯料温度大于360℃时，升温速度保持在2～6℃/s。或按坯料尺寸大小来计算坯料的加热时间：直径小于50mm的坯料，按1.5min/mm计算加热时间；直径大于100mm的坯料，按2.5min/mm计算加热时间，坯料加热温度范围为250～450℃；

四、对经由步骤三加温的坯料要在加热炉中保温1小时，保温温度为250～450℃；

五、为防止经由步骤四保温的镁合金坯料在接触模具时发生急冷裂纹缺陷，在热挤压前对固态热挤压镁合金轮毂的成形装置中的模具型腔左半模19、右半模6和凸模3分别通过型腔加热器20、凸模加热器21进行预热，预热温度通过温度控制器8的测温探头将预热温度控制在250～450℃的范围。预热方式还可采用热油管加热器、汽油或酒精喷灯直接加热的方式进行；

六、在步骤五预热达到要求后，为减小坯料和凸模3、模具l和凹模16之间的摩擦力及防止黏膜，需对装置的凸模3、模具1和凹模16喷涂水剂石墨、二硫化钼或动物油润滑剂进行润滑，提高模具寿命，保证成形轮毂表面的质量，将步骤四保温后的坯料取出放入装置的汽车轮毂模具1中通过液压机进行挤压，挤压过程模具温度和坯料温度应保持一致，坯料的挤压温度控制在250～450℃的范围，挤压力：以直径200mm的电动车AZ31镁合金固态热挤压轮毂为例，其挤压力P=1.3P₁F²，式中P₁为单位挤压力，F为凸模投影面积。AZ31镁合金345℃时，单位挤压力P₁为35MPa，则挤压力 $P=1.3\×359\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{200}^2=14654380N$ 凸模3的移动速度控制在5～20mm/s，挤压出成形镁合金轮毂毛坯后，装置中的顶出杆12在液压机构的作用下，将左半模19、右半模6及镁合金轮毂半成品一同向上顶起，此时左半模19、右半模6也向上移动，在移动的过程中左半模19、右半模6在偏心重力或外力的作用下，同时绕销轴13向外侧转动，最终的位置限定在压板18的斜面上，模具型腔的左半模19、右半模6自动分模，分模后可将挤压成形的中间小、两头大的圆形镁合金汽车轮毂半成品顺利取出；

七、用简易热切边模、铣床或带锯去掉镁合金汽车轮毂半成品上的连皮；

八、对步骤七处理后的镁合金汽车轮毂毛坯表面采用阳极化处理、离子喷涂、酸洗或电镀的方法进行处理；

九、对经步骤八表面处理后的汽车轮毂进行人工时效处理，以其获得更理想的综合机械性能，时效处理温度为160～200℃，保温12～18小时后即得镁合金汽车轮毂。

上述装置和方法可制得镁合金汽车轮毂、镁合金摩托车轮毂、镁合金电动车轮毂、镁合金火车轮毂(如图2、图3图4、图5所示)。

Claims (8)

1、固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，它包括上模板(4)、凸模(3)、凸模固定板(22)、压板(18)、下模板(14)、凹模(16)、支撑块(17)、凹模垫板(11)、导柱(7)、导套(5)，凸模(3)的上端嵌在凸模固定板(22)内，凸模固定板(22)与上模板(4)用螺钉(15)固定连接，压板(18)下方的支撑块(17)坐落在凹模垫板(11)上，凹模垫板(11)放置在下模板(14)上，压板(18)、支撑块(17)、凹模垫板(11)和下模板(14)用螺钉(9)固定连接成一体，导柱(7)的上端置于导套(5)的下部中，导套(5)的上端与上模板(4)的下端固定连接，导柱(7)的下端固定在下模板(14)上，其特征在于它还包括固定在上模板(4)与凸模(3)之间的隔热板(2)，凸模(3)上设有凸模加热器(21)，模具(1)的型腔分为左半模(19)和右半模(6)，模具(1)设在型腔的左半模(19)和右半模(6)内，在左半模(19)和右半模(6)上设有型腔加热器(20)，凹模(16)与凹模垫板(11)之间设置有隔热垫板(10)，顶出杆(12)上设有销轴(13)，凸模加热器(21)、型腔加热器(20)与温度控制器(8)电连接。

2、根据权利要求1所述的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，其特征在于凸模加热器(21)由电阻丝缠绕在凸模(3)的外圆表面上构成。

3、根据权利要求1所述的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，其特征在于隔热板(2)被凸模固定板(22)与上模板(4)用螺钉(15)固定后夹固在上模板(4)与凸模(3)之间。

4、根据权利要求1所述的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，其特征在于加热器(20)由电阻丝插入模具型腔左半模(19)和右半模(6)的插孔中构成。

5、根据权利要求1所述的固态热挤压镁合金轮毂的成形装置，其特征在于销轴(13)插接在顶出杆(12)的上端。

6、利用权利要求1所述的成型装置热挤压镁合金轮毂的成形方法，其特征在于该成形方法由下列步骤完成：

一、轮毂材料选用镁合金圆铸锭或轧制的棒材；

二、在室温或在250～400℃温度范围下料；

三、将步骤二的坯料加温，当坯料的温度小于360℃时，升温速度保持在10～20℃/s；当坯料温度大于360℃时，升温速度保持在2～6℃/s，坯料加热的温度为250～450℃；

四、对经由步骤三加温的坯料在加热炉中保温1小时，保温温度为250～450℃；

五、在热挤压前对固态热挤压镁合金轮毂的成形装置中的模具型腔左半模(19)、右半模(6)和凸模(3)分别通过型腔加热器(20)、凸模加热器(21)进行预热，预热温度为250～450℃；

六、当步骤五预热达到要求后，在凸模(3)、模具(1)和凹模(16)之间添加润滑剂，将步骤四保温后的坯料取出放入固态热挤压镁合金轮毂成形装置的模具(1)中，通过液压机进行挤压，坯料的挤压温度控制在250～450℃，挤压力P＝1.3P₁F²，式中P₁为单位挤压力，F为凸模投影面积，凸模(3)的移动速度控制在5～20mm/s；挤压出成形的镁合金轮毂半成品；

七、用简易热切边模、铣床或带锯去掉镁合金轮毂半成品连皮；

八、对步骤七处理后的镁合金轮毂表面采用阳极化处理或离子喷涂方法进行处理；

九、对经步骤八进行表面处理的轮毂在160～200℃的温度范围，保温12～18小时后获得固态热挤压成形的镁合金轮毂。

7、根据权利要求6所述的热挤压镁合金轮毂的成形方法，其特征在于挤压过程中模具温度和坯料温度保持一致。

8、根据权利要求6所述的热挤压镁合金轮毂的成形方法，其特征在于步骤三中坯料加温时间按坯料尺寸大小来计算坯料的加热时间，直径小于50mm的坯料，按1.5min/mm计算加热时间；直径大于100mm的坯料，按2.5min/mm计算加热时间。

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