CN212761058U

CN212761058U - 一种基于多升液通道的车轮成型装置

Info

Publication number: CN212761058U
Application number: CN202021169956.1U
Authority: CN
Inventors: 张虎; 张花蕊
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2030-06-22

Abstract

本实用新型公开了一种基于多升液管的快速车轮成型装置。连接有气源的熔体保温炉内设有多个升液管，升液管上方通过保温杯和浇口套与模具的浇口连接，升液管的下部浸入金属熔体中，在采用气体压力对炉内的金属熔体进行加压时，熔体可以沿着多个升液管上升，并通过浇口进入模具型腔，模具的浇口设置在车轮的轮辋正下方的圆环面上；本实用新型同时公开了一种适应于本装置的充型凝固加压方法，在充型结束后的凝固保压阶段，采用高压气体对浇口处的熔体进行加压补缩，消除了此处缩孔缩松形成的可能性，本实用新型使金属熔体的充型距离相比现有阶段缩短一半以上，解决了大尺寸车轮的长距离补缩难题，显著提高了车轮的机械性能。

Description

一种基于多升液通道的车轮成型装置

技术领域

本实用新型涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种基于多升液通道的车轮成型装置。

背景技术

轻量化是燃油汽车节能减排、新能源汽车降耗增程的最重要途径之一，以铝合金等轻量化材料代替传统的钢铁材料，已成为汽车设计更新换代的必然选择。用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金占据主导，主要用于制造发动机、离合器壳体、车轮、底盘件等零部件。随着对车轮质量提升的需求和铸造技术的发展，更多的零部件采用低压铸造、差压铸造及调压铸造的方式来生产，均属于反重力铸造方法。该种铸造基本原理是用低压气体驱动坩埚或保温炉内的金属熔体，使其通过升液管上升并进入模具型腔，充型结束后铸型内金属熔体完成在压力作用下的凝固和补缩。

传统的铝合金低压、差压及调压车轮铸造技术通常采用单浇口的单升液管充型技术。以铝合金车轮为例，在车轮的中央位置即车轮的轮心位置设置升液管，使金属熔体进入型腔并完成充型与凝固，该方法设计简单，易于实现，但缺点在于充型距离长，成型困难，为避免产生冷隔，车轮金属型模具温度一般高达400℃以上，导致车轮冷却速度低，组织粗大，并容易在热节部位形成缩孔缩松等铸造缺陷。为了细化组织、消除缩孔缩松等铸造缺陷，现有技术中一般采用水冷、水雾冷等方式加强车轮模具的冷却，然而，加强冷却使车轮凝固时间大为缩短的同时，如加强冷却后的大尺寸车轮的凝固时间可以缩短到100s以内，又引起生产过程中对车轮冷却和凝固过程的温度场难以控制的问题，导致难以实现顺序凝固，产品性能不稳定，合格率低。

车轮现有技术中已有其它充型方式的尝试。专利CN201010107026.8公开了一种铝合金车轮低压铸造双边浇工艺及装置，在车轮两侧设置浇口，使铝液从轮辋处进入，通过对冷却控制使铝液在急冷的模具温度下由轮心向轮辋进行结晶，缩短了铝液流动的距离，配合冷却，减少了R角或轮辋部位的缩松缺陷。专利CN201310557627.2、CN201410825962.0等文献公开了采用中心浇口和两侧浇口结合的方式，以期望能减轻轮毂的重量，提高机械强度。CN201610390494.8采用一机双模轮毂模具，浇口同样设置在轮辋位置上，实现一次浇注两个轮毂。

但上述装置和方法同样存在明显的缺陷，对于铝液仅从轮辋处进入的方式，入口设在轮辋中部，进入后会导致分流，即同时向轮心处和轮缘处充型，造成各处的充型时间不可控，进而造成凝固顺序不可控，容易形成缩孔缩松缺陷。而对于采用中心浇口和两侧浇口结合的方式，由于铝液从两个入口进入，在中间位置会形成汇流，容易因气体排出不顺等原因造成断点。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于多升液通道的车轮成型装置。

本实用新型完整的技术方案包括：

一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，包括：保温容器、升液通道、模具、气体加压机构；

所述保温容器用以存储金属熔体，保温容器内设有至少两个升液通道，所述升液通道的至少一部分位于金属熔体内，所述升液通道用以输送金属熔体；

所述保温容器与气体加压机构相连接，所属气体加压机构可提供压力，使保温容器内的熔体在该压力下沿升液通道上升并进入模具型腔；

所述模具具有可供金属熔体凝固成型的型腔，所述升液通道在上方与通过模具上的浇口与型腔相连通；

所述模具上的浇口，开设在车轮轮辋正下方的圆环面上，或者设置于车轮轮辋与轮辐相连接的地方。

所述浇口数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。

与浇口相对应的升液通道数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。

所述浇口数量大于两个，环绕车轮轴线设置。

与浇口相对应的升液通道数量大于两个，环绕车轮轴线设置。

所述升液通道上方设有浇注组件，所述浇注组件与模具上的浇口相连通。

还包括在车轮模具上对应车轮轮心位置处设置的中央浇口，所述中央浇口下方与中央升液通道连通。

利用上述装置进行车轮成型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着升液管上升到浇口位置，该阶段升压速度为2.8～4.0kPa/s，将压力增加到20kPa；

(2)充型：继续升压，使铝液通过浇口进入型腔，该充型阶段为两段式加压，第一阶段升压速度为0.1～0.2kPa/s，时间为2～4s，随后进入第二阶段快速升压，直至将型腔充满，此时压力达到35kPa；

该第二阶段的升压速度P′由如下方式确定：

式中：P′为升压速度，单位为kPa/s；H为型腔总高度，单位为mm；ρ为金属熔体密度，单位为g/cm³；K为阻力系数，其取值范围为1～1.5；t为预设充型时间，单位为s；102为单位换算系数；N为升液管数量，其取值范围为2～6；x为其升液指数，取值范围为0.2～0.8；

(3)结晶增压保压：充型结束后，以8～10kPa/的升压速度将压力快速增加到150kPa，并保压60-150s，此时车轮凝固完成；

(4)卸压放气：铝合金车轮凝固完毕，解除保温炉内的气体压力，使升液管和浇道口未凝固的铝液流回到保温炉中。

预设充型时间t优选取10s。

N优选取2～4。

x为0.5。

升液之前，模具温度不高于400℃，优选的，模具温度不高于350℃，更优选的，模具温度不高于300℃。

本实用新型相对于现有技术的优点在于：

区别于现有技术中通过在轮心位置和轮辋侧面中部进行充型的方式，本发明采用多升液管的快速充型方式，通过改变车轮的充型位置，将多升液管设置于车轮轮辋部位的正下方，使金属熔体的充型距离相比现有单升液管模式缩短一半以上，金属型模具温度可以由现有的420℃降低到320℃以下，自然地加快了车轮冷却速度与冷却效果，实现了快速顺序凝固，消除了热节处的缩孔缩松缺陷，解决了传统大尺寸车轮单升液管技术长距离补缩效果差、强化冷却后难以控制凝固温度场的难题，不仅显著提高了车轮的性能及生产稳定性，还缩短了生产节拍，提高了生产效率和车轮的合格率。同时由于充型结束后可以直接在该热节处进行压力补缩，消除了该处的缩松缺陷。通过优化后的两段式充型加压工艺设计，使初期充型的金属熔体流动平稳，随后快速充满型腔，发挥了多升液管充型迅速的优势，提高了生产效率。同时采用多升液系统的低压、差压或调压的反重力铸造方法，提高了车轮的材料利用率。

附图说明

图1为现有技术中的车轮结构图。

图2为本实用新型一种实施方式中的车轮成型装置结构示意图。

图3a为图2实施方式中的易发生卷气部位。

图3b为图3a的局部放大图。

图3c为图3a处在第一阶段慢速充型时的充型顺序示意图。

图4a为本实用新型另一种实施方式中的车轮成型装置结构示意图。

图4b为图4a中分流锥位置变化示意图。

图5为本实用新型另一种实施方式中的车轮成型装置结构示意图。

图中：1-保温炉，2-轮辋升液管，3-铝液，4-异形浇注组件，5-型腔，6-中心升液管，7-中心浇口，8-分流锥9-压力驱动单元，10-压力传递单元，11-压力施加单元，12-振动发生器，13-振动杆，14-安装台板，15-下模板，16-下模。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

图1为一个典型的车轮构造图，其中在现有技术中，通常将车轮的中央位置称为轮心，在车轮外侧，与轮胎装配配合，支撑轮胎的部分称为轮辋，与车轴轮心实施安装连接，并支撑轮辋的车轮部分称为轮辐，多个轮辐中间留有窗口。保持并支撑轮胎方向的轮辋部分称为轮缘。

现有的低压或差压铸造铝合金车轮生产中，几乎全部采用在车轮的中央轮心位置设置单升液管，使熔体通过连接在升液管上的保温杯、浇口套和浇口杯，由轮心处的浇口进入型腔，在分流锥的作用下进行分流，并沿着轮心-轮辐-轮辋-轮缘的顺序依次充型，充满型腔后实现凝固，这是由于在实际生产中，在此处设置浇口和升液管最为容易实现，且浇口的截面形状为规则的圆形，加工简单。同时浇口的面积大，可以使充型速度快。但是上述浇注充型方式带来的长距离补缩难、施加冷却控制后难以控制凝固温度场的问题始终无法很好的解决。浇口距离远，充型距离过长，充型速度慢，导致车轮金属型模具温度高达400℃以上，车轮冷却速度低，导致车轮在热节部位形成缩孔缩松等铸造缺陷，成为困扰车轮行业生产的一大难题。虽然采用水冷、水雾冷等方式加强车轮该处的冷却，以期望实现顺序凝固，但是加强冷却的同时，车轮凝固时间大为缩短，生产过程中对车轮冷却和凝固过程的温度场难以控制，仍然不可避免的会产生相当比例的废品，导致产品性能不稳定，合格率低。

而现有技术中采用在轮辋侧面中部位置进行双边浇注的方式，同样由于充型分流导致的充型和凝固顺序不可控也非常容易形成缩孔缩松缺陷。目前车轮行业并非广泛采用上述双边浇注。仍是以中心浇注为主，也说明了该方式在工业上应用的价值不大。

基于此问题，本实用新型提出了一种基于多升液通道的车轮成型装置，如图2所示，包括盛有铝液的保温炉1、保温炉内连接有高压气源，保温炉内设有多个升液管2，该多个升液管的下部浸入铝液3中。在采用高压气源对炉内的铝液进行加压时，铝液可以沿着多个升液管上升。升液管上方通过保温杯和浇注组件4与模具的浇口连接，并进入模具的型腔5，浇注组件包括浇口杯和位于其上方的异形浇口套。为更清楚地标明该装置结构，图中还示出了所配套的安装台板14，下模板15和下模16。

模具的浇口设置在车轮的轮辋正下方的圆环面上，特别说明的，本实用新型中所述“轮辋正下方的圆环面”是指轮辋上与轮缘相对的一侧，环绕车轮中心轴线所形成的圆环面。构成该圆环的外圆是该面上车轮最外圈轮廓线所构成的圆，内圆是车轮的窗口区外侧轮廓线围绕车轮中心轴线所构成的圆。如图1所示。对应的，浇注组件中，异形浇口套上与模具相连通的位置同样设置在该处。

尤其优选的是，该浇口和浇注组件可以设置在该圆环面上对应窗口区外侧的位置，也可以设置于该圆环面上对应轮辋与轮辐连接的位置。

在一种优选的实施方式中，该浇口可以设置为两个，可在车轮两侧对称设置，也可以为环绕车轮轴线设置多个浇口。与该浇口相对应的，升液管可以设置为两个，可在车轮两侧对称设置，也可以为环绕车轮轴线设置多个升液管。

本实用新型同时公开了一种适应于该充型方式下的低压/差压铸造工艺，由于本实用新型的浇注充型方式相对于现有技术做了巨大的变化，原有的充型方式和凝固工艺无法适用于本实用新型，基于此，本实用新型同时设计了一种适合该充型位置的工艺。

具体包括如下步骤：

该第二阶段的升压速度P′由如下方式确定：

式中：

P′为升压速度，单位为kPa/s；H为型腔总高度，单位为mm；ρ为金属熔体密度，单位为g/cm³；K为阻力系数，其取值范围为1～1.5；t为预设充型时间，单位为s，优选取10s；102为单位换算系数；N为升液管数量，其取值范围为2～6，可根据不同型号车轮的窗口数量进行选择，优选取2～4；x为其升液指数，取值范围为0.2～0.8，在本实施方式所采用轮型的方案中，取值选0.5。

(3)结晶增压保压：充型结束后，以8～10KPa/的升压速度将压力快速增加到150kPa，并保压300s，此时车轮凝固完成。

并对上面具体工艺的设计依据进行说明：对于升液阶段和充型阶段的升压速度选择，由于在升液时，升液管的内径固定，基本不会产生紊流，所以采用快速的升压速度，使金属熔体能快速升液达到浇口位置，缩短升液时间。而在充型阶段，则要考虑到型腔和浇口的复杂形状，在传统的充型方式中，由于采用从轮心位置进行浇注的方式，升液管和浇口的截面积相差不大，且轮心处的型腔截面积大，不易产生紊流，因此可以采用经验或者试验得到充型升压速度。而对于本实用新型的充型方式，采用在轮辋圆环面上进行充型，为不规则随形浇口，升液管和浇口的形状面积差距很大，同时轮辋处的空间较小，如充型压力不合理极易产生紊流卷气，造成气孔缺陷。而现有技术中的充型压力设计均采用理想状态下的计算方式，结合阻力系数等进行修正，没有考虑到升液管和浇口的截面积变化造成的流动状态变化。因此无法采用现有技术中的经验式得到理想的充型升压速度。

因此，本实用新型对上述问题进行了研究，结合升液管、浇口、浇口上方型腔形状与截面积，以及金属熔体的流动特性。发现对于车轮轮辋位置，如图3a中箭头所示的圆框处所示，在充型的最初阶段存在两个面积发生明显变化的部位，如图3b中箭头所示的圆框处所示，如果产生紊流，该位置处极易形成卷气，经过设计和计算，本实用新型采用两段式加压，第一阶段明显地降低升压速度，使金属熔体在充型最初阶段实现平稳流动，充满上述区域以避免卷气，如图3c所示(此处箭头为熔体充型方向)，随后进入第二阶段快速升压以缩短充型时间。在本实用新型第二阶段的充型过程中，研究发现充型速度、熔体流动状态与升液管数量与明显关系，因为传统的从轮心位置进行浇注的方式仅有一个升液管和浇口，因此通过试验即可得到规律并做定量处理。而本实用新型的充型方式，升液管和浇口数量可以为2个或更多。同样升压条件下，在浇口处流速、在浇口上方型腔内的流速均会发生明显变化，从而导致充型流动方式不可控。因此本实用新型通过研究，得到第二阶段的升压方式，从公式(1)中可以看出，在相同的预设充型时间内，随着升液管数量增加，其可采用的升压速度可以逐步增大，并且不会造成紊流卷气等问题，其中阻力系数取值与金属液粘度、铸型型腔复杂度等有关，阻力小时取下限，阻力大时取上限。

实施例1：

采用2个升液管和浇口，所用金属熔体质量百分比组成如下：Si：5～9％，Mg：0.3～0.5％，Zr：0.01～0.02％，B：0.005～0.007％，RE：0.002～0.005％，Fe:0.05～0.15％，Mn：0.05～0.1％，Ti：0.08～0.14％，其余为Al和不可避免的杂质。

(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着升液管上升到浇口位置，该阶段升压速度为3.5kPa/s，将压力增加到20kPa；

(2)充型：继续升压，使铝液通过浇口进入型腔，第一阶段升压速度为0.2kPa/s，时间为1.8s，使金属熔体平稳充满图3b箭头所示区域，随后进入第二阶段随后以0.66kPa/s的升压速度快速充型，直至将型腔充满；

(3)结晶增压保压：充型结束后，以8kPa/s的升压速度将压力快速增加到150kPa，并保压，直到车轮凝固完成。在保压过程中，在浇口处对一直保持轮辋热节的高压力补缩。该区域为最后凝固区域，在高压铝液的补缩下，完全消除了该处的缩孔缩松产生的可能性；

实施例2：

采用4个升液管和浇口，所用金属熔体质量百分比组成如下：Si：5～9％，Mg：0.3～0.5％，Zr：0.01～0.02％，B：0.005～0.007％，RE：0.002～0.005％，Fe:0～0.15％，Mn：0.05～0.1％，Ti：0.08～0.14％，其余为Al和不可避免的杂质。

(2)充型：继续升压，使铝液通过浇口进入型腔，第一阶段升压速度为0.15kPa/s，时间为2.2s，使金属熔体平稳充满图3b箭头所示区域，随后进入第二阶段随后以0.92kPa/s的升压速度快速充型，直至将型腔充满；

(3)结晶增压保压：充型结束后，以8kPa/s的升压速度将压力快速增加到150kPa，并保压，直到车轮凝固完成；

此外，在本实用新型的另外一种实施方式中，在采用多升液管从轮辋最下方的圆环面进行浇注充型的技术方案基础上，也可以再在传统的轮心充型位置再增加一根升液管，进行中心和边缘联合浇注充型。如图4a所示，包括盛有铝液的保温炉1、保温炉内连接有高压气源，保温炉内设有多个位于车轮侧边的升液管2，该多个升液管的下部浸入铝液3中。在采用高压气源对炉内的铝液进行加压时，铝液可以沿着多个升液管上升。升液管上方通过保温杯和浇注组件4与模具的浇口连接，并进入模具的型腔5，浇注组件包括浇口杯和位于其上方的异形浇口套。同时在车轮的轮心位置，还设有中心升液管6，中心升液管上方连通中心浇口7，并从此处经分流锥8分流进入型腔，在充型结束后的凝固保压过程中，从边缘的多个浇口和中心的浇口处同时保持高压力补缩。

同样的，车轮侧边的升液管2对应的模具浇口，设置在车轮的轮辋正下方的圆环面上，所述“轮辋正下方的圆环面”是指轮辋上与轮缘相对的一侧，环绕车轮中心轴线所形成的圆环面。构成该圆环的外圆是该面上车轮最外圈轮廓线所构成的圆，内圆是车轮的窗口区外侧轮廓线围绕车轮中心轴线所构成的圆。如图1所示。

同样的，该浇口和浇注组件可以设置在该圆环面上对应窗口区外侧的位置，也可以设置于该圆环面上对应轮辋与轮辐连接的位置。

同样的，该浇口可以设置为两个，可在车轮两侧对称设置，也可以为环绕车轮轴线设置多个浇口。与该浇口相对应的，升液管可以设置为两个，可在车轮两侧对称设置，也可以为环绕车轮轴线设置多个升液管。

需要说明的是，在本充型方式中，由于中央升液管处充型的浇口面积较大，且充型的高度高于车轮边缘轮辋圆环面上浇口，如果采用前面所述同样的充型方式，将会导致此处的熔体进液速度较快，并沿着型腔向轮辋处汇流，形成不可控的不稳定流动场，而轮辐上存在截面急剧减小的部位，会造成气体在此汇集，因此针对此问题，本实用新型将此处的分流锥8的高度调低，使其一部分进入浇口，以缩小此处的浇口面积，防止上述问题出现。如图4b所示，虚线处为原分流锥位置，实线为实际分流锥位置，通过下移分流锥，使中央浇口面积：轮辋圆环面上浇口面积＝(0.4～0.6):1，通过上述方法，配合前面所述的成型过程充型凝固加压工艺，既缩短的充型时间，又使得气体能充分排出。

针对该充型方式的具体成型方法为：

具体包括如下步骤：

(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着边缘轮辋处升液管和中央升液管同时上升到浇口位置，该阶段升压速度为2.8～4.0kPa/s，将压力增加到20kPa；

该第二阶段的升压速度P′由如下方式确定：

式中：

P′为升压速度，单位为kPa/s；H为型腔总高度，单位为mm；ρ为金属熔体密度，单位为g/cm³；K为阻力系数，其取值范围为1～1.5；t为预设充型时间，单位为s，优选取10s；102为单位换算系数；N为升液管数量，其取值范围为3～7，可根据不同型号车轮的窗口数量进行选择，优选取2～4；x为其升液指数，取值范围为0.2～0.8，在本实施方式所采用轮型的方案中，取值选0.5。

(3)结晶增压保压：充型结束后，以8～10kPa/的升压速度将压力快速增加到150kPa，同时从中央浇口和轮辋圆环面浇口对铝液进行保压300s，此时车轮凝固完成。

此外，在本实用新型的另外一种实施方式中，在采用多升液管从轮辋最下方的圆环面进行浇注充型的技术方案基础上，在车轮的中心位置增加局部加压装置，以促进轮心位置处的补缩，如图5所述，除上述的装置结构以外，该局部加压装置包括压力驱动机构9、压力传递机构10和压力施加机构11，压力施加机构与金属熔体接触，并在充型结束后对金属熔体施加压力。

尤其是，该压力驱动机构可以为液压油缸，压力传递机构可以为液压杆，压力施加机构可以为压力块。具体的加压工艺为在充型结束后施加1～120MPa的机械压力。使此处的铝液在极高压下进行凝固，防止由于边缘补缩压力不够而在此处形成缩孔缩松缺陷。

此外，优选的，还可以在车轮模具，对应车轮轮心的位置上方，即对应于传统中心底注充型方式的分流锥处，设置一个细化装置，该细化机构可以为超声细化机构或振动细化机构。如包括振动发生器12和振动杆13，振动杆13探入铝液中，在凝固过程中对铝液进行振动，使铝液结晶形成的枝晶被打破，增强形核，以细化晶粒，提高车轮的机械性能。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，包括：保温容器、升液通道、模具、气体加压机构；

所述模具具有可供金属熔体凝固成型的型腔，所述升液通道在上方与通过模具上的浇口与型腔相连通，

所述模具上的浇口，开设在车轮轮辋正下方的圆环面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，所述浇口数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，与浇口相对应的升液通道数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，所述浇口数量大于两个，环绕车轮轴线设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，与浇口相对应的升液通道数量大于两个，环绕车轮轴线设置。

6.根据权利要求1、2或4所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，所述升液通道上方设有浇注组件，所述浇注组件与模具上的浇口相连通。

7.根据权利要求1所述的一种基于多升液通道的车轮成型装置，其特征在于，还包括在车轮模具上对应车轮轮心位置处设置的中央浇口，所述中央浇口下方与中央升液通道连通。