只可惜沒圖了！
: K! u D3 k: y+ x9 u; w擠壓鑄造鋁合金車輪工藝探討
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摘要： 采用擠壓鑄造代替壓力鑄造生產鋁合金車輪，不僅克服了壓鑄件內部容易形成氣孔和氧化夾雜的缺陷，而且提高了成品率及材料利用率。介紹了鋁合金車輪擠壓鑄造的模具結構及設計參數，分析了擠壓鑄造的工藝參數及選擇依據。
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1 R# N- ~4 G. P/ K8 I! g6 {: V關鍵詞：鋁合金車輪 擠壓鑄造 模具結構
3 e3 U* k1 [: T+ U+ @4 `* o目前，國內卡丁車(類似碰碰車)都從國外進口，其中鋁合金車輪是一個重要零件。過去，國外采用壓力鑄造生產該鑄件，鑄件質量差，且成品率低，勞動強度大。針對該鑄件的結構特點和性能要求，如何提高其產品質量、降低原材料消耗、節(jié)約能源、提高勞動生產率及降低鑄件成本，是當前生產中的關鍵。從研制的情況可知，采用擠壓鑄造代替壓力鑄造是今后制造鋁合金車輪行之有效的工藝。
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1 車輪材料、要求及鑄件設計6 y5 ?- B0 E+ A' I7 @: p- z& Y
5 T5 x i$ b2 O/ M( f7 ~圖1所示為鋁合金車輪零件圖。車輪不僅有較高的性能要求，而且形狀十分復雜。
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* c; B" g* u6 N8 Z: _" \6 n圖1 車輪零件圖
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( I+ p: F0 n6 Q, P0 T; z/ i7 d+ m& Z車輪材料的化學成分(質量分數)為：1.5%～3.5%的Cu,10.5%～12.0%的Si,＜0.3%的Mg，＜1.0%的Zn，＜0.5%的Mn，＜1.3%的Fe,＜0.5%的Ni,＜0.5%的Sn，其余為Al。力學性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。
6 \( Q% K6 Z& _, T該車輪內外形的尺寸精度較高，都應加放加工余量及余塊。按擠壓鑄造工藝的要求，把形狀復雜的車輪零件圖設計如圖2所示的鑄件圖。由該圖可見，為便于從鑄件內孔脫出及簡化模具加工，把原來的階梯軸孔設計成圓柱形中心孔，其直徑為?φ30 mm，內壁斜度為3°［1］。
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圖2 車輪鑄件圖
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2 模具結構及設計參數［1］
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2.1 擠壓鑄造模具結構
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3 S1 i' a. v0 F; X. ^; ?鋁合金車輪擠壓鑄造的模具結構如圖3所示。它主要有凸模、右凹模、頂桿鑲塊和左凹模組成所要求的型腔。左凹模和右凹模分別固定在左凹模定模板和右凹模動模板上，左凹模定模板用螺釘緊固在下模板上，右凹模動模板經過側缸在導柱上實施開啟及閉合。 9 C: [+ b7 {3 S u
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% n! S! x7 ]" v+ g: P8 L' z圖3 車輪擠壓鑄造模具
) y# U% X1 s; e3 V: ?1.上模板 2.凸模固定板 3.凸模 4.導
1 d6 E. p0 q: l, `. U) \# i* _: x柱 5.右凹模 6.右凹模動模板 ; k; i1 }: T+ E8 y( h. ~
7.墊板 8.下模板 9.頂桿鑲塊 10.左凹模 11.左凹模定模板
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采用2000 kN油壓機改裝進行擠壓鑄造，其工作過程是：將定量的合金熔液澆入型槽后，固定在活動橫梁上的凸模以一定速度向下擠入型腔，壓力達一定數值后保壓；鋁合金凝固后卸壓，凸模通過工作缸的回程向上移動，頂桿鑲塊通過下頂缸從鑄件內向下退出，直到全部脫離鑄件之后，再用側缸開啟右凹模，取出鑄件。 6 l+ ^6 R8 \, J9 O
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2.2 模具設計的主要參數
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2 n+ t* M6 M) t* Z4 v: t+ l- x; D(1) 間隙 凸模與左、右凹模之間的間隙要適當。過小則因凸模與凹模的裝配誤差而相碰或咬住；過大則合金熔液通過間隙噴出，造成事故；或者在間隙中產生縱向毛剌，減小加壓效果，阻礙卸料。合理的間隙與加壓開始時間、加壓速度、壓力大小、工件尺寸及金屬材料有關。根據實際生產經驗，單邊間隙取0.1 mm。 1 r5 Z9 o1 H: Q+ _1 o: O, O
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(2) 脫模斜度 合金熔液在凸模壓力下凝固成鑄件，冷卻后緊包在凸模及頂桿鑲塊上。為了便于凸模及頂桿鑲塊脫出，故在凸模及頂桿鑲塊上設有3°的脫模斜度。由于鑄件外形呈圓狀，且分在左、右兩片凹模，只要右凹模向右移動一定距離，鑄件就易從左凹模取出，故不必設置脫模斜度。
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(3) 排氣 在左、右兩片凹模完全閉合后，合金熔液因緩慢地澆入型腔，型腔中氣體可基本排出。擠壓鑄造時，留在凸模導向部分的少量氣體，通過凸模與凹模之間的間隙排出。 0 M, t( t8 y2 O
3 g* O/ w- G- K9 u5 X- h% o; l(4) 模具材料 擠壓鑄造是在一定的壓力和一定的溫度下進行的，不存在像壓鑄模那樣受到金屬液的沖刷。工作壓力比壓鑄時高，只要求模具在高溫下有一定的抗壓強度即可。另外，為了防止與合金熔液接觸的模具表面產生熱疲勞裂紋，左右凹模、凸模及頂桿鑲塊均采用3Cr2W8V合金模具鋼制造，熱處理后硬度為HRC48～52，型腔表面進行軟氮化處理。
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3 擠壓鑄造的工藝參數
$ `, x8 m0 b/ V4 M擠壓鑄造是鑄鍛結合的工藝，其生產工藝過程是：合金的熔化、模具的準備(清理、預熱、噴涂潤滑劑)、金屬的澆注、液態(tài)金屬的加壓、壓力的保持、壓力的去除及鑄件的取出等。
# W0 M+ f& O6 w; m7 C1 W3 n1 s為保證鑄件質量，須合理選擇工藝參數［1～2］。
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(1) 比壓 壓力大小對鑄件的物理力學性能、鑄造缺陷、組織、偏析、熔點及相平衡等都有直接影響。所以確定成形必須的單位壓力是很重要的。如果比壓過小，鑄件表面與內在質量都不能達到技術指標；比壓過大，對性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合模力的設備。擠壓鑄造試驗是在2 000 kN油壓機上進行的。試驗證明，適合于本鋁合金車輪擠壓鑄造的比壓應在50～60 MPa范圍內選取。 ) W0 R$ l5 ]% q; W2 O/ ]
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(2) 加壓開始時間 從車輪擠壓鑄造試驗的結果來看，其加壓開始時的間隔時間過長，鑄件的強度及伸長率降低。現用的開始加壓時間是3～5 s，較為合適。
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(3) 加壓速度 擠壓鑄造要求一定的加壓速度，在可能情況下，以加壓速度快一點為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于成形、結晶和塑性變形。但也不宜過快，否則會使部分合金熔液的表面產生飛濺及渦流，使鑄件產生缺陷，以及在凸、凹模之間的間隙中流出過多的合金熔液，形成難以去除的縱向毛刺。因此，必須使凸模緩慢地壓入液態(tài)金屬中。由于使用的油壓機工作進給速度較慢，故利用工作行程的速度進行壓制。 + x% X! I8 u: ]$ c* u4 S" O! H
1 s6 k. s2 V2 S(4) 保壓時間 壓力保持時間主要取決于鑄件厚度，在保證成形和結晶凝固條件下，保壓時間以短為好。但是保壓時間過短，則鑄件內部容易產生縮孔，如果保壓時間過長，則會延長生產周期，增加變形抗力，降低模具使用壽命。考慮本車輪的壁厚情況，擠壓鑄造的保壓時間選用12 s左右。
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( l1 D$ N6 n6 A1 t; ^. ^1 U(5) 模具預熱溫度 模具若不預熱，合金熔液注入型腔后會很快凝固，導致來不及加壓；但預熱溫度也不能過高，否則會延長保壓時間，降低生產率，同時也不利于噴涂潤滑劑。對本車輪擠壓鑄造模具的預熱溫度為200～300℃，通常是用煤油噴燈進行加熱。
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(6) 合金澆注溫度 澆注溫度過高或過低都對合金成形有明顯影響。過低，合金極易凝固，所需單位壓力大；過高，易產生縮孔。必須指出，擠壓鑄造合金的澆注溫度要比砂型澆注溫度高。一般希望把澆注溫度控制在比較低的數值，因為擠壓鑄造時希望消除氣孔、縮孔和疏松。在澆注溫度低時，氣體易于從合金熔液內部逸出，極少留在金屬中，易于消除氣孔。此外，也可減少縮孔形成機會，同時由于澆注溫度較低，金屬溢出較少，可減少毛刺。對本車輪擠壓鑄造的澆注溫度選用720～740℃為最合適。
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(7) 潤滑劑 潤滑劑的作用是保護模具，提高鑄件表面質量和便于從模具內取出鑄件。采用機油石墨潤滑劑，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%機油中，攪拌均勻即可。用噴槍噴涂在模具型腔表面上，其厚度為0.05～0.1 mm，過厚會影響鑄件表面質量。 * h3 V4 n5 I# b. Q# {
% U' } [6 {! J7 a- M4 l(8) 冷卻 擠壓鑄造卸壓后，一般應立即脫模，故鑄件的出模溫度較高。為了防止高溫的鑄件空冷時在薄壁與厚壁的交界處產生裂紋，應將出模后的鑄件立即放入砂堆中，待冷卻到150℃以下時再取出空冷。 6 k& g6 T: p7 I/ V9 g0 o; [% G
+ Q7 K* M: u; z' F( q4 結 論
9 T# ~0 y5 ~. {1 G Y9 C& @# H$ r8 ?在汽車、摩托車及自行車等交通工具零件生產中，世界各國逐漸用鋁合金代替鋼質材料的系統(tǒng)工程研究是今后長時間需要解決的問題。鑄造技術和熱鍛技術有機結合，形成先進的擠壓鑄造成形工藝，在技術上和經濟上明顯優(yōu)于壓力鑄造工藝。它特別適合于形狀復雜、帶有多孔或臺階形狀類零件的成形，是一種具有較寬的適用性、較大推廣價值及很有發(fā)展前途的工藝。0 L: o: t8 T, C4 w |
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0 v+ b! \+ G7 X3 f% W D下篇！8 v3 ], e: t0 B7 ~
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擠壓工藝、拉深工藝
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! D6 F3 S( N V# ], R9 ] W; N/ Y, u擠壓
! Y0 |- Z" ~* [( W% V用衝頭或凸模對放置在凹模中的坯料加壓﹐使之產生塑性流動﹐從而獲得相應於模具的型孔或凹凸模形狀的製件的鍛壓方法。擠壓時﹐坯料產生三向壓應力﹐即使是塑性較低的坯料﹐也可被擠壓成形。擠壓﹐特別是冷擠壓﹐材料利用率高﹐材料的組織和機械性能得到改善﹐操作簡單﹐生產率高﹐可製作長桿﹑深孔﹑薄壁﹑異型斷面零件﹐是重要的少無切削加工工藝。擠壓主要用於金屬的成形﹐也可用於塑料﹑橡膠﹑石墨和黏土坯料等非金屬的成形。
4 v1 p6 [( j+ g/ y; i& t' m# v A17世紀法國人用手動螺旋壓力機擠壓出鉛管﹐用作水管﹐是為冷擠壓之始。19世紀末實現了鋅﹑銅和銅合金的冷擠壓﹐20世紀初期擴大到鋁和鋁合金的擠壓。30年代德國人發(fā)明磷化﹑皂化的表面減摩潤滑處理技術﹐使鋼的冷擠壓獲得成功﹐最初用於擠制鋼彈殼。第二次世界大戰(zhàn)后﹐鋼的冷擠壓推廣到其他國家﹐并擴大了應用范圍。50年代開始採用熔融玻璃潤滑法﹐鋼的熱擠壓遂在冶金和機械工業(yè)中得到應用和發(fā)展。 ( [, X( d9 o0 f
分類 擠壓按坯料溫度區(qū)分有熱擠壓﹑冷擠壓和溫擠壓 3種。金屬坯料處於再結晶溫度(見塑性變形)以上時的擠壓為熱擠壓﹔在常溫下的擠壓為冷擠壓﹔高於常溫但不超過再結晶溫度下的擠壓為溫擠壓。 2 ?7 d/ u1 m' W
按坯料的塑性流動方向﹐擠壓又可分為﹕流動方向與加壓方向相同的正擠壓﹐流動方向與加壓方向相反的反擠壓﹐坯料向正﹑反兩個方向流動的復合擠壓(見圖 正﹑反﹑復合擠壓示意圖
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應用 熱擠壓廣泛用於生產鋁﹑銅等有色金屬的管材和型材等﹐屬於冶金工業(yè)范圍。鋼的熱擠壓既用以生產特殊的管材和型材﹐也用以生產難以用冷擠壓或溫擠壓成形的實心和孔心(通孔或不通孔)的碳鋼和合金鋼零件﹐如具有粗大頭部的桿件﹑炮筒﹑容器等。熱擠壓件的尺寸精度和表面光潔度優(yōu)於熱模鍛件﹐但配合部位一般仍需要經過精整或切削加工。 u( h3 `: L9 }
冷擠壓原來只用於生產鉛﹑鋅﹑錫﹑鋁﹑銅等的管材﹑型材﹐以及牙膏軟管(外面包錫的鉛)﹑乾電池殼(鋅)﹑彈殼(銅)等製件。20世紀中期冷擠壓技術開始用於碳素結構鋼和合金結構鋼件﹐如各種截面形狀的桿件和桿形件﹑活塞銷﹑扳手套筒﹑直齒圓柱齒輪等﹐后來又用於擠壓某些高碳鋼﹑滾動軸承鋼和不銹鋼件。冷擠壓件精度高﹑表面光潔﹐可以直接用作零件而不需經切削加工或其他精整。冷擠壓操作簡單﹐適用於大批量生產的較小製件(鋼擠壓件直徑一般不大於100毫米)。: L9 G j4 X3 F# S( Z: d5 A
拉深
+ a' M" }! ?. G* y7 k8 M( O2 X用平面板坯製作杯形件的衝壓成形工藝﹐又稱拉延。通過拉深可以製成圓筒形﹑球形﹑錐形﹑盒形﹑階梯形﹑帶凸緣的和其他復雜形狀的空心件。採用拉深與翻邊﹑脹形﹑擴口﹑縮口等多種工藝組合﹐可以製成形狀更復雜的衝壓件。汽車車身﹑油箱﹑盆﹑杯和鍋爐封頭等都是拉深件。拉深設備主要是機械壓力機。圖1 拉深原理圖 為拉深的原理。在圓筒形工件的拉深過程中﹐板坯由初始直徑D 0 縮小為衝壓件的圓筒直徑。表示拉深變形的大小﹐稱為拉深變形程度。變形程度很大時﹐拉深所需變形力可能大於已成形零件側壁的強度﹐而把工件拉斷。為了提高拉深變形程度以製出滿意的工件﹐常常把變形程度較大的拉深分為兩道或多道成形﹐逐步縮小直徑﹑增加高度(圖2 兩道拉深 )。
9 `# z B+ b& G2 V9 O拉深時﹐平板坯料受凸模向圓筒側壁傳遞的拉力﹐由四周向中心移動﹐直徑逐漸縮小﹐這部分金屬互相受壓。當板坯的厚度小﹑拉深變形程度大時﹐在壓應力作用下﹐圓筒工件的平面法蘭部分會出現失穩(wěn)起皺現象。為了防止起皺現象和保證拉深件質量﹐在拉深模中常設有壓邊裝置(壓邊圈)。簡單的壓邊圈是靠彈簧或壓縮空氣壓住坯料周邊的。大型件拉深時﹐常採用雙動壓力機﹐利用外滑塊的作用壓邊。當毛坯的厚度較大﹑零件的尺寸較小時﹐不用壓邊裝置也可以進行拉深。壓邊圈的作用力在保證板坯不起皺前提下﹐應選取儘量小的數值。
1 k. a! u) e- K5 K" {2 T' E' \拉深件各部位的厚度因受力不同有所不同。一般是底部中心厚度不變。底部周邊和側壁下部受拉力作用﹐厚度稍減少。側壁上部和平面法蘭部分受壓力作用﹐厚度稍增加。若拉深模與壓邊圈之間的間隙稍大於坯料的厚度﹐則製成的拉深件的壁厚基本上等於初始的板料厚度。如果拉深模與壓邊圈之間的間隙小於坯料的厚度﹐拉深件的側壁就會受模具間隙的作用而變薄﹐這種方式稱為變薄拉深。用變薄拉深法可以製成底厚﹑壁薄﹑高度大的零件﹐如深筒食品罐等。
6 B+ e; k! u% r; m0 O* U2 H3 S拉深時板坯的法蘭部位變形抗力最大。為減少這個部位的抗力﹑加大變形程度和提高變形效率﹐在生產中可採用差溫拉深法。差溫拉深的原理是﹕在坯料變形區(qū)﹐即板坯法蘭部位加熱﹐降低拉深變形抗力﹔在傳力區(qū)﹐即筒壁下部和底部保持常溫﹐以保持抗拉強度﹐防止拉斷。用這種方法可以減少拉深次數﹐但需要?透呶碌哪＞擤o在鋼板拉深中應用尚少。此外﹐還可用橡膠﹑液體或氣體代替剛體的凸模或凹模對金屬進行拉深成形﹐即軟模拉深﹐其特點是可以提高拉深變形程度和節(jié)省模具費用。6 P2 V4 T0 _' a# r3 H2 O, d
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[ 本帖最后由 星火燎原 于 2008-5-4 14:17 編輯 ] |
發(fā)表于 2008-5-4 08:44:17
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