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發(fā)表于 2008-5-4 14:14:44
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只可惜沒(méi)圖了,！- t0 ^) l9 _9 I7 ~
擠壓鑄造鋁合金車(chē)輪工藝探討
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/ E- U+ b. c" h: ]: Z摘要： 采用擠壓鑄造代替壓力鑄造生產(chǎn)鋁合金車(chē)輪,，不僅克服了壓鑄件內(nèi)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(chē)輪擠壓鑄造的模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù),，分析了擠壓鑄造的工藝參數(shù)及選擇依據(jù)。
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關(guān)鍵詞：鋁合金車(chē)輪 擠壓鑄造 模具結(jié)構(gòu)( A1 c1 w% P! c9 ~. e3 a
目前,，國(guó)內(nèi)卡丁車(chē)(類似碰碰車(chē))都從國(guó)外進(jìn)口,，其中鋁合金車(chē)輪是一個(gè)重要零件。過(guò)去,，國(guó)外采用壓力鑄造生產(chǎn)該鑄件，鑄件質(zhì)量差,，且成品率低,，勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)該鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求,，如何提高其產(chǎn)品質(zhì)量,、降低原材料消耗、節(jié)約能源,、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及降低鑄件成本,，是當(dāng)前生產(chǎn)中的關(guān)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(chē)輪行之有效的工藝,。
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1 車(chē)輪材料、要求及鑄件設(shè)計(jì)
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圖1所示為鋁合金車(chē)輪零件圖,。車(chē)輪不僅有較高的性能要求,，而且形狀十分復(fù)雜。
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* g( x! v! c1 {; s B圖1 車(chē)輪零件圖
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% m# a# K% x) T8 Z6 N$ T車(chē)輪材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(xué)性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。
0 R8 V+ v9 ^' h1 D該車(chē)輪內(nèi)外形的尺寸精度較高,，都應(yīng)加放加工余量及余塊,。按擠壓鑄造工藝的要求,，把形狀復(fù)雜的車(chē)輪零件圖設(shè)計(jì)如圖2所示的鑄件圖。由該圖可見(jiàn),，為便于從鑄件內(nèi)孔脫出及簡(jiǎn)化模具加工,，把原來(lái)的階梯軸孔設(shè)計(jì)成圓柱形中心孔，其直徑為φ30 mm,，內(nèi)壁斜度為3°［1］,。3 t4 V* i/ ~2 k; L- s
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圖2 車(chē)輪鑄件圖8 C% G' l: x$ q) u. R/ J
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2 模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)［1］ ( J5 o g% I+ ^
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2.1 擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)
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! m; X9 r' b8 `) \4 i鋁合金車(chē)輪擠壓鑄造的模具結(jié)構(gòu)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(dòng)模板上,，左凹模定模板用螺釘緊固在下模板上,，右凹模動(dòng)模板經(jīng)過(guò)側(cè)缸在導(dǎo)柱上實(shí)施開(kāi)啟及閉合。 j/ c( Y. B+ B8 N! X* } y0 K& m
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圖3 車(chē)輪擠壓鑄造模具 4 d# G9 k% A' H# f5 M
1.上模板 2.凸模固定板 3.凸模 4.導(dǎo)
/ p# L5 {$ L) V+ n$ f+ r柱 5.右凹模 6.右凹模動(dòng)模板
+ z* D: ^3 h, R! D$ h a7.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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% u* J( ~' t% b采用2000 kN油壓機(jī)改裝進(jìn)行擠壓鑄造,，其工作過(guò)程是：將定量的合金熔液澆入型槽后,，固定在活動(dòng)橫梁上的凸模以一定速度向下擠入型腔，壓力達(dá)一定數(shù)值后保壓,；鋁合金凝固后卸壓,，凸模通過(guò)工作缸的回程向上移動(dòng)，頂桿鑲塊通過(guò)下頂缸從鑄件內(nèi)向下退出,，直到全部脫離鑄件之后,，再用側(cè)缸開(kāi)啟右凹模，取出鑄件,。
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2.2 模具設(shè)計(jì)的主要參數(shù) 5 H' n2 Y7 j* n( l; [* @0 @+ T0 K
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(1) 間隙 凸模與左,、右凹模之間的間隙要適當(dāng)。過(guò)小則因凸模與凹模的裝配誤差而相碰或咬�,�,；過(guò)大則合金熔液通過(guò)間隙噴出，造成事故,；或者在間隙中產(chǎn)生縱向毛剌,，減小加壓效果，阻礙卸料,。合理的間隙與加壓開(kāi)始時(shí)間,、加壓速度、壓力大小,、工件尺寸及金屬材料有關(guān),。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，單邊間隙取0.1 mm。 7 |7 u+ p9 b7 w( Y8 Z8 L0 X7 U
( ?4 |# |! V& a |1 t3 u4 i(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(shè)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(dòng)一定距離,，鑄件就易從左凹模取出，故不必設(shè)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(shí)，留在凸模導(dǎo)向部分的少量氣體,，通過(guò)凸模與凹模之間的間隙排出,。 * V) p: r# @" n# R8 T( F$ x% f% Q \& Y
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(4) 模具材料 擠壓鑄造是在一定的壓力和一定的溫度下進(jìn)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(shí)高,，只要求模具在高溫下有一定的抗壓強(qiáng)度即可。另外,，為了防止與合金熔液接觸的模具表面產(chǎn)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(jìn)行軟氮化處理,。& w, K( a: I" Q
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3 擠壓鑄造的工藝參數(shù)
. D$ ^8 K8 w. f. f( C: ~3 _: t3 W擠壓鑄造是鑄鍛結(jié)合的工藝,，其生產(chǎn)工藝過(guò)程是：合金的熔化、模具的準(zhǔn)備(清理,、預(yù)熱,、噴涂潤(rùn)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,。9 u6 b7 e, r4 `0 w% ~* ]/ A
為保證鑄件質(zhì)量,，須合理選擇工藝參數(shù)［1～2］。 $ J9 [' G0 G* a: i- L: P' Q1 a
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(1) 比壓 壓力大小對(duì)鑄件的物理力學(xué)性能、鑄造缺陷,、組織,、偏析、熔點(diǎn)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(guò)小，鑄件表面與內(nèi)在質(zhì)量都不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo),；比壓過(guò)大,，對(duì)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(shè)備,。擠壓鑄造試驗(yàn)是在2 000 kN油壓機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)證明,，適合于本鋁合金車(chē)輪擠壓鑄造的比壓應(yīng)在50～60 MPa范圍內(nèi)選取,。 * Z$ j& S4 |9 T2 B$ V
3 r/ L& m# Q( r9 A9 `% T(2) 加壓開(kāi)始時(shí)間 從車(chē)輪擠壓鑄造試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，其加壓開(kāi)始時(shí)的間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng),，鑄件的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率降低�,，F(xiàn)用的開(kāi)始加壓時(shí)間是3～5 s，較為合適,。
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9 ~. }) A" l9 D9 ](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(diǎn)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(jié)晶和塑性變形,。但也不宜過(guò)快，否則會(huì)使部分合金熔液的表面產(chǎn)生飛濺及渦流,，使鑄件產(chǎn)生缺陷,，以及在凸、凹模之間的間隙中流出過(guò)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(jī)工作進(jìn)給速度較慢,，故利用工作行程的速度進(jìn)行壓制。 b$ [: d8 L( p: M- E/ H9 a
5 K p }% a1 W! j) M(4) 保壓時(shí)間 壓力保持時(shí)間主要取決于鑄件厚度,，在保證成形和結(jié)晶凝固條件下,，保壓時(shí)間以短為好,。但是保壓時(shí)間過(guò)短，則鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔,，如果保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng),，則會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，增加變形抗力,，降低模具使用壽命,。考慮本車(chē)輪的壁厚情況,，擠壓鑄造的保壓時(shí)間選用12 s左右,。
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- K$ \8 q8 ^% a: k(5) 模具預(yù)熱溫度 模具若不預(yù)熱，合金熔液注入型腔后會(huì)很快凝固,，導(dǎo)致來(lái)不及加壓,；但預(yù)熱溫度也不能過(guò)高，否則會(huì)延長(zhǎng)保壓時(shí)間,，降低生產(chǎn)率,，同時(shí)也不利于噴涂潤(rùn)滑劑。對(duì)本車(chē)輪擠壓鑄造模具的預(yù)熱溫度為200～300℃,，通常是用煤油噴燈進(jìn)行加熱,。 , v, v, t) }2 }
1 C: E- ~, |1 _& D% E' v; g+ F, {(6) 合金澆注溫度 澆注溫度過(guò)高或過(guò)低都對(duì)合金成形有明顯影響。過(guò)低,，合金極易凝固,，所需單位壓力大；過(guò)高,，易產(chǎn)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(shù)值,，因?yàn)閿D壓鑄造時(shí)希望消除氣孔、縮孔和疏松,。在澆注溫度低時(shí)，氣體易于從合金熔液內(nèi)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(jī)會(huì),，同時(shí)由于澆注溫度較低，金屬溢出較少,，可減少毛刺,。對(duì)本車(chē)輪擠壓鑄造的澆注溫度選用720～740℃為最合適。 , u3 l) b7 L7 m% Z! Z: ^+ L, M6 a
% F$ H& q# c, j+ ^. s(7) 潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑劑的作用是保護(hù)模具，提高鑄件表面質(zhì)量和便于從模具內(nèi)取出鑄件,。采用機(jī)油石墨潤(rùn)滑劑,，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%機(jī)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(guò)厚會(huì)影響鑄件表面質(zhì)量,。 * c4 W* c) K/ t* ~0 i
) N" g- s# t% J3 n6 O(8) 冷卻 擠壓鑄造卸壓后,，一般應(yīng)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(shí)在薄壁與厚壁的交界處產(chǎn)生裂紋,，應(yīng)將出模后的鑄件立即放入砂堆中，待冷卻到150℃以下時(shí)再取出空冷,。 " Y( l9 V! @4 E- {/ d* M3 `. b
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4 結(jié) 論6 f6 s/ p6 o! ?
在汽車(chē),、摩托車(chē)及自行車(chē)等交通工具零件生產(chǎn)中，世界各國(guó)逐漸用鋁合金代替鋼質(zhì)材料的系統(tǒng)工程研究是今后長(zhǎng)時(shí)間需要解決的問(wèn)題,。鑄造技術(shù)和熱鍛技術(shù)有機(jī)結(jié)合,，形成先進(jìn)的擠壓鑄造成形工藝，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上明顯優(yōu)于壓力鑄造工藝,。它特別適合于形狀復(fù)雜,、帶有多孔或臺(tái)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(jià)值及很有發(fā)展前途的工藝,。
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下篇！
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; L2 R! {3 s7 f4 K# U' V4 Q1 Z擠壓工藝,、拉深工藝
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擠壓! ]9 q/ v4 q1 F. S: |
用衝頭或凸模對(duì)放置在凹模中的坯料加壓﹐使之產(chǎn)生塑性流動(dòng)﹐從而獲得相應(yīng)於模具的型孔或凹凸模形狀的製件的鍛壓方法,。擠壓時(shí)﹐坯料產(chǎn)生三向壓應(yīng)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(jī)械性能得到改善﹐操作簡(jiǎn)單﹐生產(chǎn)率高﹐可製作長(zhǎng)桿﹑深孔﹑薄壁﹑異型斷面零件﹐是重要的少無(wú)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,。
) z; _! U" `& s! ~* H7 j- o17世紀(jì)法國(guó)人用手動(dòng)螺旋壓力機(jī)擠壓出鉛管﹐用作水管﹐是為冷擠壓之始。19世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)了鋅﹑銅和銅合金的冷擠壓﹐20世紀(jì)初期擴(kuò)大到鋁和鋁合金的擠壓,。30年代德國(guó)人發(fā)明磷化﹑皂化的表面減摩潤(rùn)滑處理技術(shù)﹐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(guó)家﹐并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。50年代開(kāi)始採(cǎi)用熔融玻璃潤(rùn)滑法﹐鋼的熱擠壓遂在冶金和機(jī)械工業(yè)中得到應(yīng)用和發(fā)展,。
9 v- E8 P; Q8 A分類 擠壓按坯料溫度區(qū)分有熱擠壓﹑冷擠壓和溫?cái)D壓 3種,。金屬坯料處?kù)对俳Y(jié)晶溫度(見(jiàn)塑性變形)以上時(shí)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(guò)再結(jié)晶溫度下的擠壓為溫?cái)D壓。
r! B W- |! x: R按坯料的塑性流動(dòng)方向﹐擠壓又可分為﹕流動(dòng)方向與加壓方向相同的正擠壓﹐流動(dòng)方向與加壓方向相反的反擠壓﹐坯料向正﹑反兩個(gè)方向流動(dòng)的復(fù)合擠壓(見(jiàn)圖 正﹑反﹑復(fù)合擠壓示意圖
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) ?* ?. p' W. V應(yīng)用 熱擠壓廣泛用於生產(chǎn)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(chǎn)特殊的管材和型材﹐也用以生產(chǎn)難以用冷擠壓或溫?cái)D壓成形的實(shí)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(jīng)過(guò)精整或切削加工,。
) i/ [' J* P; B. f+ T3 z% |冷擠壓原來(lái)只用於生產(chǎn)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(jì)中期冷擠壓技術(shù)開(kāi)始用於碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼件﹐如各種截面形狀的桿件和桿形件﹑活塞銷(xiāo)﹑扳手套筒﹑直齒圓柱齒輪等﹐后來(lái)又用於擠壓某些高碳鋼﹑滾動(dòng)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(jīng)切削加工或其他精整,。冷擠壓操作簡(jiǎn)單﹐適用於大批量生產(chǎn)的較小製件(鋼擠壓件直徑一般不大於100毫米)。
/ U9 q, ^5 O4 K7 Q L4 u) W' F& E拉深
" d' A( u4 P1 P& d. z, l用平面板坯製作杯形件的衝壓成形工藝﹐又稱拉延,。通過(guò)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(fù)雜形狀的空心件,。採(cǎi)用拉深與翻邊﹑脹形﹑擴(kuò)口﹑縮口等多種工藝組合﹐可以製成形狀更復(fù)雜的衝壓件。汽車(chē)車(chē)身﹑油箱﹑盆﹑杯和鍋爐封頭等都是拉深件,。拉深設(shè)備主要是機(jī)械壓力機(jī),。圖1 拉深原理圖 為拉深的原理。在圓筒形工件的拉深過(guò)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(shí)﹐拉深所需變形力可能大於已成形零件側(cè)壁的強(qiáng)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 ),。 & O( ?& ], B" m; a
拉深時(shí)﹐平板坯料受凸模向圓筒側(cè)壁傳遞的拉力﹐由四周向中心移動(dòng)﹐直徑逐漸縮小﹐這部分金屬互相受壓,。當(dāng)板坯的厚度小﹑拉深變形程度大時(shí)﹐在壓應(yīng)力作用下﹐圓筒工件的平面法蘭部分會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)起皺現(xiàn)象。為了防止起皺現(xiàn)象和保證拉深件質(zhì)量﹐在拉深模中常設(shè)有壓邊裝置(壓邊圈),。簡(jiǎn)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(shí)﹐常採(cǎi)用雙動(dòng)壓力機(jī)﹐利用外滑塊的作用壓邊。當(dāng)毛坯的厚度較大﹑零件的尺寸較小時(shí)﹐不用壓邊裝置也可以進(jìn)行拉深,。壓邊圈的作用力在保證板坯不起皺前提下﹐應(yīng)選取儘量小的數(shù)值,。 & |: H8 U4 Z+ u. G1 a s' Z
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(cè)壁下部受拉力作用﹐厚度稍減少,。側(cè)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(cè)壁就會(huì)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。
. i* S9 s' p$ V拉深時(shí)板坯的法蘭部位變形抗力最大,。為減少這個(gè)部位的抗力﹑加大變形程度和提高變形效率﹐在生產(chǎn)中可採(cǎi)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(qiáng)度﹐防止拉斷。用這種方法可以減少拉深次數(shù)﹐但需要?透呶碌哪＞擤o在鋼板拉深中應(yīng)用尚少,。此外﹐還可用橡膠﹑液體或氣體代替剛體的凸�,；虬寄�(duì)金屬進(jìn)行拉深成形﹐即軟模拉深﹐其特點(diǎn)是可以提高拉深變形程度和節(jié)省模具費(fèi)用。/ X N+ q7 \: D9 l( N: T2 B
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[ 本帖最后由 星火燎原 于 2008-5-4 14:17 編輯 ] |
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