铝合金车轮强力铸造工艺

本发明属于轻合金成形技术领域，应用领域属于铝合金车轮制造业。

目前，国内外铝合金车轮的成形工艺主要以铸造工艺为主，常用的铸造工艺包括低压铸造和重力铸造。低压铸造过程是铝液位于模具下方保温炉内，通过低压气体压力的作用铝液沿着升液管自下而上进入模具型腔完成充型，并在低压气体压力作用下进行凝固及低压补缩来成形车轮。重力铸造是靠重力的作用，进行自上而下的充型浇铸，还要靠浇口处液体的重力作用或专门设置的补缩腔内液体的重力作用来实现凝固过程中的补缩。

车轮作为汽车的重要安全部件，车轮的质量直接影响汽车的安全性及轻量节能效果，目前重力及低压铸造两种工艺均面临着一些问题，例如两种工艺的共同弱点就是补缩压力低、补缩能力弱、塑性指标低。尤其低压铸造的车轮，中心处的延伸率总是不能令人满意，重力铸造的车轮虽然中心处的延伸率略高于低压铸造的产品，但由于补缩浇口的存在，导致材料利用率低且存在去浇口工序复杂的问题，不能令人满意，并且由于重力浇铸存在卷气现象，导致铸件内部经常存在气孔、缩孔以及缩松等缺陷。

专利申请号：CN201310345280.5公开的“金属型辅压重力铸造系统及铸造方法”，该方法为料液边模浇铸，浇口废料较大，本发明采用中心浇铸，中心浇铸保证了充型过程中铸坯圆周方向的均匀性，浇口处的铝液在补缩压力的作用下被强力推注到模具型腔，显著地提高了材料利用率；该发明中采用压缩空气补缩，压力为0.15-0.2MPa，本发明采用补缩活塞对料液进行强力加压补缩，补缩压力范围0.1-3.0MPa,二者补缩压力与方法均不同；从原理上看，该专利从中心补缩加压处经模具型腔直至边浇浇口处未形成封闭型腔，本发明的强力补缩是在密闭的模具型腔上施压的。

专利申请号：CN200710027352.6C公开的“铝合金车轮气体压力铸造装置及其铸造方法”以及专利申请号:201320016053.3公开的“轮毂反重力补缩铸造模具”，两专利中补缩介质均为压缩空气，而本发明采用间隙配合的补缩活塞对料液进行强力加压补缩，前者为气体补缩，后者为机械方法补缩；两专利中用于补缩加压的型腔均为上小下大的圆台形，获得的是带有凹坑的半高圆锥台形浇口的铸件，仍需进一步去除浇口，本专利所述的补缩加压室为与加压活塞间隙配合的等内径的通孔，且有效加压补缩容积为模具型腔的6~8%，加压补缩完成时，有效补缩容积被推注到模具型腔，故可获得无浇口铸件，自然省去了去浇口工序；本发明的补缩加压室带有补温加热装置，可保证补缩过程中铝液的流动性，上述两个专利未提及；针对所有中心浇铸多年来普遍存在铝液落差大冲击壁底而发生卷气的共性问题，本发明中设有导流浇铸系统，可实现无卷气浇铸及控速充型，为获得高质量的铸件奠定了必要的基础条件，上述两个专利未提及无卷气导流及控速充型内容。

专利申请号：201210328935.3公开的“铝合金车轮重力加压铸造”，该发明的浇铸位置为中心侧开口浇铸，与本发明的浇铸位置不同，该专利旁浇管路残存的低于内轮唇高度的铝液无法顺利排出，不利于批量生产；本发明中设有导流浇铸系统，可实现无卷气浇铸及控速充型，该专利未涉及这方面的内容；该专利的模具冷却采用的介质是压缩空气，未见具体的冷却控制原理，本专利采用水和风作为冷却介质均可，并给出了冷却通道分布方法和模具温控点布局方法。

本发明公布了一种铝合金车轮铸造工艺-铝合金车轮强力铸造工艺，其独特之处在于：1）发明了强力补缩模具结构：以常规顶、底、边模为基础，在上模（1-8）内腔中心处增设了补缩加压室（1-4）和可在加压室（1-4）上下移动的补缩加压活塞（1-3）及导流活塞（1-5）；2）以此模具结构为基础，发明集无卷气导流浇铸特征、控速充型特征、自动补温特征、强力补缩特征、快速顺序凝固冷却通道布局和模具温控测点布局为一体的铝合金车轮强力铸造工艺，本发明的工艺与相应的强力铸造设备配合，生产的车轮产品具有密度高、强度高和延伸率高的显著效果，并具有更高的生产效率和材料利用率。

本发明的铝合金车轮强力铸造模具结构特征体现在：与常规的仅由顶、底、边模组成的模具不同，本发明是在此基础上，在上模（1-8）中心处增设了补缩加压室（1-4）和可在补缩加压室（1-4）内上下移动的补缩加压活塞（1-3）及导流活塞（1-5），补缩加压室（1-4）是一内径为D的筒形件，其下端与上模（1-8）的中心盘相联，其外侧设有自动补温装置（1-7），其内径D通过上模中心孔与模腔联通，补缩加压活塞（1-3）和导流活塞（1-5）与补缩加压室（1-4）内径是间隙配合的，配合间隙在0.08-0.15mm，当导流活塞（1-5）行至下部一定位置时，补缩加压室（1-4）的内孔与模具的型腔是联通的，加压室（1-4）的内径D和高度H的确定的依据为：根据铝合金凝固收缩的比率，加压室（1-4）的有效补缩容积C应不小于模具型腔容积的6%，加压室（1-4）的高度H的确定既要满足补缩容积C的要求，又要满足当全部液体浇入后补缩加压室（1-4）的液面应略高于内轮唇的最高点，确定了补缩加压室（1-4）的高度H，便可根据补缩体积C为定值来确定补缩加压室（1-4）内径D（一般取值范围在50-80mm）。

本发明的铝合金车轮强力铸造工艺过程特征体现在：将温度在695-710℃定量的铝液注入出口带有过滤网（1-20）的具有定量称重功能的浇杯（1-2）中，合模后将浇杯（1-2）出口对准补缩加压室（1-4）的入口，打开浇杯（1-2）出口开关的同时无卷气导流装置依照编程设定的速度平稳地带动导流活塞（1-5）向下运动，铝液在导流活塞（1-5）的引导下进入补缩加压室（1-4），并通过导流活塞（1-5）的位置控制补缩加压室（1-4）与模具型腔的通道口的开度进行控速充型，模具型腔充满后移走浇杯（1-2），补缩加压活塞（1-3）进入补缩加压室（1-4）进行强力补缩，此过程中加压室（1-4）自动补温系统和快速顺序凝固冷却温控系统实时配合，凝固结束后补缩加压活塞（1-3）返回，开模出件，采用本工艺生产不同尺寸车轮的铸造生产节拍为160-220s/件。

本发明的铝合金车轮强力铸造工艺具有无卷气导流浇铸功能，其特征在于：根据真空吸入式导流原理，在圆形补缩加压室（1-4）内壁设有与之间隙配合的导流活塞（1-5），浇铸时铝液随着导流活塞（1-5）依照预设置的速度向下移动，平稳地充满加压室（1-4），消除了铝液因落差较大而直冲底部产生的卷气现象。

本发明的铝合金车轮强力铸造工艺的控速充型特征在于： 铝液往模具型腔的充型速度取决于导流活塞（1-5）上端的分流型面与补缩加压室（1-4）下出口间的通道口的开度，本发明通过带动导流活塞（1-5）移动来实现对通道开口开度的控制，进而实现对车轮不同部位充型时流量控制，这有助于充型时模具型腔内气体的排放。

本发明的铝合金车轮强力铸造工艺的强力补缩特征在于：由模具型腔、补缩加压室（1-4）及补缩加压活塞（1-3）构成密闭型腔，若型腔内的铝液的凝固是由表及里、由远离补缩加压室（1-4）的轮缘向轮芯乃至补缩加压室（1-4）是顺序凝固的，那么，当补缩加压活塞（1-3）向下移动并施加压力的时候，未凝固的铝液会遵从帕斯卡定律将补缩加压活塞（1-3）上的压力以等静压的方式向各个方传递，直至远端凝固点，补缩加压室（1-4）内的铝液在压力持续作用下，被实时推注到模具型腔，根据铝合金凝固收缩的体积比率，由补缩加压室（1-4）推注到模具型腔内的铝液体积应为模具型腔容积的6~8%，所谓“强力补缩”是指补缩压力范围为0.1-3.0MPa,远高于重力和低压铸造的补缩压力，最高压力是低压铸造补缩压力的30倍，由于液体是在较高的压力下进行凝固的，因此可获得更好的补缩效果和更为致密的铸件。

本发明的铝合金车轮强力铸造工艺，所设的加压补缩室具有自动补温浇铸特征，所述自动补温浇特征是这样实现的：在补缩加压室（1-4）外侧设有补温装置（1-7），当测温点的温度低于设定值时，自动接通补温装置对加压室（1-4）和料液进行加热补温至设定温度而自动断开，使补缩加压室（1-4）内的料液在充型和补缩过程中具有较好的流动性。

权利要求1所述的铝合金车轮强力铸造工艺，所述的模具温度控制测点及冷却通道分布方法，是基于顺序凝固、快速冷却思想提出的，是为配合强力铸造设备的模具温控系统而设计的，本专利权利要求1所述的冷却通道分布方法是指：以水或风为冷却介质的多层式上模冷却分布法、多环式下模冷却分布法和多点式边模冷却分布法。所述的多层式上模冷却分布法是指：在上模的内腔自上而下的布置多层的环形冷却通道，所述多环式下模冷却分布法是指在下模底面开有多个环形冷却通道，所述多点式边模冷却分布法是指在边模的外侧轮辋与每个轮辐交界处设有点式冷却通道；本发明权利要求1所述的用于模具温度控制的测温点布局是指：将模具测点温度作为目标变量，用以对于模具这样连续介质温度场的近似表示，对于底模在正对轮辐的内、中、外布置最多三点设置温度传感器（图2，Tm1、Tm2、Tm3），对于边模最多在上下轮缘对应处设置两点温度传感器（图2，Tm4、Tm5），变量Tm1，Tm2，…Tm5作为控制变量用以表征模具温度场的状态；此外还设置了冷却介质入出口温度传感器(图2，TW1、TW2、…TW7)作为参考变量;作为测定控制变量的温度传感器与相应强力铸造机提供的流速阀（图2中q1、至q7）、流量传感器(图2中Q1至Q7)、电磁开关(图2中K1至K7)和PLC一起组成模具冷却测控系统。可通过改变每路冷却介质的流速qi，i=1,2…n总流量Qi，i=1,2…n,和开启时刻ti，i=1,2…n三类基本变量来进行模具温度的调节，测点的温度值Tmi用以作为三类基本变量调整的目标，这种以水或风为冷却介质、流速、流量及开启时刻作为基本变量，以模具控制点温度为控制变量的模具温度监控系统，为工艺参数设定和调整提供了数值依据与数字化调控手段。

与现有的铝合金车轮铸造工艺相比，使用本发明的铝合金车轮强力铸造工艺其有益的技术效果在于：

（1）解决了重力铸造中和低压铸造补缩压力小的问题，解决了重力铸造存在的浇铸卷气、浇冒口大、充型速度难以控制以及易出现铸造缺陷等问题；

（2）强力补缩与快速凝固技术相结合，缩短了压铸时间，提高了生产效率，提高了致密度、细化了铸坯晶粒度；

（3）得到的车轮铸坯无浇口，相比重力铸造毛坯重量减轻10%，不仅提高了材料利用率，而且减少了后续的去浇口工序；

（4）使用该工艺，两侧均获得半深中心锥孔，免去了铸旋时预机加工序，可直接带余热进入旋压机进行热旋；

（5）采用本工艺生产的车轮产品力学性能好:强度比低压铸造显著提高、延伸率可达到5-8%；由于该工艺强化了铸件强度，进而可以减薄轮辋和轮辐厚度，带来了产品的轻量化节能效果。

图1强力铸造模具结构示意图。

图2模具冷却温控系统原理图。

图1中所示的强力铸造模具结构主要包括：铸造机滑块（1-1）、浇杯（1-2）、补缩加压活塞（1-3）、补缩加压室（1-4）、导流活塞（1-5）、上模冷却介质出口（1-6）、补温加热装置（1-7）、上模（1-8）、边模（1-9）、底模冷却介质出口（1-10）、底模（1-11）、模具底板（1-12）、导流油缸（1-13）、铸造机工作台（1-14）、底模环状冷却通道（1-15）、底模冷却介质入口（1-16）、边模冷却管（1-17）、上模分层冷却通道（1-18）、上模冷却介质入口（1-19）、料液过滤网（1-20）、连接支柱（1-21）。

图2模具冷却温控系统原理图构成主要包括：模具测温传感器（Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5）、冷却介质入口温度传感器(T0)、冷却介质出口温度传感器(Tw1至Tw7)、流速调节阀（q1至q7）、流量传感器(Q1至Q7)、电磁开关(K1至K7)、加压室补温加热装置K8、加压室温度传感器T8。

以下结合附图就具体实施方式进行详细说明（本实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明作出的任何限定）。

结合附图1对实施细则进行说明，以一款16X6.5寸铝合金车轮为例，采用本工艺的铸造过程为：

（1）首先将模具进行预热，模具预热温度为280℃，铝合金材料为A356，铝液的加热温度为700℃，如图1所示，工作前首先将铸造模具安装至铸造机上，模具上模（1-8）以及顶板等件通过连接支柱（1-21）与铸造机滑块（1-1）相连，底模（1-11）通过模具底板（1-12）安装至铸造机工作台（1-14）上侧，边模（1-9）与铸造机的边模油缸相连；

（2）将浇杯（1-2）中装入定量的液料，液料体积等于型腔体积与补缩体积之和，其中补缩体积按照总料液体积的6-8%计算，将浇杯（1-2）移至进料位置与补缩加压室（1-4）相连，此时压铸机导流油缸（1-13）带动导流活塞（1-5）上行移至浇杯（1-2）下方，然后浇杯（1-2）的输出开关打开，浇杯中的铝液随之流入补缩加压室（1-4）中，与此同时导流活塞（1-5）下行，将料液缓慢平稳的引至模具型腔内，按设定速度充型模具型腔，充型完毕后移走铝液浇杯（1-2）；

（3）压铸机的补缩加压活塞（1-3）下行，至补缩加压室（1-4）中，对液面进行加压，强力补缩的压力为0.1-3.0MPa，此时上模（1-8）、底模（1-11）及边模（1-9）的冷却水按照设定的冷却顺序打开，从而实现铸件在顺序凝固过程中进行强力补缩，在浇液、充型及补缩过程中，补缩加压室（1-4）外侧的加热装置（1-7）可以给液料随时补热，保证了液料的流动性；

（4）上模（1-8）中设有分层隔板，分层隔板与上模（1-8）型腔组成上模分层冷却区（1-18），上模冷却入口（1-19）和上模冷却出口（1-6）分别通入各冷却层，实现对上模（1-8）的冷却，模具冷却温控系统原理图如图2所示，作为优选的，本款车轮采用水为冷却介质，模具的上模（1-8）分为三层，分别通有三路可测温、控制流量及开闭的进水管道，以及三路可测温的回水管道；模具底模（1-11）内部也设有底模环状冷却区（1-15），底模冷却介质入口（1-16）和出口（1-10）分别位于模具底板（1-12）两侧，模具底板（1-12）内部设有冷却通道可将冷却管道与底模环状冷却区（1-15）连通，作为优选的，模具底模（1-11）分为三环结构，分别通有三路可测温、控制流量及开闭的冷却管道，以及三路可测温的冷却回路管道；边模（1-9）上对轮辐辐条的位置上开有冷却孔，边模冷却管（1-17）安装于边模（1-9）冷却孔中，进、出冷却水管分别接入边模冷却管（1-17）中，实现对边模的多点冷却。温控冷却通道与设备的控制系统相配合，依据模具测温点的温度和每路带走的热量值，来通过对流速、流量调节与冷却开启时序控制相结合的，以顺序凝固冷却控制为目标的模温调控方法来实施调控设置；

（5）铸坯冷却后补缩加压活塞（1-3）提升，边模油缸拉动边模（1-9）打开，随后铸造机滑块（1-1）带动模具上模（1-8）提升，铸坯卸料至出料位置，至此整个车轮铸造过程完毕。