铝合金车轮挤压铸造工艺
2019-02-28 10:19:46
现在，国内卡丁车(相似碰碰车)都从国外进口，其间铝合金车轮是一个重要零件。曩昔，国外选用压力铸造出产该铸件，铸件质量差，且成品率低，劳动强度大。针对该铸件的结构特色和功能要求，怎么进步其产品质量、下降原材料耗费、节约能源、进步劳动出产率及下降铸件本钱，是当时出产中的要害。从研发的状况可知，选用揉捏铸造替代压力铸造是往后制作铝合金车轮卓有成效的工艺。 1 车轮材料、要求及铸件规划
图1所示为铝合金车轮零件图。车轮不只有较高的功能要求，并且形状非常杂乱。图1 车轮零件图
车轮材料的化学成分(质量分数)为：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，其他为Al。力学功能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。
该车轮内外形的尺度精度较高，都应加放加工余量及余块。按揉捏铸造工艺的要求，把形状杂乱的车轮零件图规划如图2所示的铸件图。
由该图可见，为便于从铸件内孔脱出及简化模具加工，把本来的阶梯轴孔规划成圆柱形中心孔，其直径为φ30 mm，内壁斜度为3°［1］。图2 车轮铸件图
2 模具结构及规划参数［1］
2.1 揉捏铸造模具结构
铝合金车轮揉捏铸造的模具结构如图3所示。它首要有凸模、右凹模、顶杆镶块和左凹模组成所要求的型腔。左凹模和右凹模别离固定在左凹模定模板和右凹模动模板上，左凹模定模板用螺钉紧固鄙人模板上，右凹模动模板经过侧缸在导柱上施行敞开及闭合。图3 车轮揉捏铸造模具
1.上模板 2.凸模固定板 3.凸 模 4.导 柱 5.右凹模 6.右凹模动模板
7.垫 板 8.下模板 9.顶杆镶块 10.左凹模 11.左凹模定模板
选用2000 kN油压机改装进行揉捏铸造，其作业进程是：将定量的合金熔液浇入型槽后，固定在活动横梁上的凸模以必定速度向下挤入型腔，压力达必定数值后保压；铝合金凝结后卸压，凸模经过作业缸的回程向上移动，顶杆镶块经过下顶缸从铸件内向下退出，直到悉数脱离铸件之后，再用侧缸敞开右凹模，取出铸件。
2.2 模具规划的首要参数
(1) 空隙 凸模与左、右凹模之间的空隙要恰当。过小则因凸模与凹模的安装差错而相碰或咬住；过大则合金熔液经过空隙喷出，构成事端；或许在空隙中发生纵向毛剌，减小加压作用，阻止卸料。合理的空隙与加压开端时刻、加压速度、压力巨细、工件尺度及金属材料有关。依据实践出产经历，单边空隙取0.1 mm。
(2) 脱模斜度 合金熔液在凸模压力下凝结成铸件，冷却后紧包在凸模及顶杆镶块上。为了便于凸模及顶杆镶块脱出，故在凸模及顶杆镶块上设有3°的脱模斜度。因为铸件外形呈圆状，且分在左、右两片凹模，只需右凹模向右移动必定间隔，铸件就易从左凹模取出，故不用设置脱模斜度。
(3) 排气 在左、右两片凹模彻底闭合后，合金熔液因缓慢地浇入型腔，型腔中气体可根本排出。揉捏铸造时，留在凸模导向部分的少数气体，经过凸模与凹模之间的空隙排出。
(4) 模具材料 揉捏铸造是在必定的压力和必定的温度下进行的，不存在像压铸模那样遭到金属液的冲刷。作业压力比压铸时高，只需求模具在高温下有必定的抗压强度即可。别的，为了避免与合金熔液触摸的模具表面发生热疲惫裂纹，左右凹模、凸模及顶杆镶块均选用3Cr2W8V合金模具钢制作，热处理后硬度为HRC48～52，型腔表面进行软氮化处理。
3 揉捏铸造的工艺参数
揉捏铸造是铸锻结合的工艺，其出产工艺进程是：合金的熔化、模具的预备(整理、预热、喷涂润滑剂)、金属的浇注、液态金属的加压、压力的坚持、压力的去除及铸件的取出等。
为确保铸件质量，须合理挑选工艺参数［1～2］。
(1) 比压 压力巨细对铸件的物理力学功能、铸造缺点、安排、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以断定成形有必要的单位压力是很重要的。假如比压过小，铸件表面与内涵质量都不能到达技术指标；比压过大，对功能的进步不非常显着，还简单使模具损坏，且要求较大合模力的设备。揉捏铸造实验是在2 000 kN油压机上进行的。实验证明，适合于本铝合金车轮揉捏铸造的比压应在50～60 MPa范围内选取。
(2) 加压开端时刻 从车轮揉捏铸造实验的成果来看，其加压开端时的间隔时刻过长，铸件的强度及伸长率下降。现用的开端加压时刻是3～5 s，较为适宜。
(3) 加压速度 揉捏铸造要求必定的加压速度，在或许状况下，以加压速度快一点为好。加压速度快，则凸模能很快地将压力施加于金属上，便于成形、结晶和塑性变形。但也不宜过快，不然会使部分合金熔液的表面发生飞溅及涡流，使铸件发生缺点，以及在凸、凹模之间的空隙中流出过多的合金熔液，构成难以去除的纵向毛刺。因而，有必要使凸模缓慢地压入液态金属中。因为运用的油压机作业进给速度较慢，故使用作业行程的速度进行限制。
(4) 保压时刻 压力坚持时刻首要取决于铸件厚度，在确保成形和结晶凝结条件下，保压时刻以短为好。可是保压时刻过短，则铸件内部简单发生缩孔，假如保压时刻过长，则会延伸出产周期，添加变形抗力，下降模具运用寿命。
考虑本车轮的壁厚状况，揉捏铸造的保压时刻选用12 s左右。
(5) 模具预热温度 模具若不预热，合金熔液注入型腔后会很快凝结，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，不然会延伸保压时刻，下降出产率，一起也不利于喷涂润滑剂。对本车轮揉捏铸造模具的预热温度为200～300℃，通常是用火油喷灯进行加热。
(6) 合金浇注温度 浇注温度过高或过低都对合金成形有显着影响。过低，合金极易凝结，所需单位压力大；过高，易发生缩孔。有必要指出，揉捏铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度高。一般期望把浇注温度控制在比较低的数值，因为揉捏铸造时期望消除气孔、缩孔和疏松。在浇注温度低时，气体易于从合金熔液内部逸出，很少留在金属中，易于消除气孔。此外，也可削减缩孔构成时机，一起因为浇注温度较低，金属溢出较少，可削减毛刺。对本车轮揉捏铸造的浇注温度选用720～740℃为较适宜。
(7) 润滑剂 润滑剂的作用是维护模具，进步铸件表面质量和便于从模具内取出铸件。选用机油石墨润滑剂，即5%的200～300意图石墨粉加入到95%机油中，拌和均匀即可。用喷喷涂在模具型腔表面上，其厚度为0.05～0.1 mm，过厚会影响铸件表面质量。
(8) 冷却 揉捏铸造卸压后，一般应当即脱模，故铸件的出模温度较高。为了避免高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处发生裂纹，应将出模后的铸件当即放入砂堆中，待冷却到150℃以下时再取出空冷。
汽车轻量化铝合金研究进展
2019-01-08 17:02:10
本文章刊于Lw2016论坛文集——作者：聂德键，黄和銮，罗铭强，陈文泗，李 辉，陈树钦，张小青(广东兴发铝业有限公司)
摘要：本文对汽车轻量化铝合金材料的研究进展进行了综述，重点介绍了铝合金轮毂、铝合金防撞梁、铝合金车身的研究及应用情况。
从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的优选材料，世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。汽车自重每降低100kg，油耗就可以减少0.7L/km。因此，以铝合金代替钢铁材料，较大限度地减轻汽车的自重也就成为当前的研究热点[1]汽车用铝合金主要分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金主要应用于发动机气缸体、气缸盖、轮毂、制动器零件等。形变铝合金在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器零件等[2]从靠前辆全铝车身奥迪A8问世，到捷豹的JaguarXJ，再到2012款新路虎极光揽胜发售，全铝车身加工工艺及技术正在不断走向成熟。不过，运用铝合金也面临不少问题，比如，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；另外，成本控制对铝合金的运用非常重要，因此，全铝车身仅限于高端车型中[3]。随着能源和环境危机的不断加剧，各国节能减排法规不断提高规范要求，铝合金作为汽车轻量化新材料将应用在更多的车型上，在工业化生产与设计中，钢铝混合车身的应用将成为主流[4,5].
1汽车轮毂用铝合金
车轮是车辆承载重要部件，它除了受正压力外，还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用，以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力，车轮在高速旋转中，还影响车辆的平稳性、操作性等性能[6]。车轮的质量与汽车的多种性能密切相关，整车的安全性和可靠性很大程度取决于所装车轮的性能和使用寿命。铝合金汽车轮毂与钢制汽车轮毂相比，能够更好地满足良好的耐磨耐老化和良好的气密性，良好的均匀性和质量平衡，较小的滚动阻力和行驶噪声，精美的外观和装饰性，尺寸精度高，质量轻且不平衡度小，耐疲劳性好，折装方便，互换性好等要求。目前轿车轮毂普遍采用铝合金材料，但是，卡车、大巴等重载汽车由于重载汽车载重大、对车轮的综合性能要求高，大部分仍采用钢制车轮。
铝合金车轮的制造工艺主要有：铸造法、锻造法、冲压法、旋压法、半固态模锻法等，其中较为常用的成型方法主要是铸造法和锻造法。低压铸造主要采用Al-Si-Mg系合金，其主要合金元素如表1所示。普通铸造铝合金轮毂能够满足轿车用轮毂的性能要求，但不能满卡车、大巴等重载汽车对轮毂的要求。马春江[7]等将普通铸造铝合金轮毂和挤压铸造铝合金的组织和力学性能进行对比，结果显示挤压铝合金轮毂的力学性能高于铸造铝合金轮毂，且挤压铸造铝合金轮毂的弯曲疲劳性能、径向疲劳性能、耐冲击性能都能满足重载汽车使用要求。锻造法是应用较早的铝合金轮毂成形工艺之一。锻造铝合金轮毂的强度、韧性以及疲劳强度均显著优于铸造铝合金轮毂，并且还具有抗腐蚀性好、尺寸准确、加工量小、性能再现性强等优点[8]。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金，5xxx铝合金是车轮锻造中较常用的变形铝合金，主要包括：5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O，5xxx锻造铝合金车轮抗腐蚀性能高，适宜制造在极端环境下工作的车轮。车轮制造中另外一种常用的铝合金是6061-T6，其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si强化相可显著提高其力学性能，6061合金铸锭经565℃/4h——6h均匀化处理可使其绝大部分Mg与Si固溶于铝中，这样不仅可降低锻造温度，同时可改善锻造性能。龙伟[9]等采用三维有限元软件Deform-3D模拟6061铝合金轮毂的锻压过程，分析对比轮毂不同位置的应力应变状态以及与力学性能之间的关系，结果显示轮毂中累积应力应变越大的位置，其力学性能相对应力应变小的位置更佳。锻造铝合金具有比铸造铝合金更好的综合性能，但由于其成形工艺复杂、良品率低、制造成本高等原因，当前铝合金车轮制造仍以铸造为主。2汽车防撞梁用铝合金
汽车防撞梁是撞击时吸收和缓和外界冲击力、保护车身及乘员安全功能的安全的重要装置，在保证汽车碰撞安全性及舒适性的前提下，既能有效减轻汽车自重，又能控制成本成为热门课题。通过合金成分优化，热处理工艺以及结构优化可减轻车身质量的同时满足其安全性能的要求，并且铝合金防撞梁有比钢材料防撞梁更加优异的吸能性能[10]。挤压是制造防撞梁的典型方法，也可以用板材通过弯曲折叠等加工而成，型材多用6063、7021、7029、9129等合金挤压。万银辉[11]等采用有限元分析软件LS-DYNA分析6061铝合金防撞梁的碰撞性能，结果显示在相同的碰撞试验条件下铝合金横梁相比钢制防撞梁有更好的吸能性，且能够在较大的速度范围内保持较高的吸能性能。杨鄂川[12]等采用有限元方法分析了汽车防撞梁冲压工艺对性能的影响，并优化其冲压工艺参数，工艺优化后板料成形的回弹及较小厚度均得到有效控制：防撞梁两端严重回弹区域明显减小，板料成形质量得到改善，尤其是侧壁和底面部分的拉延都更加充分，成型质量显著提升。
目前国内铝合金保险杠刚刚起步，般横梁为铝合金吸能盒、底板等零部件多为钢。要提高保险杠横梁的防护能力则须提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力与材料的强度和厚度都呈正比。但在车身结构设计中，不可能通过无限增加钢材厚度达到提高材料吸能量的目的[13]，因此，需要通过合理选材，优化结构设计等方法达到质量轻，便于拆装更换，维修简便；制造工艺要简单，成本低等要求。研究表明经过合理设计的铝合金保险杠横梁不仅比钢制保险杠横梁更轻，而且可以吸收更多的能量。徐中明[14]徐等通过Hyperstudy和LS-DYNA优化防撞梁设计，设计梁吸能效果达到钢制防撞1.9倍铝合金防撞梁，且其减重效果达38.4%。冯源[15]等研究的保险杠由横梁和吸能支架两部分组成，针对低速碰撞下保险杠横梁纵向抗弯性能不足的缺陷，通过优化其截面形状予以解决。汽车保险杠是汽车中重要的安全防护构件，制造商对保险杠的各项机械性能的要求往往比较高，汽车上的铝制保险杠防护构件的机械性能可通过热处理技术将其改善提高。近年来随着铝合金技术的开发，由于，具有很高的吸收冲击能的能力，密度小耐高温，防火性能强，易加工，可进行表面涂装处理等特点的泡沫铝合金作为一种新型的铝合金材料而被用于制造汽车保险杠。固体泡沫铝合金在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板。用这种材料制造的汽车保险杠，能够将两车相撞时产生的大部分碰撞能吸收掉,从而保护了汽车的安全[16]。
3车身用铝合金
在车体结构上，大多数采用无骨架式结构和空间框架式结构。这种结构零部件数量少，不需大型冲压设备，适用于多品种小批量生产，可缩短生产周期降低制造成本。汽车车身由框架、刚性材料、接头和罩壳板组成，用铝合金挤压型材和连接真空压铸接头自动焊接形成，比传统的钢体车身轻40%，机械强度提高40%[17]。铝合金在白车身及覆盖件上的应用能够有效减轻整车重量，从而达到节能减排，优化整车性能的目标。全铝车的车身主要由挤压型材和铝板壳体组成，轿车主要是板材，公共汽车主要用型材。对于车身板铝材除了要满足其性能和耐腐蚀性能要求之外还需具备良好地成型性能、表面平整性强、良好地焊接性能、优良的烘烤强化性。轿车车身板铝合金可用2xxx、5xxx、6xxx及7xxx合金轧制，除5xxx铝合金外其他三种铝合金的强度都在涂装烘烤时进一步提高。汪军[18]等采用不同的工艺对汽车用铝合金进行热处理，并进行了力学性能和耐腐蚀性能的测试与分析。结果表明，分级均匀化处理和自然时效后强化烘烤，可以明显提高汽
车用铝合金的力学性能和耐腐蚀性能。与常规均匀化处理相比，分级均匀化处理可使其室温抗拉强度增加14Mpa，自然时效后强化烘烤能提高其力学性能和耐腐蚀性能。代陈绪[19]通过对6系铝合金预时效处理工艺的研究，开发出能同时显著改善6xxx系铝合金车身板冲压成形性和烤漆硬化性的热处理工艺技术。结果显示：在固溶工艺550℃×10min处理后水淬，室温停放10min的铝板，较佳的预时效制度为140℃×12min，铝板经上述工艺制度预时效处理后的σ0.2≤142MPa，再经170℃×30min烤漆后其σ0.2≥225MPa。
4结束语
（1）汽车用材料的更新换代对提升汽车安全性能，节能减排降耗有着重要的意义，在交通工具回归自然的大趋势下，开高性能、轻质、节能、环保的铝合金材料将会得到更多的实际应用。
（2）我国汽车工业的持续高速发展，研制高性能汽车用铝合金对提高汽车工业的国际竞争力具有举足轻重的作用。
（3）铝合金材料是汽车工业现代化的优选材料，相关技术的研究开发也将得到越来越多的重视。
参考文献
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来源：Lw2016论坛文集
