摘　要　采用擠壓鑄造代替壓力鑄造生產(chǎn)鋁合金車輪，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。介紹了鋁合金車輪擠壓鑄造的模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，分析了擠壓鑄造的工藝參數(shù)及選擇依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鋁合金車輪　擠壓鑄造　模具結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)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(chǎn)該鑄件，鑄件質(zhì)量差，且成品率低，勞動強度大。針對該鑄件的結(jié)構(gòu)特點和性能要求，如何提高其產(chǎn)品質(zhì)量、降低原材料消耗、節(jié)約能源、提高勞動生產(chǎn)率及降低鑄件成本，是當前生產(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輪行之有效的工藝。

1　車輪材料、要求及鑄件設(shè)計

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(fù)雜。

圖1　車輪零件圖

車輪材料的化學成分(質(zhì)量分數(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。力學性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。
該車輪內(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)雜的車輪零件圖設(shè)計如圖2所示的鑄件圖。由該圖可見，為便于從鑄件內(nèi)孔脫出及簡化模具加工，把原來的階梯軸孔設(shè)計成圓柱形中心孔，其直徑為�ⅵ�30 mm，內(nèi)壁斜度為3°［1］。

圖2　車輪鑄件圖

2　模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)［1］

2.1　擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)

鋁合金車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(jīng)過側(cè)缸在導(dǎo)柱上實施開啟及閉合。

圖3　車輪擠壓鑄造模具
1.上模板 2.凸模固定板 3.凸 模 4.導(dǎo) 柱 5.右凹模 6.右凹模動模板
7.墊 板 8.下模板 9.頂桿鑲塊 10.左凹模 11.左凹模定模板

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(shù)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(nèi)向下退出，直到全部脫離鑄件之后，再用側(cè)缸開啟右凹模，取出鑄件。

2.2　模具設(shè)計的主要參數(shù)

(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(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始時間、加壓速度、壓力大小、工件尺寸及金屬材料有關(guān)。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，單邊間隙取0.1 mm。

(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一定距離，鑄件就易從左凹模取出，故不必設(shè)置脫模斜度。

(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(dǎo)向部分的少量氣體，通過凸模與凹模之間的間隙排出。

(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(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，型腔表面進行軟氮化處理。

3　擠壓鑄造的工藝參數(shù)

擠壓鑄造是鑄鍛結(jié)合的工藝，其生產(chǎn)工藝過程是：合金的熔化、模具的準備(清理、預(yù)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。

為保證鑄件質(zhì)量，須合理選擇工藝參數(shù)［1～2］。

(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(nèi)在質(zhì)量都不能達到技術(shù)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(shè)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(yīng)在50～60 MPa范圍內(nèi)選取。

(2) 加壓開始時間　從車輪擠壓鑄造試驗的結(jié)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(xiàn)用的開始加壓時間是3～5 s，較為合適。

(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(jié)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(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。

(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(jié)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(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔，如果保壓時間過長，則會延長生產(chǎn)周期，增加變形抗力，降低模具使用壽命�？紤]本車輪的壁厚情況，擠壓鑄造的保壓時間選用12 s左右。

(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很快凝固，導(dǎo)致來不及加壓；但預(yù)熱溫度也不能過高，否則會延長保壓時間，降低生產(chǎn)率，同時也不利于噴涂潤滑劑。對本車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行加熱。

(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(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(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。

(7) 潤滑劑　潤滑劑的作用是保護模具，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(zhì)量。

(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℃以下時再取出空冷。

4　結(jié)　論

在汽車、摩托車及自行車等交通工具零件生產(chǎn)中，世界各國逐漸用鋁合金代替鋼質(zhì)材料的系統(tǒng)工程研究是今后長時間需要解決的問題。鑄造技術(shù)和熱鍛技術(shù)有機結(jié)合，形成先進的擠壓鑄造成形工藝，在技術(shù)上和經(jīng)濟上明顯優(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。

作者：上海交通大學(洪慎章);教育部高溫材料及測試開放試驗室(曾振鵬)。