摘要：在铝合金轮毂结构工艺性分析的基础上，针对直接冲头挤压铸造的铝合金轮毂易出现缩孔和缩松等缺陷的问题，对挤压铸造工艺过程进行了试验研究。结果表明，采用浮动阴模挤压铸造工艺制造可避免铝合金轮毂缩孔和缩松等缺陷。
关键词：铝合金轮毂；浮动阴模；挤压铸造
挤压铸造是使金属液在较高的机械压力下充型、凝固并产生一定的塑性变形，从而获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精确、组织致密、晶粒细小、力学性能优良的铸件。挤压铸造作为一种铸造和锻造相结合的工艺，具有铸造工艺简单、成本低、质量可靠、性能高等特点，是高性能铝合金铸件的首选成形工艺。
铝合金轮毂作为车辆主要承载件之一，不但要承受车辆的自重载荷，而且还要承受车辆因启动、制动、转弯、石块冲击和路面凸凹不平等产生的不规则应力，所以对轮毂内部质量有较高的要求。本课题针对直接冲头挤压铸造工艺制造的铝合金轮毂铸造热节处易出现缩孔和缩松等问题，对铝合金轮毂浮动阴模挤压铸造工艺进行了研究。
１铝合金轮毂结构工艺性分析
铝合金轮毂结构工艺性是指铝合金轮毂对挤压铸造工艺的适应性。铝合金轮毂毛坯的结构工艺性有如下特点：①铝合金轮毂的结构为轴对称旋转体，模具加工方便，挤压铸造过程中金属液充型及受力均匀；②铝合金轮毂的轮缘内侧非加工面与脱模方向一致，脱模方便；铝合金轮毂的轮缘外侧加工面随金属液在挤压铸造过程中的凝固和收缩有脱离型壁的趋势，所以留有较小的铸造斜度便可实现脱模；③铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处为圆角，可以防止金属液在凝固和收缩过程中由于应力集中出现裂纹；④铝合金轮毂的轮缘与轮辐结合处存在铸造热节，轮毂中心部位的厚度尺寸大于轮辐部位的厚度尺寸，这些部位在挤压铸造过程中可能出现缩孔和缩松等缺陷。
２直接冲头挤压铸造铝合金轮毂
２．１模具结构和工艺过程
根据铝合金轮毂的结构，目前生产中采用阳模和阳模外套直接施压于铝合金轮毂的轮缘外端和内表面的直接冲头挤压铸造工艺。由于挤压铸造过程中，阳模外套１和阳模３在铝液上部施加压力，由于压力在传递过程中的消耗，尤其是已经凝固的金属外壳阻止阳模外套１和阳模３下降，铝合金轮毂最后凝固的铸造热节处补缩压力较低，容易出现缩孔和缩松等缺陷。
２．２凝固过程数值模拟
采用计算机数值模拟技术，分析和观察铝合金轮毂的凝固过程和铸造缺陷生成部位。将阳模、阴模、阴模外套和温度等作为边界条件。模具温度为２００℃时，采用ＪＳＣＡＳＴ、ＰｒｏＣＡＳＴ软件的凝固模拟结果可见，轮毂模具温度为２００℃时，ＪＳＣＡＳＴ和ＰｒｏＣＡＳＴ软件模拟的铸件最后凝固部位均在壁厚较厚处。采用Ｇ／Ｒ１／２判据预测，轮缘和轮辐的过渡处、轮毂中心部位的Ｇ／Ｒ１／２值较小，产生缩孔和缩松缺陷的倾向较大。
２．３内部质量
直接冲头挤压铸造铝合金轮毂缺陷的宏观组织可见，铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处存在缩孔和缩松等缺陷，与数值模拟结果一致。
３浮动阴模挤压铸造铝合金轮毂
３．１模具结构和工艺过程
针对直接冲头挤压铸造铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处、轮毂中心部位易出现缩孔和缩松等缺陷的问题，可在铸造热节附近直接施压。从挤压铸造方式上可能采取的措施如下。
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３．１．１二次补压工艺
在直接冲头挤压铸造的基础上，当阳模和阳模外套整体完成铝合金液的充型和对铝合金液短暂保压后，启动液压机下顶出缸，通过与其连接的顶塞５进行局部补压。但由于液压机下顶出缸的顶出压力远远小于上滑块的压制压力（一般为上滑块额定压力的１／４），采用下顶出缸通过顶塞对铝合金轮毂底部铸件热节处直接施压的挤压铸造比压较低，并且施压部位距轮缘和轮辐过渡处位置较远，所以补压效果不佳。
３．１．２采用柱塞挤压铸造工艺
将铝合金轮毂由“正置（空腔朝上）”改为“倒置（空腔朝下）”，其挤压铸造方式为柱塞挤压铸造工艺。柱塞挤压铸造铝合金轮毂的成形是在向型腔内浇注金属液过程中实现的。由于阳模加压时金属液基本上不充型，所以加压效果较差。
３．１．３浮动阴模挤压铸造工艺
浮动阴模挤压铸造工艺是利用液压机上滑块的压制力在铝合金轮毂底部的铸造热节附近施压。浮动阴模挤压铸造铝合金轮毂的模具结构可见，浮动阴模挤压铸造过程中，铝合金液浇入型腔后，阳模外套１、阳模３整体随液压机上滑块下降，阳模外套１和阴模外套２接触后，蝶形弹簧５被压缩，阴模外套２和阴模４发生位移，阴模４在靠近铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处、轮毂中心部位对铝合金液施加压力，实现铝合金轮毂加压凝固成形。由于浮动阴模挤压铸造实现了对铝合金轮毂铸造热节处直接施加较大的补缩压力，有利于消除铸件的缩孔和缩松等缺陷。挤压铸造结束后，上升液压机上滑块，阴模外套２在蝶形弹簧５作用下复位。
３．２内部质量
分别采用浮动阴模挤压铸造工艺、直接冲头挤压铸造工艺制备铝合金轮毂类铸件，对浮动阴模挤压铸造工艺的合理性进行验证。制备过程中采用的挤压铸造比压均为８０ＭＰａ，浇注的铝液采用电子计重秤称重。２种工艺方法制备的铝合金轮毂铸件的宏观组织可见，直接冲头挤压铸造铝合金轮毂类铸件的轮缘和轮辐过渡处存在缩孔和缩松等缺陷，其原因在于挤压铸造过程中的等静压和变形力发生变化。这是因为：①挤压铸造过程中的等静压是指液压机施加于金属液的实际压力。一般来说，压制压力越大，金属液承受的等静压越大。但由于铝合金轮毂外侧紧贴型腔内壁，二者之间产生摩擦力，造成铝合金轮毂的正压力沿轮缘高度方向分布不均匀。铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处距阳模外套１较远，承受的等静压较低，易出现缩孔和缩松等缺陷。②挤压铸造过程中的变形力是指使已凝固的结晶硬壳产生塑性变形的力。随着挤压铸造时间延长，铝合金轮毂的轮缘部位结晶壳层不断增厚，塑性变形所需的变形力不断增加，压力损失不断变大，致使铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处等铸造热节的补缩压力不足，易出现缩孔和缩松等缺陷。浮动阴模挤压铸造铝合金轮毂类铸件无缩孔和缩松等缺陷。这是因为：①利用液压机上滑块的压制力对铝合金轮毂底部的铸造热节处施压，等静压较大；②利用阴模在铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处等铸造热节附近施压，变形力较小。
结论
（１）采用直接冲头挤压铸造工艺制造铝合金轮毂，是利用液压机上滑块的压制力在铝合金液上部施加压力，由于压力传递过程中的消耗，尤其是轮缘处的结晶外壳阻止阳模和阳模外套下降，致使铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处、轮毂中心部位等铸造热节处出现缩孔和缩松等缺陷。
（２）采用浮动阴模挤压铸造工艺制造铝合金轮毂，是利用液压机上滑块的压制力在靠近铝合金轮毂的轮缘和轮辐过渡处、轮毂中心部位等铸造热节处施加较大的压力，消除了该部位的缩孔和缩松等缺陷。
参考文献：
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论文作者:高雷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：轮毂论文; 铝合金论文; 轮缘论文; 缩孔论文; 轮辐论文; 工艺论文; 缺陷论文; 《基层建设》2019年第4期论文;