摘 要 采用挤压铸造代替压力铸造生产铝合金车轮，不仅克服了压铸件内部容易形成气孔和氧化夹杂的缺陷，而且提高了成品率及材料利用率。介绍了铝合金车轮挤压铸造的模具结构及设计参数，分析了挤压铸造的工艺参数及选择依据。
关键词：铝合金车轮 挤压铸造 模具结构
目前，国内卡丁车(类似碰碰车)都从国外进口，其中铝合金车轮是一个重要零件。过去，国外采用压力铸造生产该铸件，铸件质量差，且成品率低，劳动强度大。针对该铸件的结构特点和性能要求，如何提高其产品质量、降低原材料消耗、节约能源、提高劳动生产率及降低铸件成本，是当前生产中的关键。从研制的情况可知，采用挤压铸造代替压力铸造是今后制造铝合金车轮行之有效的工艺。
1 车轮材料、要求及铸件设计
图1所示为铝合金车轮零件图。车轮不仅有较高的性能要求，而且形状十分复杂。
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，其余为Al。力学性能要求：σb＞276 MPa,σs＞115 MPa,σ＞4.4%,HB＞92。
该车轮内外形的尺寸精度较高，都应加放加工余量及余块。按挤压铸造工艺的要求，把形状复杂的车轮零件图设计如图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，把原来的阶梯轴孔设计成圆柱形中心孔，其直径为?φ30 mm，内壁斜度为3°［1］。
图2 车轮铸件图
2 模具结构及设计参数［1］
2.1 挤压铸造模具结构
铝合金车轮挤压铸造的模具结构如图3所示。它主要有凸模、右凹模、顶杆镶块和左凹模组成所要求的型腔。左凹模和右凹模分别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在下模板上，右凹模动模板经过侧缸在导柱上实施开启及闭合。
图3 车轮挤压铸造模具
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
采用2000 kN油压机改装进行挤压铸造，其工作过程是：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一定速度向下挤入型腔，压力达一定数值后保压；铝合金凝固后卸压，凸模通过工作缸的回程向上移动，顶杆镶块通过下顶缸从铸件内向下退出，直到全部脱离铸件之后，再用侧缸开启右凹模，取出铸件。
2.2 模具设计的主要参数
(1) 间隙 凸模与左、右凹模之间的间隙要适当。过小则因凸模与凹模的装配误差而相碰或咬住；过大则合金熔液通过间隙喷出，造成事故；或者在间隙中产生纵向毛剌，减小加压效果，阻碍卸料。合理的间隙与加压开始时间、加压速度、压力大小、工件尺寸及金属材料有关。根据实际生产经验，单边间隙取0.1 mm。
(2) 脱模斜度 合金熔液在凸模压力下凝固成铸件，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。由于铸件外形呈圆状，且分在左、右两片凹模，只要右凹模向右移动一定距离，铸件就易从左凹模取出，故不必设置脱模斜度。
(3) 排气 在左、右两片凹模完全闭合后，合金熔液因缓慢地浇入型腔，型腔中气体可基本排出。挤压铸造时，留在凸模导向部分的少量气体，通过凸模与凹模之间的间隙排出。
(4) 模具材料 挤压铸造是在一定的压力和一定的温度下进行的，不存在像压铸模那样受到金属液的冲刷。工作压力比压铸时高，只要求模具在高温下有一定的抗压强度即可。另外，为了防止与合金熔液接触的模具表面产生热疲劳裂纹，左右凹模、凸模及顶杆镶块均采用3Cr2W8V合金模具钢制造，热处理后硬度为HRC48～52，型腔表面进行软氮化处理。
3 挤压铸造的工艺参数
挤压铸造是铸锻结合的工艺，其生产工艺过程是：合金的熔化、模具的准备(清理、预热、喷涂润滑剂)、金属的浇注、液态金属的加压、压力的保持、压力的去除及铸件的取出等。
为保证铸件质量，须合理选择工艺参数［1～2］。
(1) 比压 压力大小对铸件的物理力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的单位压力是很重要的。如果比压过小，铸件表面与内在质量都不能达到技术指标；比压过大，对性能的提高不十分明显，还容易使模具损坏，且要求较大合模力的设备。挤压铸造试验是在2 000 kN油压机上进行的。试验证明，适合于本铝合金车轮挤压铸造的比压应在50～60 MPa范围内选取。
(2) 加压开始时间 从车轮挤压铸造试验的结果来看，其加压开始时的间隔时间过长，铸件的强度及伸长率降低。现用的开始加压时间是3～5 s，较为合适。
(3) 加压速度 挤压铸造要求一定的加压速度，在可能情况下，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，否则会使部分合金熔液的表面产生飞溅及涡流，使铸件产生缺陷，以及在凸、凹模之间的间隙中流出过多的合金熔液，形成难以去除的纵向毛刺。因此，必须使凸模缓慢地压入液态金属中。由于使用的油压机工作进给速度较慢，故利用工作行程的速度进行压制。
(4) 保压时间 压力保持时间主要取决于铸件厚度，在保证成形和结晶凝固条件下，保压时间以短为好。但是保压时间过短，则铸件内部容易产生缩孔，如果保压时间过长，则会延长生产周期，增加变形抗力，降低模具使用寿命。考虑本车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用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固，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，否则会延长保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂。对本车轮挤压铸造模具的预热温度为200～300℃，通常是用煤油喷灯进行加热。
(6) 合金浇注温度 浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影响。过低，合金极易凝固，所需单位压力大；过高，易产生缩孔。必须指出，挤压铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度高。一般希望把浇注温度控制在比较低的数值，因为挤压铸造时希望消除气孔、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，极少留在金属中，易于消除气孔。此外，也可减少缩孔形成机会，同时由于浇注温度较低，金属溢出较少，可减少毛刺。对本车轮挤压铸造的浇注温度选用720～740℃为最合适。
(7) 润滑剂 润滑剂的作用是保护模具，提高铸件表面质量和便于从模具内取出铸件。采用机油石墨润滑剂，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%机油中，搅拌均匀即可。用喷枪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 挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件的出模温度较高。为了防止高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放入砂堆中，待冷却到150℃以下时再取出空冷。
4 结 论
在汽车、摩托车及自行车等交通工具零件生产中，世界各国逐渐用铝合金代替钢质材料的系统工程研究是今后长时间需要解决的问题。铸造技术和热锻技术有机结合，形成1的挤压铸造成形工艺，在技术上和经济上明显优于压力铸造工艺。它特别适合于形状复杂、带有多孔或台阶形状类零件的成形，是一种具有较宽的适用性、较大推广价值及很有发展前途的工艺。