轿车铝轮毂铸造生产工艺及车间设计

铸造生产

2003年第1期2003年

2月

铸造设备研究

RESEARCHSTUDIESONFOUNDRYEQUIPMENT

Feb.2003 1

应用技术

轿车铝轮毂铸造生产工艺及车间设计

范宏训,饶群章

(湖北汽车工业学院材料工程系,湖北十堰442002)

摘 要:介绍了铝轮毂铸造生产工艺及铸造车间改进设计。新方案明显改善生产条件,提高了生产率。 关键词:铝轮毂;铸造工艺;车间设计

中图分类号: U463 343;TG292 文献标识码:A 文章编号:1004-6178(2003)01-0032-03

TheCastTechnologyandtheDesignofWorkshopforAluminumWheel

FANHong xun,RAOQun zhang

(Dept.ofMaterialEngineering,HubeiAutomotiveIndustriesInstitute,Shiyan442002,China)

Abstract:Thecasttechnologyandtheimprovementdesignofworkshopforaluminumwheelwereintroducedinthisarticle.Thenewdesigncanproducecastingsmoreeffectively,andimprovetheproductcondition. Keywords:aluminumwheel;casttechnology;designofworkshop

中国经济的持续发展和人民生活水平的提高,促进了汽车工业的迅速发展,尤其以轿车的增长率最快。轿车轮毂是汽车重要的保安性零件,有较高

强度和韧性要求。早期国产轿车采用钢质轮毂,由冲压、焊接而成,近几年来对汽车轻量化及美观要求在提高,铝轮毂的应用逐渐增加,另外,铝轮毂的导热性比钢质的要好,可降低轮胎使用过程中的温度、提高其寿命。目前国内中、高档轿车及部分微型车采用铝轮毂。在汽车工业发达的国家,铝轮毂的应用有较长的历史,制造技术很成熟。我国从九十年代初期引进该项技术,现有五家较大规模的汽车铝轮毂厂,以外资、合资为主,除供应国内市场,部分产品返销国外。国内轿车产量的增加及国产化的需要,铝轮毂的需求量也会大增,基于实践经验,以年产15万辆轿车配套项目,即75万件铝轮毂铸件为对象,对原铝轮毂铸件基地进行改建。1 铝轮毂的生产流程

铝轮毂生产的主要工序包括:铸造、热处理、机加工及检验涂装。物流过程为:铸造!固溶时效处理!非加工表面清理!机加工!检验!清洗和涂装。铝轮毂铸件可采用重力铸造或低压铸造成型工

收稿日期:2002-11-03

艺,与之相对应的铸造机械、模具结构及车间布置也有所不同,以下介绍重力铸造生产工艺及铸造车间改进设计相关问题。2 铝轮毂铸造工艺分析2.1 铝轮毂材料及性能特点

铝轮毂材质一般选用A356,相当于国内牌号ZL101A,其中镁量取上限,含铁量要求:w(Fe) 0.2%。该合金凝固温度范围:615#~550#,体收缩率约6.0%,由于合金凝固温度范围较宽,体收缩值较大,铸造时需采用冒口补缩,铸件生产主要缺陷是因缩松而引起漏气。

铸件在加工前需进行热处理,采用T6处理工艺,即固溶、完全人工时效。铸件起模后即可直接入热处理炉内,节省时间和能量。为获得分布理想的Mg2Si相组织,需严格控制固溶及时效处理温度和时间,工艺参数选择:530# 5#(2.5h)+180# 5#(1.5h)。产品机械性能要求: b%220MPa、%5%、HB60~HB100,不允许漏气;产品进行冲击、疲劳试验抽样检查,需符合性能要求。2.2 铝合金的熔化处理工艺

铝合金熔化设备可选用感应电炉或燃气炉。铝

作者简介:范宏训(1964-),男,硕士,讲师,主要从事铸造合金熔炼及模具设计等。

铸造生产

轮毂铸件较大,每型金属用量(铸件、浇冒口)大约12kg~16kg,周期4min/件~5min/件。生产中多采用燃气炉熔化(500kg/h或1000kg/h)。一台燃气炉可供应四台铸造机。相比较而言,燃气炉具有高效、节能、成本低的优势,同时铝液的氧化少,减少后续处理的时间和材料消耗。

为简化熔炼操作过程、保证合金成分的准确性,原材料采用成分合格的铝合金锭,废品及浇冒口可直接回用,但切屑不可回炉。在使用燃气熔化炉时,采用盐类除渣剂每班两次除渣。熔化炉的前端设置有两个串通的小熔池,第一个池内设有旋转精炼除气装置,连续地将氩气吹入铝液中进行脱气处理,并加入Al-Sr中间合金变质处理。通氩气处理精炼工艺简便、可靠,铝液质量好;氮气价廉,但处理后铝液质量较氩气的差;氯氮混合气体因为有毒和腐蚀性,国内很少用。每班检查两次铝液成分,每两小时检查铝液中气体含量。处理后的铝液流到另一个熔池内,供浇铸用,熔池温度即铝液出炉温度,控制在730# 10#范围内.2.3 铸造工艺设计

2 3 1 浇注位置的确定

铝轮毂的浇注位置有两种可选方案;其一,轮幅位于顶部,轮缘置于侧面,这种布置方案利于建立由下而上顺序凝固温度场,可有效防止轮缘部位的缩松缺陷、同时可减小轮缘部位的设计壁厚、冒口的体积;其二,轮幅位于下部,其利弊与方案一相反。铝轮毂的轮幅是主要承受力区域,属重要部位,浇注时应放在下面,重力铸造生产中采用第二方案,如图1

所示。

原则,提高冒口补缩效率,有利于提高铸造工艺出品率。但这种浇注方式易于引起氧化夹杂,不适用于轿车轮毂铸造。汽车铝轮的质量要求严格,同时汽车铝轮的轮缘较高,不宜采用顶注式,而应选择阶梯式或缝隙式内浇口。内浇口设计在两轮辐之间,铝液对称性地流向浇口对侧。内浇口处因金属液热作用时间长,模型在此部位的温度较高,增大该处的接触热节,生产中内浇口附近容易出现缩松缺陷,可采用阶梯式缝隙内浇口设计,避免与铸件下部厚壁处的接触,也可采取局部强冷措施来消除其影响。在采用图1位置浇注时,铝轮毂铸件铸造热节分离,轮幅、轮毂中心设置一圆柱形中间冒口,补缩轮毂中心部位,冒口体位于型芯内;轮缘上部均匀设置几个椭圆形扁冒口,补缩轮幅、轮缘收缩,冷却水管布置在铸型底部,浇铸后通水冷却。通过控制模具预热温度、通水冷却时间可以有效调整铸件冷却凝固时的温度场,使铸件由下向上顺序凝固,防止出现缩松。

采用封闭开放式浇注系统,可减小充型速度、防止铝液飞溅、减轻铝液的氧化。过滤网放在浇口杯内,可减缓流速,也可阻止氧化膜进入型腔。阻流面设在直浇道,为方便模型加工,直浇道设计为梯形截面,布置在侧模型一边。直浇道前端应留有延长段、并开设排气槽,以利于排气和储存前期含气、渣的低温铝液。

为减少铝液流经直浇道时的热损失,在直浇道处铸型接合面上可留2mm~3mm的间隙,浇注时,铝液首先填满间隙,使直浇道周围铸模升温,这样可保证铝液充型温度符合要求。根据生产经验,模具的预热温度、浇注时间对铸件质量的影响大,应严格控制。

依据生产经验,选定的工艺参数为:侧模上部温度高于500#,底部型温度尽可能维持低些,但不能出现冷隔,一般控制在280#~300#;F内=410mm2,F直=375mm2[(30+20)/2&15mm2],浇口杯直径110mm,浇注时间 =13s~15s。浇注系统的设计影响充型方式及铸件凝固时的温度场,合理的设计对防止铸造缺陷(氧化、夹渣)有利,应在实

图1 铝轮毂铸造工艺

践中不断改进、完善。

2.4 铝轮毂模具结构

在采用图1所示的铸造工艺时,其模具结构如图2所示。模具分四部分,开模时左右侧模分开,铝轮毂铸件随上型芯一起向上运动到一定高度时暂停,截断浇注系统后,继续上行,由顶杆将铸件顶出。

(下转第37页)

2 3 2 浇注系统的设计

内浇口的设计有两种可选方式。其一为顶注式:铝液由直浇道!环形横浇道!冒口!型腔,铝液从型腔的上部流入,类似雨淋式浇口。这种方式可减小铝轮铸件的设计壁厚,同时符合顺序凝固设计

铸造生产

53 55

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(上接第33页)

重力铸造机结构较简单,左右油缸带动侧模开合运动,顶部油缸抽芯及顶出铸件。铸造机尺寸:3

800mm&800mm,固定于转台上。

3 铝轮毂铸造车间改进设计

3.1 原车间布局中的问题

铸件生产以手工操作进行,一人操作一台铸造机,车间布置如图

图2 模具结构示意图

1 工作台;2 旋转台;3 熔化炉;4 铸造机; 5机械手6 淬火槽;7 冒口切割机;8 时效炉;9 固溶处理炉.

图4 改造后铸件生产车间平面图

3。铸造机距离熔化炉约4.5m,以四台铸造

机围绕熔化炉呈扇形排列,用手工端包浇注,每型金属液重约12kg~16kg,工人劳动强度大,效率低,车间占地面

1 工作台;2 熔化炉;3 铸造机4 淬火槽;5 冒口切割机.

3 2 2 铸件生产能力

铝轮毂铸件的凝固冷却时间一般为3.30min/件~4min/件,单机手工操作生产周期约5min/件~6min/件。正常生产过程中,转台周期约5min/周~7min/周,即平均每6h生产四个铸件。以每班有效工作6h计算,则每条线铸件日产量=6&40&3=720件/d(实际生产750~780件/d),以连续方式生产,年工作日取300d,每条生产线年产量为300&720=216000件。取铸件及机加工综合废品率12%,则每条生产线能保证年产19万件合格铝轮毂,四条相同的生产线即可满足75万件定额要求。3 2 3 熔化能力核算

以每小时生产铸件40件,每件铝液用量16kg~18kg,每小时铝液用量640kg~720kg,使用熔化炉(1t/h)能满足生产要求。4 结束语

改进后的车间布局改善了生产环境,能更好地保证铸件质量。实现了铸造、热处理过程的衔接,有利于节省时间、能源;实际使用证明设计符合要求,生产率高。

积大,物流程序不符合工序流程。原铸件生产

过程为:铸造!铸件水

图3 原铸造车间平面图

冷!切割冒口!热处理。为改善生产状况,增加产量,需要采用先进设备、技术,并调整铸件生产布局及工序。

3.2 铸造车间改进设计3 2 1 铸件基地新布局

为改善工作环境、提高生产效率、改进物流过程,使铸造和热处理能衔接起来,在新方案中将铸造机布置在旋转台上,如图4,当铸造机转到熔化炉附近位置时进行浇注,并在此处设有辅助浇铸装置,减轻了劳动强度。开模后,截断浇注系统,取下铸件,由机械手送入热处理炉内,充分利用铸件的余热,达到节能、省时效果,

减少铸件占用空间。

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