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金属型铸造铝合金YMH轮毂生产工艺研究

日期:2018-10-16 09:19

  基于ProCAST的铝合金轮毂生产工艺研究 Production process of Alloy wheels Based on ProCAST 张旭(Zhang Xu) 1 ,王建民(Wang Jianmin) 1 ,张康全(Zhang Kangquan) 2 , 朱云(Zhu Yun) 1 1,(合肥工业大学材料科学与工程学院)(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology) 2,(无锡雪浪车轮厂)(Wuxi Xuelang Wheel Factory) 摘要 通过分析了铝合金轮毂的优点、结构和性能,结合轮毂研发和生产过程,给出了铝合金轮毂的生产工艺。本次研究轮毂使用的材料为ZL101,采用了金属型铸造,通过ProCAST的数值分析对制定的生产工艺进行模拟和分析,预测该工艺方案的合理性。 关键词 铝合金轮毂;金属型铸造;ZL101;ProCAST Abstract: By analyzing the advantages of aluminum alloy wheels, structure and performance, combined with the development and production process, the production process has been given. The material used the ZL101. this study used the metal casting, simulating and analyzing for the production process by ProCAST,to forecast the rationality. Keywords: Alloy wheels Production ;Metal casting ;Zl101; ProCAST 1.绪论 轮毂是汽车和摩托车上极为重要的安全性能结构件。早期的轮毂均为钢板冲压加工成型,随着制造技术的进步和汽车摩托车轮毂轻量化的要求逐渐发展为铸造铝合金轮毂。此外,铝合金轮毂以其质量轻、散热快、减震性能好、轮胎寿命长、安全可靠、外观美丽、图案丰富多彩、尺寸精确、平衡好、再加工容易等优点在汽车工业中脱颖而出,发展潜力巨大。在汽车发达的国家铝轮毂的应用有很长的历史,制造技术早已成熟。我国从 20 世纪 90 年代开始引进该项技术。 [1] 此次课题是与无锡雪浪车轮厂合作,主要目的在于通过对踏板车 YMH 铝合金轮毂生产流程及金属型重力铸造工艺的研究,了解轮毂的生产过程及主要铸造工艺参数对金属成形质量的影响。 2 零件结构的铸造工艺性分析 2.1 零件结构分析 由于前后轮形状结构相近,故分析时以前轮为例。从下面的零件简图 2-1 中 可以看出,零件大体形状比较简单,为圆环状且结构对称,但是结构细节比较复杂,比如辐条上的圆形图案,中毂处的复杂结构,外围是圆形凸台,中间有三个正六边形截面的柱体,不仅壁厚过度较大,而且形状复杂,在此处的金属流动性较差,易出现浇不足和冷隔的铸造缺陷,此外还有中毂与辐条的连接处,轮辋与辐条的连接处,壁厚过度大,而且转角都为 90 度构成热节,这也是金属流动的薄弱环节,由于冷却凝固的收缩因素,在这些位置极易出现裂纹和浇不足。轮毂为摩托车的最大承重部位,需要在各种环境下使用,综合其力学性能,材料选用ZL101。 图2-1 踏板车YMH前轮零件简图 其中加工面为中毂的两个端面、轴承孔,辐条的两表面、轮辋,其中轮辋为最重要的加工面,需留较大加工余量。其余为非加工面。 该生产工艺采用金属型重力铸造,铸件的凝固收缩补偿只能通过建立顺序凝固必需的温度梯度来保证,因此必需在轮辐轮缘交接的热节处及中毂处设置冒口,而这样就导致工艺出品率降低,只有 40%60%。同时由于补缩的温度梯度较低,该方法的工艺过程必需得到严格控制才能保证产品质量,否则会产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。但是,该方法工艺简单易于控制,且所需设备投资少、生产成本较低,故采用了此种方法。 [2] 由于零件成型后任然需要机加工处理,因此在设计模具的时候已适当留下比较 大的加工余量,比如对于热节出现的部位设置比较大的圆角过渡,辐条上的柱体可适当增加高度,待机加工时切削至规定尺寸即可。 2.2 分型面的选择 分型面的选择首先要考虑铸件在金属中的位置。辐条为轮毂主要受力区域,浇注时要将其放在下方以保证工艺质量。轮毂为圆环状,总体的外形比较简单,且具有很好的对称性,故将分型面选择在轮辋的中心线处。如下图所示。 图 2-2 分型面 选择于此的理由为: (1)首先满足分型面为一平面,且此面为非加工面(辐条所在的平面为非加工面,除此外的所有面均需加工)以此为基准,可以保证基准面的尺寸精确; (2)其次方便起模,便于铸件的取出,该模具大体分为三个部分,上模、下模、边模。上下模具合模后,四块边模收拢将上下模抱紧。 (3)可以减少拔模斜度,保持尺寸精确。 2.3 浇注系统的设计 轮毂的轮辐为主要受力区域,为重要部位,浇注时应放在下方,保证其性能的稳定。轮辐与轮辋相交处是车轮的直接受力部位,属应力集中区,按车轮的使用要求,该处不允许有夹渣、气孔、缩孔、缩松等现象存在,因此,在浇注系统的设计中要保证该处最先冷却,轮辐与轮辋部位对该处要能充分补缩,也就是与该处要有一定的温度差。 [3] 由于轮毂为圆环形铸件,且轮辋高度较低,壁厚较薄,根据其零件结构特征以及综合考虑其经济性和实际生产,采用了带过滤网缓流式中心浇注。过滤网的参数为 16×18 网格,面积为 100×200mm 2 ,材质为 Fe。 采用中心凝固具有合理的铸型热分布,有利于铸型顺序凝固和补缩,浇道消耗铝液少,有利于提高工艺出品率,同时模具设计简单,制造方便。 由于采用中心浇注,浇注系统挡渣性能差,所以在铝液进入行腔前放置过滤网,让铝液先通过过滤网,可挡掉一部分熔渣。铁的熔点显然要高于铝液的温度很多,所以也不用担心过滤网融化进入型腔带来的污染。 2.4 冒口的设计 轮毂凝固方式为自下而上的顺序凝固,轮毂底部最先凝固,而中毂、轮辋为上部,最后凝固,需要设置冒口进行补缩。对于铝合金金属型重力铸造,一般采用热节法来计算冒口的尺寸。因铝合金密度小,100mm高的液柱静压力只有0.0267大气压,所以尽量采用明冒口。冒口的根部一般采用“缩颈”方式,以有利于冒口的切割。根据技术人员对车轮的生产时间经验确定,摩托车的冒口高度一般要大于轮辋高度的3/4,冒口都必须覆盖轮辐宽度。 轮辋的补缩采用的是边冒口: (1) 设置在辐条、热节部位,利于补缩; (2) 冒口的尺寸大小不一,辐条上方的冒口尺寸较大,辐条之间的冒口尺寸较小些,从而可以合理分配合金液,补缩效果更好; (3) 冒口设置在加工面上,这样在后续工作时可以节约铸件精整工时,零件外观好。 由于中毂处形状复杂,壁厚较大,且为最后凝固位置,故在其上方设置补缩冒口,达到补缩作用,且凝固后易切除。 合理设计冒口既有压力铸造中的集渣作用,又有对轮辋排气补缩的作用。铸造时铝液最后充填冒口,将铝液的开始进入行腔时产生的一些冷铝液、铝渣等推至冒口,并上浮至冒口上层。当铸件冷却时,冒口铝液最后,散热最慢,最后凝固,对整个轮辋进行充分的补缩,才能满足车轮的铸造成型工业要求。在保证铸件补缩良好的基础上,冒口尺寸要小,数量要少,以降低非生产性消耗。 2.5 基于ProCAST的轮毂热节分析 图2-3到图2-5分别为模拟时间由前到后的任意界面的固相分数的模拟结果显示情况。有图可看出,在固相分数增加的真个过程中,凝固顺序从该面的边缘像冒口的中心推移,既最后凝固的位置在冒口,这样有效的避免了铸件中缩孔缩松的产生,这也从热节方面验证了上述工艺的可行性。 [4] 图2-3 图2-4 图2-5 结论 通过对踏板车YMH前轮轮毂铸造工艺的学习,得到以下结论: 1、铝合金轮毂的形状复杂,热节多,在浇注系统和冒口的设计对冷却后的补缩起到明显作用,达到了较好的效果,满足需要; 2、采用ProCAST模拟软件,对该铝合金轮毂工艺方案的热节分析,验证了浇注系统和冒口工艺方案的合理性。通过对铸件的模拟,直观的反映出充型凝固的各种工艺参数情况。 参考文献 [1] 刘道春.铝合金轮毂奔向汽车的未来[J].有色金属加工,2010.34(2):1-4. [2]赖华清,范宏训.汽车铝合金轮毂的成形工艺[J].金属成形工艺,2002(6):38-59. [3]赵玉涛.铝合金轮毂制造技术[M].北京,机械工业出版社.2004.6. [4]朱昌盛,王智平,朱昌锋.基于ProCAST的铸钢大齿轮的热节分析[J].铸造技术,2004.97-98.

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