文/李志，杨玉坤，杨金岭·中信戴卡股份有限公司
轮毂液锻工艺是介于铸造和锻造之间的一种金属成形工艺,通过将熔融的液态金属注入热态模具中,液态金属在模具外界的压力作用下,将从液态流变充型到冷却凝固结晶,再到变成固态毛坯。毛坯具有锻造产品的如性能好、组织致密、气密性好等优点,兼有铸造工艺简单、容易成形、正面花样多等优点。
一方面,由于车轮轮毂本身结构原因轮辋部位壁薄,所以不管是低压铸造或液锻都会造成成形过程中轮辋部位很难成形,组织性能、致密度仍不够强化,成品率低、易出现缺陷多。另一方面,我国经济的高速发展,工业化加快,生产过程中存在着大量的中高温余热,尤其冶金行业是耗能大户,如何合理利用工业余热将其变废为宝是一直以来要面对的技术问题。
技术内容简介
本技术目的在于提供一种铝合金轮毂液锻及热旋自动成形系统,克服现有技术中轮毂的轮辋壁薄及轮唇部位很难液锻或锻造成形部分,由液锻容易成形为短厚壁轮辋结构；将液锻成形的短厚轮辋毛坯部位后续通过热旋成形为轮毂最终壁薄轮辋结构。
提供一种铝合金轮毂液锻及热旋自动成形工艺方法,主要包括用于液锻成形的铝合金轮毂液锻模具,用于对通过铝合金轮毂液锻模具成形的热毛坯进行旋压以对轮辋进行塑性成形的热旋压模具,设有轨道的保温炉和机器人,其中机器人用于将从铝合金轮毂液锻模具顶出的热毛坯经过保温炉轨道转入热旋压模具。
工艺流程
A356铝合金轮毂液锻及热旋工艺流程包括熔炼、浇注、加压、保压冷却、脱模、保温、热旋压、热处理、机加工及喷涂。热旋压(亦简称为“热旋”）工序简要说明如下：
由于轮毂本身结构原因,轮毂的轮辋壁薄及轮唇部位很难液锻或锻造最终成形,通过加入热旋工序,将液锻成形毛坯的短粗轮辋部位加工成形为轮毂的最终轮辋结构。由于毛坯为高温状态,可以通过利用毛坯余热,节省前道工序热量损耗、降低加热成本,减轻旋压的难度；热旋后的热毛坯直接进入热处理炉,也同样可利用毛坯余热,节省前道工序热量损耗、降低加热成本。
热毛坯经过热旋后,材料拥有更高的致密性,明显增强力学性能。热旋后的轮辋部位晶粒由等轴晶转变成了纤维状晶粒,纤维间的宽度减小。在热旋过程中,轮辋中的金属晶粒会在三向变形力的作用下沿变形区域滑移面错移,滑移面各滑移层的方向与变形方向一致,因此金属纤维保持连续完整。
铝合金轮毂液锻模具
包括：下模部、侧模部、上模部。液锻模具装配主视图见图1,液锻模具装配开模浇注状态主视图见图2。
图1 液锻模具装配主视图
1-上模板 2-导杆(4 个） 3-导套(4 个） 4-弹簧(4 个）5-顶料杆 6、11、13、18、22、23、29-螺栓 7-上连接板8-上滑动板 9-大顶料杆 10-顶料杆 12-上模固定板14-侧连接板 15、30-风或水管及接头、16-侧拉杆17-边摸(4 个） 19-导向键 20-吊耳 21-风或水管接头24-风或水管 25-下中心顶杆 26-下模板 27-下模 28-上模31-平台 32-下顶块 33-液压缸支架 34-液压缸 35-液态铝水
图2 液锻模具装配开模浇注状态主视图
31-平台 32-下顶块 33-液压缸支架34-液压缸 35-液态铝水
按结构功能分类：
成形机构：边模、下模、上模；
开、合模机构：导向键、侧连接板；
导向机构：导杆、导向键；
卸料机构：弹簧、第一顶料杆、第二顶料杆、第三顶料杆、下中心顶杆、下顶块；
冷却系统：第一风或水管及接头、第三风或水管及接头、第二风或水管及接头、第四风或水管。
热旋压模具
热旋工序主要是对轮辋进行塑性成形,如图3所示,主要包括：旋压上模、旋压下模、置于旋压下模上的旋压托盘、从下方贯通旋压下模与旋压托盘连接的下顶杆连接块。
图3 热旋压模具装配主视图
101-旋压连接套 102-连接螺栓 103-旋压上模 104-旋压托盘105-旋压下模 106-托盘连接块 107-螺栓 108-下顶杆连接块
图4 液锻模具毛坯脱模状态主视图
36-成形毛坯 37-毛坯托盘 38-机器人
旋压连接套上端与设备(压力机）连接。旋压连接套与旋压上模通过螺栓连接,旋压托盘与托盘连接块及下顶杆连接块通过螺栓连接,其置于旋压下模上,旋压下模下端与设备连接。
铝合金轮毂液锻及热旋自动成形系统还包括热处理炉,经由热旋压模具旋压后的热毛坯直接进入热处理炉进行热处理。
由于高温状态下的金属毛坯容易变形,利用液锻成形的余热来减轻进行热旋压工艺时的难度,在热旋压工序后直接进入热处理炉,又可以尽可能回收液锻后毛坯自身约的余热,减少后序的热旋压成形难度并且能将液锻成形组织流线强化,可以节约热旋压工序能耗,提高能源利用效率。
工作过程
具体工作实施过程如下：
⑴模具工作前的预热温度大于280℃,喷涂润滑剂；
⑵边模(4个）合模。下中心顶杆下落归位；
⑶将适量熔融的铝合金(液态）浇注入边模(4个）和下模空腔；
⑷在压力机滑块带动下,上模下行；
⑸上模下行,使得在1200 ～1400t压力下挤压熔融的液态铝合金；
⑹保压时间50 ～60s；
⑺熔融的铝合金液态流变充型到结晶凝固,通过水冷或风冷变成固态毛坯,在近凝固状态时加压后对毛坯多次压制可提高毛坯性能。卸压后冷却时间为45 ～55s；
⑻在压力机滑块带动下,上模上行,达到毛坯脱模高度后,接着边模(4个）向外侧开模,随后液压缸的活塞杆伸出,将下中心顶杆顶起,毛坯被顶出落到托盘上。机器人将毛坯取走,经过保温炉轨道转入热旋压工序；
⑼热旋模具温度控制在250～350℃,旋压机主轴转速为450 ～700r/min,旋辊进给率为300mm/min。热旋压后热毛坯直接入热处理炉进行热处理,由于毛坯为高温状态,借助液锻后毛坯的余热,通过热旋压工艺减轻旋压的变形难度,节省前道工序热量损耗,降低加热成本,热旋压后直接入热处理炉,也同样节省前道工序热量损耗,降低加热成本；
⑽经过机加工、喷涂工序,得到成品轮毂。
一公斤铝合金从225℃降到室温25℃节省等于0.88×103×(225-25）=176×103焦耳热量,就按每个轮毂25公斤每个轮毂可省4400×103焦耳热量。如果按每年生产50万件轮毂计算可节省热量4400×103焦耳乘以500×103件换算后等于220×103千瓦·时(一年节省能耗）。换算成热旋工序一年工业电价可节省10多万元。后序热旋后热态毛坯直接热处理,即使按减少损失一半热量计算可节省5万多元。可见一年可节省电费15万多元。通过采用热态毛坯进炉,充分利用余温,可节省成本为0.3 ～0.5元/件。
结束语
本A356铝合金轮毂液锻和热旋压及处于热态时直接进入后序热处理炉相结合的工艺及轮毂技术效果：
⑴实现轻量化目的,轮毂内部微观组织更致密,晶粒更细化。
⑵产品表面更光滑,可得到更高的材料致密性,提高产品力学性能。
⑶材料消耗低,降低生产成本,取得了较好的经济效益,提供可行性技术解决方案。
⑷不仅节能环保,而且在确保产品安全性基础上,能大幅提高产品成形效率。
⑸通过余热利用,减轻旋压的难度,节省前道工序热量损耗,降低加热成本。
⑹热旋压后直接入热处理炉,也同样余热利用,节省前道工序热量损耗,降低加热成本。
