汽车铝合金轮毂的模具设计

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[摘 要]由于汽车铝合金轮毂是件,对质量要求较高,本身结构又适合于低压铸造,且需求量大,因此,极大地推动了低压铸造技术的发展.国内的铝合金轮毂制造企业多数采用此工艺生产.然而低压铸造件的质量受到很多因素的影响,如生产环境、工艺参数、模具结构及人工操作等因素,任何一个环节设计不合理或操作不当都有可能导致低压铸造件产生缺陷,模具设计尤为重要.

[关 键 词]低压铸造模具顺序凝固材料冷却系统

1低压铸造模具结构

铝合金轮毂低压铸造的模具结构,它主要有上模、下模和4个侧模组成所要求的型腔.上模和下模分别固定在上模板和下模板上,四个侧模分别连接在侧模油缸上,下模板用螺钉紧固在铸造机台上,上模板经过油缸在导柱上实施开启及闭合,侧模在油缸的作用下沿导向键方向实现开启及闭合.

2低压铸造的成型原理

在密封的保温炉内通入干燥的较低压力的压缩空气,保温炉内的铝液在气体压力的作用下通过与模具连接在一起的升液管缓慢而平稳地充填到模具的型腔中并保压一段时间直至铸件由轮辋至冒口位置顺序凝固,从而得到铸件的；铝合金凝固后卸压,先打开侧模,上模工作缸的回程向上移动使铸件脱离下模,上升到一定高度由顶料系统使铸件脱离上模落到承接铸件的托盘上.

3模具设计的主要参数

3.1模具材料

铝液温度一般在680～730°C的范围内.模具温度在低压铸造时更显得重要.从方向性凝固的观点来看模温分布是从浇口往上型方向变低,一般而言浇口480～520°C,下模400～450°C,侧模350～400°C,上模250～350°C.模具材质选择热作模具钢且现在模具的寿命要求在2.5万件/套,下模是整个产品造型保证的基本,热处理要求：先细化晶粒,再调质处理,硬度HR4-46,上模热处理要求：调质处理,硬度HRC28-32,通常上下模具选择H13,侧模基本为毛坯面需要最终精加工,硬度HB等于241-286,故大多选择35CrMo.

H13是热作模具钢,执行标准GB/T1299—2000.统一数字代号T20502；牌号4Cr5MoSiV1；合金工具钢简称合工钢,是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种.H13模具钢用于制造冲击载荷大的锻模,热挤压模,精锻模；铝、铜及其合金压铸模.系引进美国的H13空淬硬化热作模具钢.其性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同,但因其钒含量高一些,故中温（600度）性能比4Cr5MoSiV钢要好,是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号.

35CrMo合金结构钢执行标准：GB/T3077-1999,35CrMo合金结构钢,有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限,淬透性较40Cr高,高温下有高的蠕变强度与持久强度,长期工作温度可达500℃；冷变形时塑性中等,焊接性差.

3.2拔模斜度

铝液在模具中凝固成铸件,冷却后紧包在模具上.为了保证产品从下模脱离而不会损伤表面造型,下模的拔模斜度最小保证7°以上,铸件随上模带起以后需要在顶料系统的作用下脱离上模,最小的拔模斜度保证7°以上.

3.2保证铝液流通通道和排气

低压铸造是铝液通过压力由浇口位置流向轮辋,再由轮辋向浇口实现顺序凝固,由于充型过程中会存在铝液温度的损失铝液会凝固,若是铸造通道设计的不合理就会在轮辋部位和轮辋与辐条交接位置产生缺陷.在设计时要保证浇道位置和横浇道位置有足够的横截面积,以保证实现顺序凝固不会存在内部缺陷.细辐条比较窄横截面积小,轮辋与辐条交接位置会产生缩松,为保证产品质量,在大辐条和小辐条中间的窗口位置加一个封层（增大毛坯加工余量）增大铝液通道.

模具的排气系统包括上模的排气塞和排气线设计,边模的排气线设计.排气系统使模具在低压条件下保证内部压力梯度和在上下模和侧模闭合后,铝液通过压力流入型腔过程空气排出,是铝液充填顺畅的关键部分及避免出现气孔和欠铸现象.

3.4模具的冷却系统

冷却系统使模具在铸造生产过程中保证模具工作状态时达到合理的蓄热量和顺序凝固从而保证铸件达到产品图样的冶金要求.包括上模,下模和侧模中的冷却设计,目前冷却方式为风冷,水冷,水雾冷却.目前大多工厂使用风冷方式,但是模具在现场铸造生产过程中,因轮毂铸件安装盘位置比较厚,在冷却过程中,会形成很大的热节.为了提高现有模具生产效率,位置冷却强度,部分工厂开始研发水雾冷却新结构模具.水雾冷却结构各项指标,能达到模具现场铸造使用要求,其连续生产的稳定性和有益效果.轮毂铸件安装盘位置的水雾急速高强度冷却,使合金溶液快速凝固提高了铸件凝结组织致密性,材料延伸率提高2%～3%.为提升产品综合物理性能,实现产品轻量化作技术准备.

3.5模具的配合间隙

如何保证模具的使用性能是自模具设计开始之初就必须考虑的问题之一,因此与模具使用相关的部件配合公差关系、导向机构、顶出机构等的设计是够合理,模具加工是够保证尺寸和公差要求非常关键.因此模具各部件之间的间隙要适当,过小则因装配误差而相碰或咬住；过大则合铝液通过间隙喷出,造成事故；或者在间隙中产生纵向毛边,减小加压效果,阻碍卸料.在模具设计时应充分考虑到模具材料的热膨胀,例如H13的热膨胀系数为6‰,在设计上下模配合间隙时通常冷模合模后修正模具保证上下模间有0.3mm的间隙保证在热状态下不会产生毛边.在设计模具的导向机构是要根据模具使用厂家的设备情况,若是设备老化严重会影响精度就会下降,导向机构配合间隙过小会是导柱拉伤影响模具的运作,在设计时应加大配合间隙.

4结语

合理的模具结构与铸造工艺相结合是保证产品质量和性能的前提.分析实际生产过程中存在的问题点,不断的改进,根据不同轮毂制造厂家的特点设计出更适合现场生产的模具是今后的努力方向.