一種輕量化鎂合金輪轂液態(tài)模鍛成形工藝和模具

文/張利軍，劉長才，楊金嶺·中信戴卡股份有限公司

本文通過對鎂合金輪轂液態(tài)模鍛成形模具進(jìn)行設(shè)計和液態(tài)模鍛鎂合金輪轂成形工藝的研究，介紹了液態(tài)模鍛成形工藝技術(shù)特點和工藝流程，并揭示了鎂合金輪轂液態(tài)模鍛成形的優(yōu)越性。

汽車輪轂是汽車懸掛系統(tǒng)的重要運動安全部件，同時還負(fù)擔(dān)著承載車體重量，傳遞扭矩和動力，對地面的沖擊和輪胎熱量散失等功能。鎂合金材料輪轂由于有足夠的剛度和強(qiáng)度以及良好的導(dǎo)熱性能、輕量化、外型美觀受到市場青睞。國內(nèi)傳統(tǒng)鎂、鋁合金輪轂毛坯制造大都是低壓鑄造，中信戴卡公司是國內(nèi)第一家鋁合金輪轂低壓鑄造量產(chǎn)企業(yè)。低壓鑄造鋁合金輪轂因為價格低，在國內(nèi)外深受客戶青睞，但因為低壓鑄造技術(shù)本身的原因，其生產(chǎn)中不時會出現(xiàn)氣孔、夾雜等不可避免缺陷，質(zhì)量控制難度大、成品率比較低、性能較差。

近幾年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，液態(tài)模鍛成形技術(shù)在企業(yè)中逐漸推廣應(yīng)用，我司在這方面進(jìn)行了鎂合金輪轂液態(tài)模鍛成形工藝探討和模具設(shè)計研究。輪轂液態(tài)模鍛成形生產(chǎn)周期短、模具少、設(shè)備占用時間少。

液態(tài)模鍛也叫擠壓鑄造，國內(nèi)傳統(tǒng)鋁合金輪轂毛坯制作大都是低壓鑄造，鎂合金輪轂液態(tài)模鍛工藝是介于低壓鑄造工藝和鍛造工藝之間的一種輕合金輪轂成形工藝技術(shù)，它是通過將熔煉后的液態(tài)金屬擠壓入熱態(tài)模具中，金屬液體在模具的壓力作用下將從液態(tài)流變充型到結(jié)晶凝固變成固態(tài)毛坯的一種金屬成形方法或過程。它有鍛造工藝產(chǎn)品性能好、組織致密度高的優(yōu)點，同時兼有鑄造工藝的工藝簡單、容易成形的特點。鎂合金輪轂液態(tài)模鍛技術(shù)的特點是，內(nèi)部組織致密度高，晶粒細(xì)化，表面光滑，一次成形生產(chǎn)效率高，材料消耗低，節(jié)能環(huán)保。

鎂合金輪轂液態(tài)模鍛技術(shù)的優(yōu)點是：⑴車輛加速更快、制動距離更短、控制性能更好；⑵鎂的高導(dǎo)熱性使得鎂輪轂散熱更快；⑶鎂的高阻尼特性使得鎂合金輪轂具有高的吸振率，使得車內(nèi)噪聲更小。鎂合金輪轂實物圖見圖1。

圖1 鎂合金輪轂實物圖

鎂合金輪轂液態(tài)模鍛工藝

一般通過五道工序來完成鎂合金輪轂的液態(tài)模鍛工藝：熔煉→澆注→加壓→保壓→脫模。為了實現(xiàn)以上的工藝，一般使用鋁合金輪轂的傳統(tǒng)生產(chǎn)裝置來進(jìn)行生產(chǎn)?？紤]到鎂合金和鋁合金之間存在差異，適用于鋁合金的生產(chǎn)裝置未必適用于鎂合金。因此需要開發(fā)專門的模具來進(jìn)行液態(tài)模鍛成形。

模具結(jié)構(gòu)組成

如圖2 所示，本模具由1-彈簧、2-螺栓、3-上大板、4-頂桿固定板、5-導(dǎo)柱、6-上連接板、7-上模固定板、8-連接螺桿、9-大頂料桿、10-上模芯(動模)、11-鎂合金毛坯、12-邊模(動模)、13-固定板、14-液壓缸系統(tǒng)、15-邊模導(dǎo)軌、16-壓板、17-底板、18-更換件、19-下頂桿、20-導(dǎo)套I、21-下模(靜模)、22-電加熱裝置、23-小頂桿、24-鎖模塊、25-導(dǎo)套II、26-卸料板、27-毛坯托盤、28-澆注液等組成。

圖2 液態(tài)模鍛模具結(jié)構(gòu)示意圖

液態(tài)模鍛模具結(jié)構(gòu)和作用

本結(jié)構(gòu)的特點包括：彈簧置于導(dǎo)柱中，頂桿固定板通過螺栓將大頂料桿和小頂桿固定于卸料板上，上模芯(動模)通過連接螺桿固定在上模固定板中，液壓缸系統(tǒng)起到將邊模(動模)合模和分模作用，固定板起到固定液壓缸系統(tǒng)輔助邊模(動模)合模和分模作用，邊模導(dǎo)軌與壓板連接，壓板與下模(靜模)、底板通過螺栓連接，導(dǎo)套I 與底板通過螺栓連接。

本模具裝置利用液壓缸系統(tǒng)和邊模導(dǎo)軌多項合力作用將邊模(動模)合模和鎖緊。巧妙的利用卸料頂出機(jī)構(gòu)(彈簧、卸料板、大頂料桿、小頂桿)解決了毛坯無法脫模問題。液壓缸系統(tǒng)通過PLC 來控制，并且設(shè)置為液壓缸活塞桿活動與壓力機(jī)滑塊動作配合吻合。在毛坯內(nèi)壁單面留加工余量1.5mm，毛坯外壁單面留加工余量2mm。

本模具裝置基于鎂合金輪轂液態(tài)模鍛設(shè)計和工藝，實現(xiàn)液態(tài)模鍛模具少，毛坯內(nèi)部組織致密、晶粒細(xì)化的特點，成品輪轂性能達(dá)到要求。

液態(tài)模鍛模具具體工作

模具工作前預(yù)熱溫度300℃，將機(jī)臺上的熱態(tài)模具成形表面噴涂水基潤滑劑。利用液壓缸系統(tǒng)多項合力作用將邊模(動模)合模和鎖緊(液壓缸系統(tǒng)動作需要通過PLC 來控制，并且一定要保證液壓缸活塞桿活動與壓力機(jī)滑塊動作配合吻合)，熔煉后熔融的液態(tài)鎂合金注入鎂合金輪轂液態(tài)模鍛模具型腔。在壓力機(jī)滑塊帶動下導(dǎo)板和頂桿固定板帶動上模芯(動模)下行壓實，并擠壓熔融的鎂合金液態(tài)流變充型經(jīng)過保溫保壓結(jié)晶凝固變成固態(tài)毛坯，如圖2a、圖2b 所示。

在壓力機(jī)滑塊帶動下導(dǎo)板和頂桿固定板帶動上模芯(動模)上行，在液壓缸系統(tǒng)作用下邊模(動模)分模，并在下頂料器作用下將毛坯脫離下模(靜模)當(dāng)達(dá)到毛坯脫模高度后，壓力機(jī)上頂桿作用于卸料板，其帶動大頂料桿和小頂桿將毛坯頂出上模芯(動模)落到毛坯托盤(圖2c、圖2d)，當(dāng)壓力機(jī)上頂桿回上位時，在彈簧作用下卸料板回位于上大板位，等待下一次工作狀態(tài)。

本套模具在液態(tài)模鍛過程中，材料采用AZ80 鎂合金，其化學(xué)成分見表1。隨后采用表2 的溫度、保壓時間和擠壓壓力來進(jìn)行生產(chǎn)?？梢姳咎啄＞吣軌?qū)崿F(xiàn)較好的輪轂性能，具有很好的實際效果。

表1 AZ80 鎂合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 鎂合金輪轂液態(tài)模鍛工藝參數(shù)

結(jié)束語

本文就鎂合金輪轂液態(tài)模鍛模具設(shè)計和成形工藝展開探討，研究分析表明：鎂合金輪轂液態(tài)模鍛模具結(jié)構(gòu)緊湊，成形工藝優(yōu)良，毛坯細(xì)化內(nèi)部晶粒、組織更致密，成品性能達(dá)到客戶要求，鎂合金輪轂液態(tài)模鍛工藝可行，制造輪轂過程周期縮短，減少了設(shè)備和人力時間的占用，可成為輪轂行業(yè)降低成本、提高性能、優(yōu)化工藝很好的方法。