本发明属于汽车铝合金转向节材料成型技术，特别涉及一种用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节的方法。
背景技术：
转向节是汽车转向系统中的关键零件，它与汽车悬架、前车轴、转向系统以及制动器总成相连，具有承载汽车前部载荷，支撑并带动前轮绕主销转动从而实现汽车灵活转向的作用。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷。转向节的安全可靠性直接影响着整车的行驶可靠性以及车载人员的生命安全，其在汽车零部件生产工业中具有十分重要的地位。汽车行驶过程中转向节会受到各种随机载荷的影响，此外，转向节的结构参数、材料属性、生产工艺等因素也存在不确定性，这些随机因素的存在使得转向节的可靠性要求非常高。属于汽车的安保类部件，其安全等级为Ⅰ，转向节主要失效方式为疲劳破坏。因此对汽车转向节的力学性能要求非常高。按汽车前轴两端结构不同，可分为拳形和叉形两种，与之配合的转向节则相应为叉形和拳形结构。用本发明专利生产转向节为叉型结构。传统汽车转向节主要由球墨铸铁铸造而成。为了汽车轻量化和提高簧下性能，国外自十年前左右开始研发高性能铝合金转向节，目前欧美、日本等许多汽车已规模化使用铝合金转向节，由现有的铸铁件、锻造件向铝合金精确铸造新产品的升级换代，以实现转向节产品的轻量化、高性能化和低成本化。日本用立式挤压铸造机生产铝合金转向节已有多年历史，工艺过程严格保密，没有可借鉴的资料可查。欧洲某些汽车生产大国铝合金转向节的生产以锻造为主，部分采用差压铸造。转向节是汽车锻件中最难生产的锻件之一，其锻造设计水平代表了汽车锻件的最高设计水平。转向节在锻造分类上属于枝杈类锻件，而且其左右枝杈通常存在一定偏心，此类锻件锻造工序多，锻造工艺复杂，对其锻造工艺与模具设计要求高。目前，转 向节锻造生产面临的主要问题是：锻件材料利用率低，锻造能耗高；转向节新品开发主要依靠设计者的经验，开发周期长，费用高，风险大。差压铸造转向节生产率虽较高。但零件的力学性能仍不理想，抗拉强度和屈服强度分别在280MPa和200MPa左右，伸长率较低，一般不超过8％。由于我国企业未能完全掌握铝合金转向节的铸造生产技术，因此除进口汽车及部分合资中高端车采用锻造铝合金转向节外，国内汽车仍然使用球墨铸铁转向节。为了提高我国汽车零件产品创新能力和自主品牌汽车竞争力，亟需实现高性能铝合金汽车转向节的产业化与规模应用。以挤压铸造代替普通铸造、低压铸造及部分锻造，以达到提高毛坯的精度，减少加工余量，减少原材料消耗，降低成本的目的是其必然趋势。挤压铸造作为铸锻结合的先进成形工艺技术，必将替代部分锻造工艺，生产那些由于锻造成形困难，而用一般铸造无法达到性能要求的诸如转向节这类零件。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种采用卧式挤压铸造机实施过程中，可生产出合格的铝合金转向节，控制好各工艺环节可实现自动化生产的用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节的方法。
为实现上述目的，本发明提供的一种用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节的方法，其中，具体应用如下：
(1)模具浇注与溢流系统设计。
利用液流的流动状态和压力分布，实现制件在压力下顺利充填和顺序凝固；内浇口设计包含内浇口的位置、形状、大小内容；内浇口开设应保证制件内部少产生或不产生气孔、缩孔缺陷，使制件外观无冷隔和表面光滑完整；内浇口的位置的选择是设计浇注系统中首先要考虑的问题；在设计内浇口位置时要考虑挤压铸件的结构形状、壁厚、收缩变形、合金种类、挤压机设备以及挤压铸件使用性能方面的因素，分析金属液流充填型腔时的流动状态，充填过程中可能出现的死角和裹气部位，以便合理布置排溢系统；
(2)冷却水道设计
在模具设计时根据制件的壁厚与体积决定冷却水道下列设计参数：冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的种类、孔道的配置与连接、以及冷却水的流动速率与热传性质；一方面要把熔融的金属注入模具型腔内，在极短的时间内释放出大量的热量，促使模具的温度提高；另一方面，模具通过传导，辐射以及对流的方法其中包括我们对模具的喷及水冷吸收部分热量，使模具温度下降，经过一段时间，在二者的作用下在温度达到一个平衡点，使模具处在某一温度范围内，这一个平衡点的温度对稳定生产非常重要；
模具温度还影响制件尺寸精度，调解模温，可减少制件成型收缩率的波动，提高制件尺寸精度；影响形状精度，模温差大，制件收缩不均，翘曲变形；影响表面粗糙度，模温低，制件表面粗糙度提高，易产生冷隔、浇不足缺陷；铸件质量和生产率在很大程度上取决于模具热控制能力；冷却水道使成型零件表面冷却均匀，模具各处的温差不大；要维持经济有效的冷却时间，就应对制件厚壁处采用强冷；因制件所需的冷却时间随其壁厚增加而急速增长；冷却水孔距型腔的距离为25mm，太近则冷却不均匀，太远则冷却效率低；冷却水孔直径为Φ14mm；冷却水道从模温高区域流向模温低区域；为防止冷却水道漏水,采用耐高温的硅橡胶作为密封元件；在动、定模上分别单独设置了冷却系统，以便调节控制制件的变形问题；冷却水道的联结方式采用并联式—冷却介质从入口流入主干水道，分成若干分支,然后汇入出水主干水道排出；并使进出口主干水道ΦD的横截面积应大于各支路Φd的横截面积之和；型腔的冷却形式采用面冷、线冷和点冷多层循环式冷却；
(3)局部加压设计
主要应用于产品局部壁厚较大，容易产生缩松、缩孔缺陷的部位；通过在压射结束至产品凝固期间，通过加压油缸的加压活塞对转向节制件局部进行加压压实，以获得致密的挤压铸造件；
上述工艺参数选取与控制，选择合适的工艺参数是获得优质制件,发挥压铸机最大生产率的先决条件,是正确设计挤压铸造模具的依据；影响合金液充填成形的因素很多,其中主要有压力、速度、时间和温度,这些因素 是有时又相互影响和相互制约的；调整某一个参数会引起相应的工艺因素变化,因此,正确选择各工艺参数是非常重要的；确定合理的工艺参数是获得合格挤压铸造件的必要条件；A、温度的选择，挤压铸造生产以前应将模具预热到一定温度,在生产过程中要保持模具在一定温度范围,这对改善制件的成型性和提高模具寿命有很大好处,模具的预热通常采用模温机加热,预热温度大于100℃,模具工作温度控制在150～280℃之间；浇注温度对制件的成型、尺寸精度、表面粗糙度和力学性能及模具使用寿命都有直接影响；选择合金的浇注温度主要根据制件壁厚和复杂程度来确定；其次还应结合压制比压、充填速度和模具温度多种因素综合考虑；B、成形比压力的选择正确地选择比压的大小对制件的力学性能,表面品质和模具的使用寿命都有很大影响,在一定范围内随着比压的增大,制件的强度增加,这是由于在较高的压力下凝固,可以提高制件内部组织的致密性,使制件内的微小孔隙或气泡被压缩,使孔隙率减少的缘故；提高比压还可以提高合金液的充填能力,易获得轮廓清晰的制件；但比压过高会加剧合金液在充模时对型腔的冲击,影响模具寿命；C、充填时间的选择，充型时间的长短取决于制件的大小、复杂程度、内浇道处的面积和充填速度；充型时间短、速度高可获得表面品质良好的制件,但制件的内部致密性较差,气孔增多；在充型速度确定后,主要通过正确选择或调整内浇道截面积来确定充型时间；D、充填速度的选择正确选用充填速度对设计模具和获得合格制件十分重要,充填速度过小会使制件的轮廓不清,甚至不能成型,充填速度选择过大会引起制件粘模和内部气孔；使力学性能下降,影响充填速度的主要因素有压机的压制速度,压制比压和模具的内浇道截面积；在压机确定后,模具的压套是根据制件的大小确定的,一般不易调整,所以,充填速度主要是通过调整压射速度和内浇道截面积来实现；上述转向节的铝合金液浇注温度710—725℃；模具温度工作温度150—280℃；不得高于360℃；保压和留模时间15—25秒；充填速度第一切换点(20mm处)、第二切换点(115mm处)、第三切换点(265mm处)速度均为170mm/秒，第四切换点(285mm处)、第五切换点(430mm处)速度为40mm/秒；增压阀开度50％；成形比压100MPa；局部加压开始时间6—10秒，持续时间10—15秒； 模具温度低于180℃均取下线；
上述热处理参数选择，铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性；A、固熔温度和固熔时间的选择为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体；另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果；铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被固定在晶体内；这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起；由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚；B、人工时效温度和人工时效时间的选择，在不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速度不同，若温度过低，由于扩散困难，偏聚区不易形成，时效后强度、硬度低；当时效温度过高时，扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大，时效后强度、硬度偏低，即产生过时效；上述转向节的选择的热处理参数为：加热到520℃保温10分钟,继续加热到535℃保温8小时；在15秒钟之内淬如60℃水中；淬后放入165℃保温炉中，保温6小时，出炉冷却。
在一些实施方式中，模具浇注与溢流系统设计中当浇口截面较大，充填速度较低时0.3m/s能获得层流充填，液体的流动状态主要为压力流和补缩流，可有效地排除型腔中的气体，获得致密的挤压铸造件。在中等速度0.5—15m/s下，得到的是连续紊流充填，在液体填充型腔的过程中会出现，喷射流阶段、压力流阶段。当浇口截面较小，在高充填速度下，则得到弥散式的充填，液流经内浇口立即产生喷射，其流束冲击模具型腔正对内浇口的部位，然后分配到侧面，沿着型壁向内浇口折回形成薄层，此时形成向内浇口方向的紊流状态。上述浇道开设位置在制件球头处，内浇口与直浇道等截面积，没设横浇道。内浇口截面尺寸：43mm×47mm,内 浇口和直浇道长度工件至料柄长度25—35mm前后不同；料饼直径140mm,料柄厚度45—50mm。
在一些实施方式中，局部加压设计中，用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节为消除转向节厚大部位缩松缺陷，在模具设计时在位于转向节中心孔(孔)中心线上方10mm处加装局部挤压装置；局部加压深度控制在8-10mm，加压杆直径30mm,挤压力300KN；加压杆与套筒间单边间隙0.07—0.10mm；加压杆采用H13(8407)耐热模具钢材料，需经整体真空淬火加表面氮化处理，氮化层深0.1—0.2mm,维氏硬度800-900；
在一些实施方式中，具体如下：将模具正确安装在压机上，调整好压机与模具的配合，按水路接好冷却水管；设定好工艺参数；对模具进行预热；将熔炼好的合金液浇入压机料缸进行挤压铸造，前4件用于预热模具，无需开启压机的增压装置，模具经预热温度达到工艺要求，按给定参数便可进行正常化生产。
本发明的有益效果是具有采用卧式挤压铸造机实施过程中，可生产出合格的铝合金转向节，控制好各工艺环节可实现自动化生产的效果。
具体实施方式
下面对发明作进一步详细的说明。
一种用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节的方法，其中，具体应用如下：(1)模具浇注与溢流系统设计。利用液流的流动状态和压力分布，实现制件在压力下顺利充填和顺序凝固；内浇口设计包含内浇口的位置、形状、大小内容；内浇口开设应保证制件内部少产生或不产生气孔、缩孔缺陷，使制件外观无冷隔和表面光滑完整；内浇口的位置的选择是设计浇注系统中首先要考虑的问题；在设计内浇口位置时要考虑挤压铸件的结构形状、壁厚、收缩变形、合金种类、挤压机设备以及挤压铸件使用性能方面的因素，分析金属液流充填型腔时的流动状态，充填过程中可能出现的死角和裹气部位，以便合理布置排溢系统。模具浇注与溢流系统设计中当浇口截面较大，充填速度较低时0.3m/s能获得层流充填，液体的流动状态主要为压力流和补缩流，可有效地排除型腔中的气体，获得致密的挤压 铸造件。在中等速度0.5—15m/s下，得到的是连续紊流充填，在液体填充型腔的过程中会出现，喷射流阶段、压力流阶段。当浇口截面较小，在高充填速度下，则得到弥散式的充填，液流经内浇口立即产生喷射，其流束冲击模具型腔正对内浇口的部位，然后分配到侧面，沿着型壁向内浇口折回形成薄层，此时形成向内浇口方向的紊流状态。上述浇道开设位置在制件球头处，内浇口与直浇道等截面积，没设横浇道。内浇口截面尺寸：43mm×47mm,内浇口和直浇道长度工件至料柄长度25—35mm前后不同；料饼直径140mm,料柄厚度45—50mm。
(2)冷却水道设计。在模具设计时根据制件的壁厚与体积决定冷却水道下列设计参数：冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的种类、孔道的配置与连接、以及冷却水的流动速率与热传性质；一方面要把熔融的金属注入模具型腔内，在极短的时间内释放出大量的热量，促使模具的温度提高；另一方面，模具通过传导，辐射以及对流的方法其中包括我们对模具的喷及水冷吸收部分热量，使模具温度下降，经过一段时间，在二者的作用下在温度达到一个平衡点，使模具处在某一温度范围内，这一个平衡点的温度对稳定生产非常重要；模具温度还影响制件尺寸精度，调解模温，可减少制件成型收缩率的波动，提高制件尺寸精度；影响形状精度，模温差大，制件收缩不均，翘曲变形；影响表面粗糙度，模温低，制件表面粗糙度提高，易产生冷隔、浇不足缺陷；铸件质量和生产率在很大程度上取决于模具热控制能力；冷却水道使成型零件表面冷却均匀，模具各处的温差不大；要维持经济有效的冷却时间，就应对制件厚壁处采用强冷；因制件所需的冷却时间随其壁厚增加而急速增长；冷却水孔距型腔的距离为25mm，太近则冷却不均匀，太远则冷却效率低；冷却水孔直径为Φ14mm；冷却水道从模温高区域流向模温低区域；为防止冷却水道漏水,采用耐高温的硅橡胶作为密封元件；在动、定模上分别单独设置了冷却系统，以便调节控制制件的变形问题；冷却水道的联结方式采用并联式—冷却介质从入口流入主干水道，分成若干分支,然后汇入出水主干水道排出；并使进出口主干水道ΦD的横截面积应大于各支路Φd的横截面积之和；型腔的冷却形式采用面冷、线冷和点冷多层循环式冷却；(3)局部加压设计。主 要应用于产品局部壁厚较大，容易产生缩松、缩孔缺陷的部位；通过在压射结束至产品凝固期间，通过加压油缸的加压活塞对转向节制件局部进行加压压实，以获得致密的挤压铸造件；局部加压设计中，用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节为消除转向节厚大部位缩松缺陷，在模具设计时在位于转向节中心孔(孔)中心线上方10mm处加装局部挤压装置；局部加压深度控制在8-10mm，加压杆直径30mm,挤压力300KN；加压杆与套筒间单边间隙0.07—0.10mm；加压杆采用H13(8407)耐热模具钢材料，需经整体真空淬火加表面氮化处理，氮化层深0.1—0.2mm,维氏硬度800-900。上述工艺参数选取与控制，选择合适的工艺参数是获得优质制件,发挥压铸机最大生产率的先决条件,是正确设计挤压铸造模具的依据；影响合金液充填成形的因素很多,其中主要有压力、速度、时间和温度,这些因素是有时又相互影响和相互制约的；调整某一个参数会引起相应的工艺因素变化,因此,正确选择各工艺参数是非常重要的；确定合理的工艺参数是获得合格挤压铸造件的必要条件；A、温度的选择，挤压铸造生产以前应将模具预热到一定温度,在生产过程中要保持模具在一定温度范围,这对改善制件的成型性和提高模具寿命有很大好处,模具的预热通常采用模温机加热,预热温度大于100℃,模具工作温度控制在150～280℃之间；浇注温度对制件的成型、尺寸精度、表面粗糙度和力学性能及模具使用寿命都有直接影响；选择合金的浇注温度主要根据制件壁厚和复杂程度来确定；其次还应结合压制比压、充填速度和模具温度多种因素综合考虑；B、成形比压力的选择正确地选择比压的大小对制件的力学性能,表面品质和模具的使用寿命都有很大影响,在一定范围内随着比压的增大,制件的强度增加,这是由于在较高的压力下凝固,可以提高制件内部组织的致密性,使制件内的微小孔隙或气泡被压缩,使孔隙率减少的缘故；提高比压还可以提高合金液的充填能力,易获得轮廓清晰的制件；但比压过高会加剧合金液在充模时对型腔的冲击,影响模具寿命；C、充填时间的选择，充型时间的长短取决于制件的大小、复杂程度、内浇道处的面积和充填速度；充型时间短、速度高可获得表面品质良好的制件,但制件的内部致密性较差,气孔增多；在充型速度确定后,主要通过正确选择或调整内浇道截面积来确定 充型时间；D、充填速度的选择正确选用充填速度对设计模具和获得合格制件十分重要,充填速度过小会使制件的轮廓不清,甚至不能成型,充填速度选择过大会引起制件粘模和内部气孔；使力学性能下降,影响充填速度的主要因素有压机的压制速度,压制比压和模具的内浇道截面积；在压机确定后,模具的压套是根据制件的大小确定的,一般不易调整,所以,充填速度主要是通过调整压射速度和内浇道截面积来实现；上述转向节的铝合金液浇注温度710—725℃；模具温度工作温度150—280℃；不得高于360℃；保压和留模时间15—25秒；充填速度第一切换点(20mm处)、第二切换点(115mm处)、第三切换点(265mm处)速度均为170mm/秒，第四切换点(285mm处)、第五切换点(430mm处)速度为40mm/秒；增压阀开度50％；成形比压100MPa；局部加压开始时间6—10秒，持续时间10—15秒；模具温度低于180℃均取下线；上述热处理参数选择，铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性；A、固熔温度和固熔时间的选择为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体；另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果；铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被固定在晶体内；这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起；由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚；B、人工时效温度和人工时效时间的选择，在不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速度不同，若温度过低，由于扩散困难，偏聚区不易形成，时效后强度、硬度低；当时效温度过高时，扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大，时效后强度、硬度偏低，即产生过时效；上述转向节的选择的热处理参数为：加热到520℃保温10分钟,继续加热到535℃保温8小时； 在15秒钟之内淬如60℃水中；淬后放入165℃保温炉中，保温6小时，出炉冷却。
一种用卧式挤压铸造机生产铝合金转向节的方法具体如下：将模具正确安装在压机上，调整好压机与模具的配合，按水路接好冷却水管；设定好工艺参数；对模具进行预热；将熔炼好的合金液浇入压机料缸进行挤压铸造，前4件用于预热模具，无需开启压机的增压装置，模具经预热温度达到工艺要求，按给定参数便可进行正常化生产。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。