一种集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置及方法与流程

本发明属于金属铸造成形工艺及模具领域，具体为一种集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置及方法。

背景技术：

通常情况下，工厂采用低压铸造工艺生产轮毂铸件。但是，传统低压铸造生产的零件常常存在屈服强度和延伸率较低等问题。传统低压铸造生产的轮毂在轮心部位、轮辋部位以及轮辐和轮辋交接位置往往缩孔疏松倾向较大。

当前，轮毂低压铸造模具，一般只含有单纯的水冷或风冷，且通常只是凭经验在铸件周围的模具中布置冷却管道。这种凭经验布置的管道位置常常不是最合理的位置，对所生产铸件的综合力学性能的提高十分有限。且不能根据工艺要求，对模具的特定部位实现合理的温度控制。因此，传统低压铸造方法难以有效解决轮心部位、轮辋部位以及轮辐和轮辋交接位置处易产生收缩缺陷等问题。

图1表示不同时刻，轮毂中金属液的分布情况(以四分之一轮毂为例)。其中，半透明区域表示已凝固区域，深色区域表示未凝固区域，t1，t2，t3，t4表示不同时间点，0<t1<t2<t3<t4。图中，在t1时刻，金属液恰好完全充满金属型腔。在t2时刻，轮辋中部完全凝固，从而使得轮辋上部产生缩孔疏松缺陷的潜在可能性增大。在t3时刻，轮辐中部完全凝固，使得轮辐与轮辋交接处的孤立熔池内金属液无法得到补缩，从而使得该部位产生缩孔疏松缺陷的潜在可能性增大。可以发现，轮辋中部的冻断及轮辐中部的冻断导致孤立熔池内产生缩孔疏松可能性增大。

申请号为201510395442.5的中国专利提出采用低压充型与挤压凝固相结合的工艺方法生产轮毂铸件，为提高轮毂件的力学性能提供了一个科学的解决方案。但该专利中没有给出应对轮辐与轮辋交接处的孤立熔池内金属液无法补缩的解决方法。

轮毂的传统制造工艺是低压铸造。低压铸造轮毂的轮辐、轮心以及轮辐和轮辋交接处等部位的力学性能较低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置及方法，本发明根据工艺要求，在金属液充入型腔前，利用加热管预热模具的轮辐中部位置，当金属液充型完毕，利用强散热冷却水管道与普通冷却水管道相结合的方式冷却模具的热节位置，同时，利用脉冲磁场的作用来破碎轮辐中部较早形成的枝晶，以保证金属液补缩通道的畅通并细化晶粒，并且在脉冲磁场的作用下，轮辋及轮心部位较早形成的枝晶也被破碎，晶粒得到细化；进而，实现轮毂铸件在挤压压力下顺序凝固的目的，最终，减小铸件缩孔缩松等缺陷，细化铸件晶粒尺寸，提高铸件综合力学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置，包括上模1、冷却水管2、脉冲磁场3、侧模4、强散热冷却水管5、下模6、工作台7、挤压冲头8、上模固定板9、顶杆10、导轨11、加热管12、铸件13、浇口杯14、升液管15、温度传感器16和封口装置17；

连接关系为：工作台7上固定着下模6及分布在下模6四周的四个导轨11，每个导轨11上安装着一个能够沿导轨11滑动的侧模4；上模固定板9的上部固定在主液压机横梁上，上模固定板9的下部刚性固定着上模1，在主液压油缸作用下，上模固定板9及上模1上下移动；挤压冲头8的上部连接着挤压油缸的下端，挤压油缸刚性固定在上模固定板9上，当金属液充满铸件型腔后，挤压冲头8在挤压油缸作用下向下移动并挤压金属液；铸件13被顶出后，挤压冲头8在挤压油缸作用下向上移动到设定的初始位置；顶杆10的上部连接顶杆油缸的下端，顶杆油缸刚性固定在上模固定板9上，顶杆10在顶杆油缸作用下，能够上下滑动；充型时，顶杆10位于初始设定位置；铸件13凝固后，顶杆10在顶杆油缸作用下，向下移动并将铸件13顶出；浇口杯14位于下模6的中心部，浇口杯14的下端连接封口装置17，浇口杯14的上端连接铸件型腔的底部；封口装置17固定于工作台7的中部，封口装置17的上端连接浇口杯14的下部，封口装置17的下端连接升液管15的上端，升液管15的下端浸没在金属液中；金属液充型时，封口装置17处于开启位置，此时，金属液通过升液管15、封口装置17及浇口杯14进入铸件型腔；充型完毕后，封口装置17封闭浇口杯14的底部；

上模1的下表面、挤压冲头8的下表面、顶杆10的下表面、四个侧模4的内表面、浇口杯14的内表面及封口装置17的上表面共同围成的几何空腔称为铸件型腔；

所述上模1及侧模4的热节易产生的轮辋与轮辐交接位置处设置有强散热冷却水管5；上模1、侧模4和下模6的内轮缘附近位置、外轮缘附近位置以及轮心附近位置设置有冷却水管2；所述强散热冷却水管5和冷却水管2均与智能控制系统连接；

所述上模1和下模4的轮辐中部位置设置有加热管12，加热管12与智能控制系统连接；

所述上模1、下模4和侧模6的轮辋中部位置、轮辐中部位置和轮心外侧位置设置有脉冲磁场3，脉冲磁场3与智能控制系统连接；

所述侧模6上部的内轮缘位置附近、下模4外侧的外轮缘位置附近、上模1和下模4的轮辐中部位置附近设置有温度传感器16，温度传感器16与智能控制系统连接；

生产过程中，闭合上模1及侧模4，锁上模1及侧模4，给金属液施压，使金属液依次通过升液管15、封口装置17、浇口杯14进入铸件型腔；当金属液充满铸件型腔后，封口装置17将浇口杯14底部封闭；随后，铸件型腔内的金属液在挤压冲头8的挤压下，并在冷却水管2、脉冲磁场3、强散热冷却水管5及加热管12的作用下凝固成为铸件13。

所述集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置的铸造方法，包括如下步骤：

步骤一：在浇口杯14处放置过滤网，合侧模4，合上模1，锁上模1及侧模4；

步骤二：启动加热管12，预热上模1和下模6所对应轮辐中部的位置，与此同时，温度传感器16将所测模具对应轮辐中部位置的温度值反馈给智能控制系统，当测量值达到智能控制系统所设定温度值时，关闭加热管12；在凝固过程中，当温度传感器16所测模具对应轮辐中部位置的温度值小于智能控制系统所设定温度值时，再次启动加热管12；

步骤三：对金属液加压，金属液在压力作用下依次通过升液管15封口装置17及浇口杯14进入铸件型腔；在充型过程中，位于型腔上部的温度传感器16会将测量到的温度值反馈给智能控制系统，当温度传感器16测得的温度值达到智能控制系统的设定值时，金属液充满铸件型腔，智能控制系统会控制封口装置17将浇口杯14底部封死；

步骤四：开启脉冲磁场3，同时，挤压冲头8下移，挤压金属液，与此同时，启动位于内轮缘处的冷却水管2，启动位于轮辋与轮辐交接处的强散热冷却水管5；启动位于轮心处的冷却水管2；当冷却水管2以及强散热冷却水管5所分别对应的温度传感器16测量值低于智能控制系统的设定值时，智能控制系统按照由上至下、由外至内的顺序，减少普通冷却水管2以及强散热冷却水管5中水的流量；当轮辋与轮辐交接处的温度传感器16的测量值低于智能控制系统的某一设定值时，此时，轮辋与轮辐交接处的金属液完全凝固，停止对轮辐中部的加热管12加热；当保压时间达到智能控制系统的设定值时，此时，挤压冲头8停止对轮心部位的金属液补压，停止挤压铸件13；当冷却时间达到设定值时，关闭强散热冷却水管5及冷却水管2；

步骤五：解锁上模1及侧模4，开侧模4，开上模1，顶出铸件13。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)能实现模具特定部位的加热和冷却。从而根据工艺要求，控制模具不同部位的温度，达到使铸件顺序凝固的目的，减少铸件的缩孔缩松缺陷。

(2)通过脉冲磁场破碎轮辐中部的枝晶，保持金属液补缩通道的畅通，从而实现铸件的压力下凝固，有效对铸件进行补缩。同时，脉冲磁场还可破碎轮辋、轮心部位的枝晶，细化晶粒，提高铸件力学性能。

(3)挤压压力可提高铸件的散热条件，同时，冷却水管的冷却也能提高铸件的散热条件。因此，该集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造模具及工艺能有效缩短铸件的生产周期。

附图说明

图1为不同时刻，轮毂中金属液的分布情况(以四分之一轮毂为例)，其中，图1(a)为t1时刻金属液的分布，图1(b)为t2时刻金属液的分布，图1(c)为t3时刻金属液的分布，图1(d)为t4时刻金属液的分布。

图2(a)为本发明集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置图。

图2(b)为图2(a)的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的做进一步详细说明。

如图2中图2a和图2b所示，本发明一种集成精确温控及脉冲磁场的轮毂挤压铸造装置，包括上模1、冷却水管2、脉冲磁场3、侧模4、强散热冷却水管5、下模6、工作台7、挤压冲头8、上模固定板9、顶杆10、导轨11、加热管12、铸件13、浇口杯14、升液管15、温度传感器16和封口装置17；

各部件的连接关系为：工作台7上固定着下模6及分布在下模6四周的四个导轨11，每个导轨11上安装着一个能够沿导轨11滑动的侧模4；上模固定板9的上部固定在主液压机横梁上，上模固定板9的下部刚性固定着上模1，在主液压油缸作用下，上模固定板9及上模1上下移动；挤压冲头8的上部连接着挤压油缸的下端，挤压油缸刚性固定在上模固定板9上，当金属液充满铸件型腔后，挤压冲头8在挤压油缸作用下向下移动并挤压金属液；铸件13被顶出后，挤压冲头8在挤压油缸作用下向上移动到设定的初始位置；顶杆10的上部连接顶杆油缸的下端，顶杆油缸刚性固定在上模固定板9上，顶杆10在顶杆油缸作用下，能够上下滑动；充型时，顶杆10位于初始设定位置；铸件13凝固后，顶杆10在顶杆油缸作用下，向下移动并将铸件13顶出；浇口杯14位于下模6的中心部，浇口杯14的下端连接封口装置17，浇口杯14的上端连接铸件型腔的底部；封口装置17固定于工作台7的中部，封口装置17的上端连接浇口杯14的下部，封口装置17的下端连接升液管15的上端，升液管15的下端浸没在金属液中；金属液充型时，封口装置17处于开启位置，此时，金属液通过升液管15、封口装置17及浇口杯14进入铸件型腔；充型完毕后，封口装置17封闭浇口杯14的底部；

上模1的下表面、挤压冲头8的下表面、顶杆10的下表面、四个侧模4的内表面、浇口杯14的内表面及封口装置17的上表面共同围成的几何空腔称为铸件型腔；

所述上模1及侧模4的热节易产生的轮辋与轮辐交接位置处设置有强散热冷却水管5；上模1、侧模4和下模6的内轮缘附近位置、外轮缘附近位置以及轮心附近位置设置有冷却水管2；所述强散热冷却水管5和冷却水管2均与智能控制系统连接；

所述上模1和下模4的轮辐中部位置设置有加热管12，加热管12与智能控制系统连接；

所述上模1、下模4和侧模6的轮辋中部位置、轮辐中部位置和轮心外侧位置设置有脉冲磁场3，脉冲磁场3与智能控制系统连接；

所述侧模6上部的内轮缘位置附近、下模4外侧的外轮缘位置附近、上模1和下模4的轮辐中部位置附近设置有温度传感器16，温度传感器16与智能控制系统连接；

生产过程中，闭合上模1及侧模4，锁上模1及侧模4，给金属液施压，使金属液依次通过升液管15、封口装置17、浇口杯14进入铸件型腔；当金属液充满铸件型腔后，封口装置17将浇口杯14底部封闭；随后，铸件型腔内的金属液在挤压冲头8的挤压下，并在冷却水管2、脉冲磁场3、强散热冷却水管5及加热管12的作用下凝固成为铸件13。

本发明的方法步骤为：

步骤一：在浇口杯14处放置过滤网，合侧模4，合上模1，锁上模1及侧模4；

步骤二：启动加热管12，预热上模1和下模6所对应轮辐中部的位置，与此同时，温度传感器16将所测模具对应轮辐中部位置的温度值反馈给智能控制系统，当测量值达到智能控制系统所设定温度值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定温度值为150℃至700℃范围内的某一数值，关闭加热管12；在凝固过程中，当温度传感器16所测模具对应轮辐中部位置的温度值小于智能控制系统所设定温度值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定温度值为150℃至700℃范围内的某一数值，再次启动加热管12；

步骤三：对金属液加压，金属液在压力作用下依次通过升液管15封口装置17及浇口杯14进入铸件型腔；在充型过程中，位于型腔上部的温度传感器16会将测量到的温度值反馈给智能控制系统，当温度传感器16测得的温度值达到智能控制系统的设定值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定温度值为150℃至700℃范围内的某一数值，金属液充满铸件型腔，智能控制系统会控制封口装置17将浇口杯14底部封死；

步骤四：开启脉冲磁场3，同时，挤压冲头8下移，挤压金属液，与此同时，启动位于内轮缘处的冷却水管2，启动位于轮辋与轮辐交接处的强散热冷却水管5；启动位于轮心处的冷却水管2；当冷却水管2以及强散热冷却水管5所分别对应的温度传感器16测量值低于智能控制系统的设定值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定温度值为150℃至700℃范围内的某一数值，智能控制系统按照由上至下、由外至内的顺序，减少普通冷却水管2以及强散热冷却水管5中水的流量；当轮辋与轮辐交接处的温度传感器16的测量值低于智能控制系统的某一设定值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定温度值为150℃至700℃范围内的某一数值，此时，轮辋与轮辐交接处的金属液完全凝固，停止对轮辐中部的加热管12加热；当保压时间达到智能控制系统的设定值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定时间值为20s至400s范围内的某一数值，此时，挤压冲头8停止对轮心部位的金属液补压，停止挤压铸件13；当冷却时间达到设定值时，如当金属液为a356铝合金时，该设定时间值为20s至400s范围内的某一数值，关闭强散热冷却水管5及冷却水管2；

步骤五：解锁上模1及侧模4，开侧模4，开上模1，顶出铸件13。