液态模锻超轻型轮盘总成成形工艺方法及模具和系统与流程

本发明属于液态模锻工艺成形技术领域，涉及液态模锻工艺成形成形模具温度相对恒温控制、合理的成形工艺设计、科学的成形模具设计、制造过程的精确控制等。

背景技术：

超轻型特种车辆铝合金轮盘总成为钢铝复合结构，产品结构复杂、壁厚偏差大、性能要求高，采用一般成形方法难以满足产品使用要求。如果采用锻造成形，则无法实现钢铝复合结构的一体化成形，同时由于部分壁薄，薄厚壁交界处容易产生裂纹，难以实现如此薄壁精确成形；采用铸造方法成形则难以满足产品的高性能和无缺陷要求。

本发明的超轻型特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形方法，解决了液态模锻技术在钢铝复合结构和薄壁成形零件的难题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种液态模锻超轻型轮盘总成成形工艺方法及模具和系统，要解决超轻型特种车辆铝合金轮盘总成薄壁、复杂、高强度、无缺陷、钢铝复合材料的技术问题，成形零件采用现有锻造工艺成形无法实现钢铝复合结构一体化成形；现有铸造方法成形则难以满足产品的高性能和无缺陷要求的技术难题。

(二)本发明的技术方案

液态模锻超轻型轮盘总成成形工艺方法，包括铝合金熔炼、定量浇注和挤压成形步骤，其特征在于，还包括如下几个方面：

(1)浇注前，模具预热，且温度控制在300度以上；

(2)液态模锻挤压充型采用底注式充型方法：液态模锻成形模具的下模之下设置与模具型腔连通的热压室，将金属液浇注于热压室，上下模具合膜，热压室下端通过活塞缓慢上顶进行上顶充型，从上模、下模之间的间隙排除气体；

(3)充型速度采用0.75～0.85kg/s，通过活塞的上升速度实现；

(4)活塞上顶过程中使型腔内部压强为70～80mpa；

(5)充型结束后，压强为70～80mpa的保压时间控制范围为5～6s。

进一步地，模具也称液态模锻成形模具，包括上模、下模合模后，上模、下模配合间隙为0.20～0.23mm。

进一步地，浇注前模具预热温度控制300～320℃；在上顶充型和成形挤压温度为715～720℃，即纯化的合金液温度降低在715～720℃进行浇注和上顶充型；进行上顶充型整个过程，上模采用450t的压力；充型结束后保压时间5～6s后，冷却2～3min后顶出。

进一步地，浇注前，金属液先进行熔炼，熔炼温度740～760℃。

进一步地，模具预热后，喷涂脱模剂，之后将240～260℃的轮盘的镶铸金属耐磨圈放入模具模腔内；再浇注金属液。

进一步地，还包括后续步骤：固溶处理：温度540±3℃，保温12～14h，进行水淬，水淬的水温为20～60℃；时效处理：温度154±5℃，保温8～10h，饭后进行空冷。

液态模锻超轻型轮盘总成成形工艺方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)铝合金熔炼：制备用于成形零件的铝合金液；

(2)合金纯化：控制合金液温度在735～745℃时，对合金液进行纯化；

(3)成形模具加热：对成形模具加热至300～320℃；

(4)清理模具型腔：用风枪对模具型腔进行清理；

(5)定量浇注：液态模锻成形模具的下模之下设置与模具型腔连通的热压室，根据设定的浇注重量和浇注速度进行浇注；

(6)上顶充型：将金属液浇注于热压室，上下模具合膜，热压室下端通过活塞缓慢上顶进行上顶充型，从上模、下模之间的间隙排除气体；

(7)挤压成形：使液体凝固成形，零件挤压成形的内部高压压强为70～80mpa；

(8)保压强化：保压时间范围控制在5～6s时；

(9)冷却出型：保压完成后，打开模具，毛坯由顶杆顶出。

液态模锻超轻型轮盘总成成形模具，轮盘总成液态模锻成形模具，包括上模外套、上模、下模外套、下模；上模外套位于上模外周，下模外套位于下模上端，且能够位于成形零件外周；上模外套能够位于成形零件上端，且成形零件能够位于上模和下模之间的型腔内；其特征在于，还包括活塞；下模底部中间具有活塞孔，下模活塞孔处的下部具有热压室，活塞孔将热压室与型腔连通；活塞的直径与活塞孔的直径一致，热压室为圆柱形，热压室的直径与下模的活塞孔的直径一致，两者轴线一致。

液态模锻超轻型轮盘总成成形系统，其特征在于，系统包括模具加热装置，采用电热棒插入上下模具壁内部对模具加热；模具冷却装置，用于开模之后喷水雾对上下模具和零件进行冷却；和自动化控制系统，用于对模具温度加热温度进行控制，保持控制温度；还包括上述的液态模锻超轻型轮盘总成成形模具。

进一步地，模具加热装置包括上下模具加热装置，各为12组炭化硅加热棒插入模具壁内部。

进一步地，自动化控制系统包括温度检测控制装置，温度检测控制装置为热电偶温度检测，在模具内部多点设置。

(三)本发明的有益效果:

1.超轻型特种车辆铝合金轮盘总成模锻成形方法的发明解决了国内薄壁零件(壁厚6mm)液态模锻工艺成形问题，机械性能满足设计要求，为液态模锻成形工艺技术深入发展提供了新的技术支撑；

2.超轻型特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形方法的发明，实现了高强度钢铝复合结构材料部件的一次性整体成形，解决了锻造工艺无法实现的工艺效果，避免了铸造方法成形的缺陷的产生。相比锻造成形提高材料利用率60％以上，产品合格率高、尺寸精度高、表面质量好，实现了产品质量的一致性要求。

超轻型特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形工艺方法，有别于目前国内其他铝合金成形方法。在满足产品使用要求的前提下，成形模具温度相对恒温控制、合理的成形工艺设计、科学的模具设计、制造过程的精确控制，制备出高强韧超轻型特种车辆铝合金轮盘总成。

零件挤压充型采用底注式充型方法，实现了充型平稳，成形模具型腔排出气体顺畅，同时避免了氧化夹杂物的产生。

通过对成形模具温度的相对恒温控制、铝合金液充型温度、充型速度、挤压压力和保压时间的等工艺参数的有效控制，解决液态模锻轮盘总成成形过程中的缺陷问题，提高液态模锻成形零件的产品质量。液态模锻轮盘总成成形工艺设计主要内容包括：模具温度的相对恒温控制、金属液充型温度、充型速度、充型方式、成形模具设计、成形挤压压力和保压时间的控制。实现液态模锻超轻型高强度铝合金轮盘总成成形工艺的连续化生产。

附图说明

图1是超轻型特种车辆铝合金轮盘总成成形零件示意图；

图2是液态模锻上下模内置预热装置图(右侧为控制柜)；

图3是轮盘总成液态模锻成形模具图；

图4是金属液注入热熔室；

图5是特种车辆铝合金轮盘总成成形零件固溶热处理制度；

图6是特种车辆铝合金轮盘总成成形零件时效热处理制度。

其中，1-拉杆螺栓；2-上模外套；3-上模；4-下模外套；5-吊装螺栓；6、7-螺栓；8-吊装螺栓；9-下模；10-充型活塞(简称活塞)；11-成形零件；12-控制柜(控制温度)；13-热压室。

具体实施方式

下面对本发明的方案进一步详细地描述。

本发明的超轻型特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形工艺方法，包括如下几个方面：

1.采用底注式充型方式。

为了解决以上技术问题，特种车辆铝合铝合金轮盘总成液态模锻成形充型方式的设计是实现完整充型和保证产品质量的关键技术之一。本发明充分考虑零件壁厚和产品高强度要求对整体充型和产品质量的影响，液态模锻挤压充型采用底注式充型方法。即将金属液提前置于热压室，模具合膜后(可以采用活塞)缓慢上顶充型，实现了充型平稳，成形模具型腔排出气体顺畅(从上模、下模之间的的间隙排出)，同时避免了氧化夹杂物的产生，实现了产品高强度无缺陷的使用要求。

2.实现产品成形过程中挤压充型速度的精确控制。

因为轮盘总成成形零件只有1.6kg(轮廓尺寸为φ270，轮辐底部和轮缘部位壁厚只有6mm)，如果充型速度过慢则零件成形困难，很容易出现浇不足缺陷，不能形成薄壁；如果充型速度过快则很容易出现卷气和型腔内空气难以彻底排出从而造成零件出现气孔缺陷。因此，充型速度采用0.75～0.85kg/s(浇注速度也可以采用该速度)是合理的，即活塞的上升速度。

3.液态模锻成形模具温度相对恒温控制。

为保证产品质量的一致性，采用一种液态模锻成形模具温度相对恒温控制，恒温控制系统，包括模具加热装置(电热棒插入下模模具壁内部对模具加热、冷却装置(开模之后喷水雾对上下模具和零件进行冷却)和自动化控制系统(通过对模具温度加热温度进行控制，保持控制温度)。液态模锻轮盘总成生产开始前，首先利用模具内置电加热装置于2小时内将成形模具温度加热至300℃以上；在零件批次生产过程的进行，在模具温度会逐步升高，所以在下一个零件加工前需要进行对模具进行冷却，冷却方式为水雾冷却，3～5分钟内将模具温度控制在300～320℃以内，达到工艺规定要求，此过程由电传感器控制系统实现。

本发明的上下模具加热装置为内置各12组炭化硅加热棒进行加热(电热棒插入模具壁内部)；模具冷却采用外置水雾装置达到冷却效果，模具内部设置多点热电偶温度检测控制装置，整个系统由智能仪表和电气控制系统控制，确保模具温度控制技术指标准确，性能稳定可靠。

4.科学的凝固压强设计。

液态模锻工艺成形零件其基本原理是产品在高压下成形凝固，成形压力的设计是保证产品质量的关键。本发明经过大量的实验验证，根据壁厚、结构设计液态模锻零件挤压成形内部压强设计为70～80mpa。该参数能够避免压力过大不但造成资源浪费，也容易造成模具变形，避免压力过小则不能实现产品晶粒组织致密和厚大部位的补缩，无法满足产品的性能要求。

5.精确合理的保压时间控制。

为保证产品质量，准确的铝合金成形温度和保压时间的科学设计是尤为重要的。本发明通过大量的实验验证，确定了zl205a高强度铝合金液的充型挤压温度为715～720℃；保压时间控制范围5～6s。该参数能够避免保压时间长产生缩裂、时间短零件强度降低。

因为成形零件的壁厚差较大，如果保压时间过短，零件厚大部位尚未凝固，不能保证零件完全成形，，如果保压时间过长，零件薄厚过度部位很容易出现裂纹缺陷，因此特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形工艺的保压时间控制范围5～6s最为合理。

6.其它主要工艺参数的控制为：耐磨圈的烘烤温度为300～360℃；浇注重量1.9～2.1kg；固溶处理：540±3℃/12～14h+水淬(达到固溶温度上限)，水温20～60℃；时效处理：154±5℃/8～10h，空冷；制件综合机械性能：σb≥440mpa；δ≥7％。

7.科学的模具设计尤其重要。

液态模锻成形模具为上下模组合成形，铝合金液在高压状态下充型凝固。上下模外套之间配合间隙过小，上下模具受不均匀高温状态影响合模和开模困难，且充型过程成形型腔内气体排出困难，使成形零件容易出现气孔缺陷；如果其之间配合间隙过大，在充型过程中合金液很容易自配合间隙溢出，使成形零报废，且溢出的合金液呈喷射状态，对操作造成安全隐患。本发明特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形工艺科学的模具合膜之后配合间隙为0.20～0.23mm，既保证了模具开合顺畅、型腔排气通畅，也严格控制了挤压过程合金液的溢出。

根据上述内容可知：液态模锻超轻型轮盘总成成形工艺方法，关键在于如下几个方面：

(1)浇注前，模具预热，且温度控制在300度以上；

(2)液态模锻挤压充型采用底注式充型方法：液态模锻成形模具的下模之下设置与模具型腔连通的热压室，将金属液浇注于热压室，上下模具合膜，热压室下端通过活塞缓慢上顶进行上顶充型，从上模、下模之间的间隙排除气体；

(3)充型速度采用0.75～0.85kg/s，通过活塞的上升速度实现；

(4)活塞上顶过程中使型腔内部压强为70～80mpa；

(5)充型结束后，压强为70～80mpa的保压时间控制范围为5～6s。

本发明实用的液态模锻超轻型轮盘总成成形模具，关键在于，包括上模外套2、上模3、下模外套4、下模9；上模外套2位于上模3外周，下模外套4位于下模9上端，且能够位于成形零件外周；上模外套2能够位于成形零件上端，且成形零件位于上模3和下模之间(上模3和下模之间为型腔)；其特征在于，还包括充型活塞10；下模9底部中间具有活塞孔，下模9活塞孔处的下部具有热压室13，活塞孔将热压室与型腔连通；活塞的直径与活塞孔的直径一致，热熔室13为圆柱形，热压室13的直径与下模9的活塞孔的直径一致，两者轴线一致。(该结构用于实现底注式充型：将金属液提前置于热压室，上模下模合后采用活塞缓慢上顶充型，实现了充型平稳)

根据零件液态模锻工艺成形过程及附图进行详细的描述。

液态模锻成形工艺流程：铝合金熔炼→合金纯化→成形模具加热→喷涂离型剂→清理模具型腔→定量浇注→上顶充型→挤压成形→保压强化→冷却出型→毛坯清理。

进一步地具体内容如下：

铝合金熔炼：制备用于成形零件的高强度铝合金液，并控制合金液温度735～745℃之间；

合金纯化：控制合金液温度在735～745℃时，在合金液处理装置内采用氩气精炼机和铝合金精炼剂对合金液进行复合纯化；

成形模具加热：为保证成形零件质量，通过电传感器对成形模具加热至300～320℃；

清理模具型腔：用风枪对模具型腔进行清理，防止型腔内金属残渣对充型造成影响。

喷涂离型剂：在浇注前(模具内)均匀喷涂水机石墨离型剂，保证零件被顶出时顺利脱模。(之后将温度在240～260℃的轮盘的镶铸金属耐磨圈放入模具模腔内)

定量浇注：根据工艺要求设定好浇注重量为1.9～2.1kg开始浇注(浇注速度控制在0.75～0.85kg/s)金属液浇注于热压室。

纯化的合金液温度降低在715～720℃进行浇注。

上顶充型：将金属液浇注于热压室后，上下模具合膜后固定，缓慢上顶活塞，将金属液顶入模具型腔；成形模具型腔通过上下模具的间隙排出气体，避免氧化夹杂物的产生。充型速度采用0.75～0.85kg/s，通过活塞的上升速度实现。

优选地，上模在合膜整个过程保持450t的压力。

挤压成形：在活塞上顶作用和上下模具合膜高压下使液体凝固成形，经过大量的实验验证，液态模锻零件挤压成形，活塞上顶过程中内部达到压强为70～80mpa，此压力下零件性能最佳。

保压强化：在压强为70～80mpa下保压时间范围控制在5～6s时，产品性能最佳，无缺陷。

冷却出型：保压完成后，打开模具，毛坯由顶杆自动顶出。

毛坯清理：取出毛坯，用角磨机对毛坯进行清理，去除飞边、毛刺等。

(1)液态模锻成形模具生产过程的相对恒温控制

如图2、图3所示，液态模锻成形模具分为上下模具组合成形。超轻型特种车辆铝合金轮盘总成制造工艺规程要求成形模具的温度控制范围为300～320℃以内，因此零件在生产前必须对模具进行加热。确保模具温度控制技术指标准确，性能稳定可靠。

(2)如液态模锻工艺流程所示，特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形工艺规程，合金电阻熔化炉，熔炼温度735～745℃。模具预热后先清除模腔内的杂质，然后喷涂脱模剂。喷涂脱模剂后将温度控制在240～260℃的轮盘的镶铸金属耐磨圈放入模腔内，将金属液提前置于压力机热压室，密封模具型腔后缓慢上顶充型活塞10进行充型，进行平稳充型，(上模)整个过程采用450t的压力保压；充型结束后保压时间随5～6s，冷却2～3min后顶出。

如图5、6所示为特种车辆铝合金轮盘总成液态模锻成形热处理制度,固溶处理：540±3℃/保温12～14h，进行水淬，水淬的水温20～60℃；时效处理：154±5℃/保温8～10h，空冷；得到产品综合机械性能：σb≥440mpa；δ≥7％。