一种带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备。
背景技术
轻量化是燃油汽车节能减排、新能源汽车降耗增程的最重要途径之一，以铝合金等轻量化材料代替传统的钢铁材料，已成为汽车设计更新换代的必然选择。用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金主要用于制造发动机、离合器壳体、车轮、底盘件等零部件。随着对铸件质量提升的需求和铸造技术的发展，更多的零部件采用低压铸造、差压铸造及调压铸造的方式来生产，均属于反重力铸造方法。该种铸造基本原理是用低压气体驱动坩埚或保温炉内的金属熔体，使其通过升液管上升并进入模具型腔，充型结束后铸型内金属熔体完成在压力作用下的凝固和补缩。
传统的铝合金低压、差压及调压车轮铸造技术通常采用单浇口的单升液管充型技术。以铝合金车轮为例，在车轮的中央位置即车轮的轮心位置设置升液管，使金属熔体进入型腔并完成充型与凝固，该方法设计简单，易于实现，但缺点在于充型距离长，成型困难，为避免产生冷隔，车轮金属型模具温度一般高达400℃以上，导致车轮冷却速度低，组织粗大，并容易在热节部位形成缩孔缩松等铸造缺陷。为了细化组织、消除缩孔缩松等铸造缺陷，现有技术中一般采用水冷、水雾冷等方式加强车轮模具的冷却，然而，加强冷却使车轮凝固时间大为缩短，如加强冷却后的大尺寸车轮的凝固时间可以缩短到100s以内，但同时又引起生产过程中对车轮冷却和凝固过程的温度场难以控制的问题，导致难以实现顺序凝固，产品性能不稳定，合格率低。
车轮现有技术中已有其它充型方式的尝试。专利CN201010107026.8公开了一种铝合金车轮低压铸造双边浇工艺及装置，在车轮两侧设置浇口，使铝液从轮辋处进入，通过对冷却控制使铝液在急冷的模具温度下由轮心向轮辋进行结晶，缩短了铝液流动的距离，配合冷却，减少了R角或轮辋部位的缩松缺陷。专利CN201310557627.2、CN201410825962.0等文献公开了采用中心浇口和两侧浇口结合的方式，以期望能减轻轮毂的重量，提高机械强度。CN201610390494.8采用一机双模轮毂模具，浇口同样设置在轮辋位置上，实现一次浇注两个轮毂。
但上述装置和方法同样存在明显的缺陷，对于铝液仅从轮辋处进入的方式，入口设在轮辋中部，进入后会导致分流，即同时向轮心处和轮缘处充型，造成各处的充型时间不可控，进而造成凝固顺序不可控，容易形成缩孔缩松缺陷。而对于采用中心浇口和两侧浇口结合的方式，由于铝液从两个入口进入，在中间位置会形成汇流，容易因气体排出不顺等原因造成冷隔等。
本申请人设计了一种基于多升液管的快速顺序凝固车轮成型装置与方法，模具的浇口设置在车轮的轮辋正下方或下轮缘的上方R角外侧。通过在多个升液管升液充型，解决了此处充型后长距离补缩问题。但由于浇口的位置和形状发生了变化，因而，无法再采用传统的圆形浇注组件进行充型，如何实现在该方式下的稳定充型，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备。
本发明完整的技术方案包括：
一种带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备，至少包括模具、熔池保温炉和升液箱；
所述的熔池保温炉包括炉体，炉体内壁设有耐火材料形成的保温层，保温层围成熔池，炉体上部设有炉盖，炉盖中央位置连接中央升液管，所述熔池保温炉设有第一电加热装置和第一测温热电偶；
炉盖上连接中央升液管，中央升液管上方连接有升液箱，升液箱箱体内设有多个与升液管相通的分流通道，且每个分流通道连接一路分流浇口，该分流浇口对应于车轮模具轮辋正下方的位置，与浇入模具型腔用的型腔入口相连通，并将分流的金属熔体浇注入型腔，所述升液箱上设有第二电加热装置和第二测温热电偶。
与型腔入口相连通的该分流浇口截面，大致与铸型在此充型处的型腔入口形状随形。
所述分流浇口截面的截面形状为：包括第一弧形段和第二弧形段，第一弧形段和第二弧形段同心，且第一弧形段的半径和尺寸均小于第二弧形段，第一弧形段和第二弧形段两侧通过连接段连接。
第一弧形段的长度为72～76mm，第二弧形段的长度为76～80mm，两侧连接段的长度为8～12mm。
所述分流浇口内表面设有用于放网槽，用以放置过滤网。
所述分流浇口数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。
所述分流浇口数量大于两个，环绕车轮轴线设置。
炉体底部设有滚轮，所述滚轮位于轨道上，可沿着轨道进行移动。
所述炉盖下方同样设有保温层，炉盖一侧开设有加料口，炉盖上连接高压气源，升液箱上部与机架上的下模板连接。
根据所述的设备进行车轮反重力铸造的方法，包括如下步骤：
(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着中央升液管上升到升液箱，并通过升液箱中的分流通道到达分流浇口位置，该阶段升压速度为2.8～4.0KPa/s，将压力增加到20KPa；
(2)充型：继续升压，使铝液通过分流浇口进入型腔，该充型阶段为两段式加压，第一阶段升压速度为0.1～0.2KPa/s，时间为2～4s，随后进入第二阶段快速升压，直至将型腔充满，此时压力达到35KPa；
该第二阶段的升压速度P′由如下方式确定：
式中：
P′为升压速度，单位为kPa/s；H为型腔总高度，单位为mm；ρ为金属熔体密度，单位为g/cm3；K为阻力系数，其取值范围为1～1.5；t为预设充型时间，单位为s，优选取10s；102为单位换算系数；N为升液管数量，其取值范围为2～6，可根据不同型号车轮的窗口数量进行选择，优选取2～6；x为其升液指数，取值范围为0.2～0.8，在本实施方式所采用轮型的方案中，取值选0.5。
(3)结晶增压保压：充型结束后，以8～10KPa/的升压速度将压力快速增加到150KPa，并保压60～150s，此时车轮凝固完成。
(4)卸压放气：铝合金车轮凝固完毕，解除熔池保温炉内的气体压力，使升液箱和中央升液管中未凝固的铝液流回到保温炉中。
升液之前，模具温度不高于400℃，优选的，模具温度不高于350℃，更优选的，模具温度不高于300℃。
本发明相对于现有技术的优点在于：
本申请人提出的基于多浇口边注的快速顺序凝固车轮成型装置与方法，模具的浇口设置在车轮的轮辋正下方。通过在多浇口边注升液充型，使金属熔体的充型距离相比现有单升液管模式缩短一半以上，自然地加快了车轮冷却速度与冷却效果，实现了快速顺序凝固。由于浇口的位置和形状发生了变化，因而，无法再采用传统的圆形浇注组件进行充型。本发明设计的熔池炉与升液箱装置，适应于浇口设置在车轮的轮辋正下方的多浇口边注方式，实现了在车轮边缘的稳定浇注充型方式，所设计的放网槽，可以放置随形的过滤网，同时内表面的进液通道大于浇口，使过滤网可以被压实在浇口下方。配合多浇口边注方式使用，使金属熔体的充型距离相比现有单升液管模式缩短一半以上，金属型模具温度可以由现有的420℃降低到320℃以下，自然地加快了车轮冷却速度与冷却效果，实现了快速顺序凝固，消除了热节处的缩孔缩松缺陷，解决了传统大尺寸车轮单升液管技术长距离补缩效果差、强化冷却后难以控制凝固温度场的难题，不仅显著提高了车轮的性能及生产稳定性，还缩短了生产节拍，提高了生产效率和车轮的合格率。
附图说明
图1为本发明带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备的结构示意图。
图2为图1的剖视图。
图3为本发明分流浇口在轮辋正下方的圆环面的分布示意图。
图4为现有技术中的车轮结构示意图。
图5a为图1装置充型过程中的易发生卷气部位。
图5b为图5a的局部放大图。
图5c为图5a处在慢速充型时的充型顺序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1-2所示，以低压铸造为例，本发明的带有熔池保温炉的车轮反重力铸造设备，包括熔池保温炉1、模具2和升液箱3；
所述的熔池保温炉1包括炉体4，炉体内壁设有耐火材料形成的保温层5，保温层围成金属熔体的熔池6，炉体上部设有炉盖7，炉盖下方同样设有保温层，炉盖一侧开设有加料口，炉盖中央位置连接中央升液管8，炉盖上连接高压气源，炉壁内设有第一电加热装置，炉盖上方设有第一热电偶；其中炉盖上开设加料口、高压气源、第一电加热装置和热电偶为现有技术，为简化视图起见，在图中未示出。第一电加热装置和热电偶对熔池保温炉内的金属熔体进行测温，并控制其保持在充型温度，加料口用于添加铝液、高压气源用以使金属熔体上升至模具型腔内。
中央升液管上方连接有升液箱3，升液箱上部与机架上的下模板连接，升液箱箱体内设有多个与升液管相通的分流通道，且每个分流通道连接一路分流浇口9，升液箱内设有多路分流浇口，该分流浇口对应于车轮模具轮辋正下方的位置，与浇入模具型腔用的型腔入口相连通，并将分流的金属熔体压边浇注入型腔，所述升液箱上设有第二电加热装置和测温热电偶。其中分流通道、第二电加热装置和热电偶为现有技术，为简化视图起见，在图中未示出。第二电加热装置和测温热电偶对升液箱内的金属熔体进行测温并加热，防止其冻结。
每个分流浇口对应的模具型腔入口，设置在车轮的轮辋正下方的圆环面10上，特别说明的，本发明中所述“轮辋正下方的圆环面”是指轮辋上与轮缘相对的一侧，环绕车轮中心轴线所形成的圆环面。构成该圆环的外圆是该面上车轮最外圈轮廓线所构成的圆，内圆是车轮的窗口区外侧轮廓线围绕车轮中心轴线所构成的圆。如图3-4所示。对应的，分流浇口与模具相连通的位置同样设置在该处。
尤其优选的是，该分流浇口和型腔入口可以设置在该圆环面上对应窗口区外侧的位置，也可以设置于该圆环面上对应轮辋与轮辐连接的位置。
尤其是，与型腔入口相连通的该分流浇口截面，大致与铸型在此充型处的型腔入口形状随形。
具体的，如图3所示，所述分流浇口9截面的截面形状为：包括第一弧形段11和第二弧形段12，第一弧形段和第二弧形段同心，且第一弧形段的半径和尺寸均小于第二弧形段，第一弧形段和第二弧形段两侧通过连接段13连接。
第一弧形段的长度为72～76mm，第二弧形段的长度为76～80mm，两侧连接段的长度为8～12mm。
所述分流浇口内表面设有放网槽，用以放置过滤网，该过滤网的形状也与铸型在此充型处的型腔入口形状随形。
所述分流浇口数量为两个，在相对车轮轴线的两侧对称设置。所述分流浇口数量也可以大于两个，环绕车轮轴线设置。
炉体底部设有滚轮，所述滚轮位于轨道上，可沿着轨道进行移动。此为现有技术，为简化视图起见，在图中未示出。
下面对与本发明车轮低压铸造设备配套的车轮低压铸造工艺方法进行说明。
图4为一个典型的车轮构造图，其中在现有技术中，通常将车轮的中央位置称为轮心，在车轮外侧，与轮胎装配配合，支撑轮胎的部分称为轮辋，与车轴轮心实施安装连接，并支撑轮辋的车轮部分称为轮辐，多个轮辐中间留有窗口。保持并支撑轮胎方向的轮辋部分称为轮缘。
现有的低压或差压铸造铝合金车轮生产中，几乎全部采用在在车轮的中央轮心位置设置升液管，并使熔体通过连接在升液管上的保温杯和浇注组件，由轮心处的浇口进入型腔，在分流锥的作用下进行分流，并沿着轮心-轮辐-轮辋-轮缘的顺序依次充型，充满型腔后实现凝固，这是由于在实际生产中，在此处设置浇口和升液管最为容易实现，且浇口的截面形状为规则的圆形，加工简单。同时浇口的面积大，可以使充型速度快。但是上述浇注充型方式带来的一些问题始终无法很好解决，如浇口距离远，充型距离过长，在轮辋与轮辐连接等热节部位非常难以补缩，容易形成缩孔缩松，成为困扰车轮行业生产的一大难题。虽然采用对该处采用水冷、水雾冷等方式加强冷却，以期望实现顺序凝固，但是由于车轮充型和凝固时间短，难以对温度场进行精确控制，仍然不可避免的会产生相当比例的废品。
而现有技术中采用在轮辋侧面中部位置进行双边浇注的方式，同样由于充型分流导致的充型和凝固顺序不可控也非常容易形成缩孔缩松缺陷。
基于此问题，本发明提出了一种与前述异形浇注组件配套所适用的，基于多升液通道的车轮成型装置，如图1-2所示，包括盛有铝液的熔池保温炉、保温炉内连接有高压气源，保温炉内设有中央升液管，该中央升液管的下部浸入铝液中。在采用高压气源对炉内的铝液进行加压时，铝液可以沿着中央升液管上升进入升液箱中，并在升液箱中进行2路、4路、或其他路的分流。并通过升液箱上方与型腔入口随形的分流浇口，通过型腔入口进入模具的型腔。
如前所述，型腔入口设置在车轮的轮辋正下方的圆环面上，本发明中所述“轮辋正下方的圆环面”的定义如前所述。
此外，还可以在车轮模具，对应车轮轮心的位置上方，即对应于传统中心底注充型方式的分流锥处设置的一个细化装置，该细化机构可以为超声细化机构或振动细化机构。如包括振动发生器和振动杆，振动杆探入铝液中，在凝固过程中对铝液进行振动，使铝液结晶形成的枝晶被打破，增强形核，以细化晶粒，提高车轮的机械性能。
本发明同时公开了一种适应于该充型方式下的低压铸造工艺，由于本发明的浇注充型方式相对于现有技术做了巨大的变化，原有的充型方式和凝固工艺无法适用于本发明，基于此，本发明同时设计了一种适合该充型位置的工艺。
具体包括如下步骤：
(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着中央升液管上升到升液箱，并通过升液箱中的分流通道到达分流浇口位置，该阶段升压速度为2.8～4.0KPa/s，将压力增加到20KPa；
(2)充型：继续升压，使铝液通过分流浇口进入型腔，该充型阶段为两段式加压，第一阶段升压速度为0.1～0.2KPa/s，时间为2～4s，随后进入第二阶段快速升压，直至将型腔充满，此时压力达到35KPa；
该第二阶段的升压速度P′由如下方式确定：
式中：
P′为升压速度，单位为kPa/s；H为型腔总高度，单位为mm；ρ为金属熔体密度，单位为g/cm3；K为阻力系数，其取值范围为1～1.5；t为预设充型时间，单位为s，优选取10s；102为单位换算系数；N为升液管数量，其取值范围为2～6，可根据不同型号车轮的窗口数量进行选择，优选取2～6；x为其升液指数，取值范围为0.2～0.8，在本实施方式所采用轮型的方案中，取值选0.5。
(3)结晶增压保压：充型结束后，以8～10KPa/的升压速度将压力快速增加到150KPa，并保压60～150s，此时车轮凝固完成。
(4)卸压放气：铝合金车轮凝固完毕，解除熔池保温炉内的气体压力，使升液箱和中央升液管中未凝固的铝液流回到保温炉中。
对于升液阶段和充型阶段的升压速度选择，由于在升液时，升液管以及升液箱中分流浇道的内径固定，基本不会产生紊流，所以采用快速的升压速度，使金属熔体能快速升液达到分流浇口位置，缩短升液时间。而在充型阶段，则要考虑到型腔入口和浇口的复杂形状，在传统的充型方式中，由于采用从轮心位置进行浇注的方式，型腔入口和浇口的截面积相差不大，且轮心处的型腔截面积大，不易产生紊流，因此可以采用经验或者试验得到充型升压速度。而对于本发明的充型方式，采用在轮辋圆环面上进行充型，为不规则随形型腔入口，分流通道和浇口的形状面积差距很大，同时轮辋处的空间较小，如充型压力不合理极易产生紊流卷气，造成气孔缺陷。而现有技术中的充型压力设计均采用理想状态下的计算方式，结合阻力系数等进行修正。没有考虑到浇道和浇口的截面积变化造成的流动状态变化。因此无法采用现有技术中的经验式得到理想的充型升压速度。
因此，本发明对上述问题进行了研究，结合升液箱浇道、分流浇口、型腔入口上方型腔形状与截面积，以及金属熔体的流动特性。发现对于车轮轮辋位置，如图5a中箭头所示的圆框处，在充型的最初阶段存在两个面积发生明显变化的部位，如图5b中箭头所示的圆框处，如果产生紊流，该位置处极易形成卷气，经过设计和计算，本发明采用两段式加压，第一阶段明显地降低升压速度，使金属熔体在充型最初阶段实现平稳流动，充满上述区域以避免卷气，如图5c所示(此处箭头为熔体充型方向)，随后进入第二阶段快速升压以缩短充型时间。在本发明第二阶段的充型过程中，研究发现充型稳定性与分流浇口数量有明显关系，因为传统的从轮心位置进行浇注的方式仅有一个升液管和浇口，因此通过试验即可得到规律并做定量处理。而本发明的充型方式，分流浇口数量可以为2个或更多。同样升压条件下，在浇口处流速、在型腔入口上方型腔内的流速均会发生明显变化，从而导致充型流动方式不可控。因此本发明通过研究，得到第二阶段的升压方式，从公式(1)中可以看出，在相同的预设充型时间内，随着分流浇口数量增加，其可采用的升液速度可以逐步增大，并且不会造成紊流卷气等问题。阻力系数取值与金属液粘度、铸型型腔复杂度等有关，阻力小时取下限，阻力大时取上限。
实施例1：
采用2个分流浇口，所用金属熔体质量百分比组成如下：Si：7～9％，Mg：0.6～0.9％，Zr：0.01～0.02％，B：0.005～0.007％，RE：0.002～0.005％，Nd：0.002～0.005％，Fe:0～0.15％，Mn：0.05～0.1％，Ti：0.12～0.14％，其余为Al和不可避免的杂质。
(1)升液：通过高压气源对保温炉内的铝液进行加压，使铝液在压力下沿着中央升液管上升到升液箱，并通过升液箱中的分流通道到达分流浇口位置，该阶段升压速度为3.5KPa/s，将压力增加到20KPa；
(2)充型：继续升压，使铝液通过浇口进入型腔，第一阶段升压速度为0.2KPa/s，时间为1.8s，使金属熔体平稳充满图5b箭头所示区域，随后进入第二阶段随后以0.66KPa/s的升压速度快速充型，直至将型腔充满。
(3)结晶增压保压：充型结束后，以8KPa/s的升压速度将压力快速增加到150KPa，并保压，直到车轮凝固完成。在保压过程中，在分流浇口处对一直保持轮辋热节的高压力补缩，在高压铝液的补缩下，消除了该处的缩孔缩松产生的可能性。同时对轮心处金属液进行振动细化。
(4)卸压放气：铝合金车轮凝固完毕，解除保温炉内的气体压力，使中央升液管和升液箱中未凝固的铝液流回到保温炉中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
