CN102615268B - 一种铝合金连杆的反重力挤压铸造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用反重力挤压铸造工艺制造铝合金连杆的方法及模具，具体说是一种裂解型铝连杆的制造方法与模具，其技术方案是预先在模具内置入适合的箔材，铝熔液以挤压浇注式充型，通过分流锥对的分流与控制，铝液自下而上进入型腔，箔材两侧液面同步上升，使连杆铸件内形成裂解界面。所述模具上设置丝杠机构，调节连杆体型腔与连杆盖型腔对合面之间的间隙，便于放置与更换箔材。用本发明的装置和方法保证连杆铸造时形成的裂解界面在其大头预断区之内，避免连杆在后续裂解加工过程中出现裂纹分叉或裂解面偏移等缺陷，使铸件无卷气，无冷隔、无欠浇、组织紧密、可以进行热处理，其力学性能和机械性能显著提高。

Description

一种铝合金连杆的反重力挤压铸造装置及制造方法

技术领域

本发明属于采用挤压铸造工艺制备零件技术领域，特别涉及一种铝合金连杆的反重力挤压铸造方法及模具装置。

背景技术

连杆作为发动机的关键零部件之一，由连杆体和连杆盖以螺栓连接而成，其工作过程中主要承受燃烧爆发力和往复惯性力所产生的拉伸、压缩、弯曲等高频交变载荷，工作条件恶劣，运动状态复杂，疲劳、磨损、震动等影响连杆的使用寿命。因此，要求连杆既要具有较高的强度和抗疲劳性能，又要具有足够的刚性和韧性。

近年来许多科技工作者提出了多种合金液态成型技术，如高压铸造法、低压铸造法（含重力铸造）。高压铸造法是通过压铸机用高压高速将液态合金压射入成型模具型腔中冷却定型来完成制品的成型，其充型速度快，但是压射过程中常出现排气不良，合金液卷气，使铸件组织含气，且有冷隔、欠铸等缺陷，导致制品的机械性能降低，不能进行热处理。低压铸造法是通过压铸机用低压低速将炙热的液态合金压射进入成型模具的型腔中，冷却定型完成制品的成型，其充型速度慢，时间长，模具排气较充分，铸件的含气量减少，但是铸件的冷却凝固过程所受压力不足，使得组织疏松，晶粒粗大，机械性能较低。

目前，国内铝合金连杆的加工依赖于传统机械加工方式，先将整体连杆毛坯锯切为连杆体、连杆盖两部分，再采用磨削方式加工两者的对合面。该加工工序繁多，效率低下，且受定位精度影响，制造的连杆承载能力与装配精度受很大限制。在国外，已采用粉末冶金技术、半固态成型技术制造铝合金连杆。美国专利号：US20020148325A1，提出了采用半固态成型技术制造裂解型铝合金连杆。该专利提出将特定成分的铝合金制作成半固态原料后挤压注入连杆模具成型，后续经淬火热处理、人工时效调节铝合金连杆的强韧性，使其在室温条件下能脆性断裂，满足连杆裂解加工的要求。它存在如下不足：半固态铝合金原料的制备工艺复杂，成本高昂，其冷却后形成的晶粒过大或过小均影响连杆的强韧性，后续的热处理对连杆性能的影响复杂，使连杆裂解加工时易出现大头撕裂、裂不开、掉渣、断裂面变形等问题。

由唐全波、姜巨福等发表的“ADC12铝合金连杆挤压铸造”，特种铸造及有色合金，2006，30（7），提出了直接挤压方法形成的铝合金连杆，用此方法制造的铝连杆结晶组织很细腻，无疏松、表面质量和力学性能较高，但存在如下缺点：1）浇入型腔内铝熔液的数量和温度控制要严，考虑铝熔液经挤压、凝固后体积收缩问复杂，否则连杆坯料的成形尺寸达不到技术要求或因铝熔液少了，而使金属组织疏松，因而产品合格率低，操作技术要求高；2）由于浇注后、开始加压前，液态金属液容易在尖角或窄腔处形成自由结壳，加压后自由结壳被挤破，金属液将其包裹在其中，易形成夹皮。

反重力挤压铸造是一种铸、锻合为一体的少切屑或无切屑工艺，液态合金经压头的挤压作用，以低流速、大流量填充型腔，待金属液处于准固相区时，继续挤压合金实行高压强制补缩。该方法克服了高压铸造法容易卷入气体和氧化渣的缺陷，有效改善了低压铸造法凝固压力不够而造成的组织疏松，晶粒粗大等缺陷。另外，在热压条件下，裂解用的箔材与金属液反应所形成的熔合界面致密，界面内部的所有体积缺陷得以压扁，界面附近生成的氧化物通过扩散作用与基体材料黏合，从而，在连杆毛坯中形成理想的裂解界面，以提高连杆裂解效率，保证裂解质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种裂解型铝合金连杆毛坯的制造方法与模具，解决采用传统机械加工铝合金连杆工艺中存在的工序繁多，材料利用率低、机床设备投资大、刀具及能源耗费多等问题。

本发明在模具型腔内预先放置裂解材料，通过扇形浇道与分流锥的合理分配进入型腔的金属液，使箔材两侧的金属液同步上升，减少充型过程中金属液对箔材的冲击，冷却后在连杆预定的分割区内形成的裂解界面。后续实施裂解工艺时，连杆沿预制的裂解界面断裂剖分，可避免出现裂纹分叉或裂解面偏移等缺陷

一种利用反重力挤压铸造工艺制造铝合金连杆的模具，包括上模一、下模一、上模二、下模二、上模架、下模架、分流锥、卡环、浇口套、液料缸、压头、丝杆、拉杆、顶杆、上模压板、下模垫板、模柄；模具型腔由连杆体型腔和连杆盖型腔构成，在连杆体型腔（29）和连杆盖型腔（22）垂直对合面处设置相互配合的凸台面与凹腔结构，凸台面高度略小于凹腔深度0.02~0.25㎜，合模时凸台面与凹腔结构配合，使嵌套在上模架内的上模一与上模二精确定位，使嵌套在下模架内的下模一与下模二精确定位，合模后凸台面与凹腔构成的间隙用于放置箔材；下模架与上模架两侧设置楔形槽，楔形块由螺钉固定在下模座上，楔形块外缘侧装配有卷轮；在靠近连杆盖型腔的下模垫板末端设置丝杆，通过调节丝杆可将上模二与下模二组成的连杆盖铸型沿丝杆轴线方向移动，改变两型腔的对合面之间的间距；在连杆体型腔与连杆盖型腔的垂直分型面下部安装液料缸，所述液料缸为无顶无底的圆柱形筒状结构，其顶部用浇口套将液料室连通压室，底部配合钢制的圆柱压头；压室顶部安装有分流锥，所述分流锥为圆柱台阶形柱体，由二片半圆柱体对合而成，其中半片分流锥在连杆体模腔的下部，另半片分流锥在连杆盖模腔的下部，且位置相互对应，分流锥两侧有两支独立的扇形浇道，分别连通连杆体模腔和连杆盖模腔；安装时将卡环嵌入分流锥下部的轴颈部，经下模一、下模二与下模垫板夹紧固定；上模压板上设置脱模机构，拉杆与顶杆上端固定在打料板上，拉杆下端设有轴肩，脱模时限制打料板与顶杆的向上运动。

所述丝杆能将连杆盖铸型沿丝杆轴线方向移动，用来调节连杆体铸型与连杆盖铸型之间的间距，便于铸造前在该间隙内安装或更换箔材；下模架与上模架两侧设置楔形槽，楔形块嵌入安装在楔形槽内，由螺钉固定在下模座上，并利用两者之间的楔紧力固定箔材；楔形块外缘侧装配有卷轮，铸造时将备用的箔材预先放置在卷轮上。安装箔材时，先在箔材带上侧边缘粘贴高温胶带，以增加箔材带强度与韧性，生产时实现箔材的连续、不剪断的输送。

模具的工作原理及过程：模具以水平分型，分型面设置在连杆零件的中线偏下位置，压射装置设置在连杆体型腔与连杆盖型腔的垂直配合面正下方。该模具由两个独立的液压缸运行工作，模具合模时，模柄下降带动上模一、上模二向下运动并合模，通过拉杆与定位销进行定位，并通过丝杆调节连杆盖铸型位置后预置箔材将其固定夹紧。生产时，先将合金液定量浇入液料缸内，液压机下液压缸向上推动压头以一定速度运动，液态合金液经过扇形浇道进入型腔，待充型完毕后，压头继续施加强压，使合金液在高比压条件下结晶凝固成型。开模时，先将丝杠调节到合理位置，模柄带动上模一、上模二向上运动，铸件顶着顶杆，使打料板和拉杆一起向上运动。拉杆上升一段距离后，由于下模垫板的限制，打料板及拉杆均不再随模柄向上运动。这样，当模柄带动上模继续上升时，顶杆便将挤压铸件从模腔中定出。

本发明的铝合金连杆的反重力挤压铸造方法，工艺步骤依次为：预热模具、涂覆脱模剂、预置箔材、合模、低压充型、挤压成型、开模取件、热处理；

（1）预热模具：将模具预热至150~250摄氏度；

（2）模具型腔内壁喷刷脱模剂，并在间隙13内放置用于连杆裂解的箔材，然后合模；

（3）低压充型：把铝合金液定量浇注到液料缸内，经压头低速平稳推送，铝熔液经反重力方向以稳定的流速注满型腔，铝合金浇注温度为650~720摄氏度，压头速度控制在50~70mm/s；

（4）强压补缩：型腔充满后，经压头继续挤压铝熔液，实行强制补缩，使力能合金在高压力作用下冷却、结晶、凝固形成铸件；比压为85~100Mpa，保压时间为30~40s；

（5）将挤压成型的铝合金连杆从模具中取出，铸件的清理后进行热处理强化。

本发明的有益效果：

1. 模具内预置的裂解用箔材与金属液作用，冷却后在连杆的预定裂解区形成的裂解界面，改善连杆裂解过程中出现的裂不开、裂纹分叉、或裂纹扩展偏移预定位置等问题。

2. 可控充型速度，保证了预置箔材两侧金属液平稳上升、排气顺畅，避免产生冲击和紊流，有效避免卷入气体和氧化渣；

3. 可获得致密的连杆铸件，在压头强压作用下处于准固相的金属液发生枝晶破碎，实现了强制补缩，减小裂纹倾向，消除热裂隐患。

4. 连杆铸件的尺寸精度和表面质量得到改善，力学性能有很大提高，生产方法简单，工艺参数可波动大，产品合格率高。

附图说明

图1为连杆结构示意图 

图2为本发明的铝合金连杆反重力挤压铸造成型装置结构示意图

图3为本发明装置的下模的俯视图

图4为分流锥结构示意图

图中：下模座板1、拉杆2、下模架3、下模一4、上模架5、上模一6、顶杆7、螺母8、9、18    上模板9、 上模板10、   模柄11、  打料板12、  箔材13、          

上模压板14、导套15、上模二16、支撑板17、丝杆19、下模二20、导销21、连杆盖形腔22、液料缸23、压头24、压室25、浇口套26、分流锥27、扇形浇道28、连杆体形腔29、连杆体30、裂解界面31、连杆盖32、楔形块33

卡环34、卷轮35

具体实施方法

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明专利的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例：

图1是本实施例连杆的示意图，该连杆包括连杆体30、连杆盖32，两者由裂解界面32上犬牙交错的结构保证精确啮合。

本实施例采用反重力挤压铸造方法制造裂解型铝合金连杆。连杆材料为LD10铝合金，用于连杆裂解的箔材选用镁基合金AZ31，其厚度为0.1mm。

结合图1、图2，本发明中的铝合金连杆的反重力挤压铸造装置，包括上模二16、上模一6、下模一4、下模二20、上模架5、下模架3、分流锥27、卡环34、浇口套26、液料缸23、压头24、丝杆19、拉杆2、顶杆7、上模压板14、下模垫板1、模柄11；模具型腔由连杆体型腔29和连杆盖型腔22构成，在连杆体型腔29和连杆盖型腔22垂直对合面处设置相互配合的凸台面与凹腔结构，凸台面高度略小于凹腔深度0.15㎜，合模时凸台面与凹腔结构配合，使嵌套在上模架5内的上模一4与上模二16精确定位，使嵌套在下模架3内的下模一20与下模二16精确定位，合模后凸台面与凹腔构成的间隙用于放置箔材。在靠近连杆盖型腔的下模垫板1末端设置有丝杆19，可通过丝杆19调节连杆盖铸型在模架里的位置，适当调节连杆体铸型与连杆盖铸型之间间距，便于在间隙13内安装箔材或更换箔材，再利用下模架3两侧的楔形块33将箔材固定。模具的压射装置垂直设置在连杆体型腔29与连杆盖型腔22的垂直分型面下部，固定于下模垫板1上，其液料缸23为无顶无底的圆柱形筒状结构，顶部用浇口套26将液料室25连通压室，底部配合钢制的圆柱压头24，浇注充型时挤压压力由压头24提供。模具顶部设置了由拉杆2、顶杆7、打料板14构成的脱模机构；

铸造时备用的箔材带放置在卷轮35上，为增加箔材带的韧性，防止箔材撕裂给箔材的更换与模具的合装带来不便，先在箔材带的上侧边缘粘贴高温胶带。在安装或更换箔材时，通过丝杠机构调整连杆体型腔与连杆盖型腔的间距，从模具侧向装入箔材后，拖动高温胶带以调整其在间隙内的位置，最后利用两型腔配合面的台阶结构与模框两侧的楔形块固定箔材。

模具的工作过程：模具由两个独立的液压缸运行工作，模具合模时，模柄11下降带动上模一6与上模二16向下运动并合模，通过拉杆2与定位销21进行定位，并通过丝杠19调节连杆盖铸型位置后预置箔材将其固定夹紧。生产时，先将合金液定量浇入液料缸23内，液压机下液压缸向上推动压头24以一定速度运动，液态合金液经过扇形浇道进入型腔，待充型完毕后，压头继续施加强压，使合金液在高比压条件下结晶凝固成型。开模时，将丝杠调节到合理位置，模柄11带动上模一6与上模二16向上运动，挤压铸件顶着顶杆7，使打料板12和拉杆2一起向上运动。拉杆上升一段距离后，由于下模垫板1的限制，打料板12及拉杆2均不再随模柄向上运动。这样，当模柄11带动上模继续上升时，顶杆便将挤压铸件从模腔中定出。

铝合金LD10连杆的反重力挤压铸造工艺参数如下：

本实施例的工艺步骤依次为：预热模具、涂覆脱模剂、预置箔材、合模、低压充型、挤压成型、开模取件、热处理。具体操作步骤如下：

步骤1：预热模具：将模具预热至220~240摄氏度；

步骤2：对模具型腔喷刷脱模剂，并在连杆大头部预留的间隙内放置用于连杆裂解的箔材，然后合模；；采用的涂料是水剂胶体石墨；

步骤3：把铝熔液浇注到液料室，经压头推动铝熔液，使铝熔液从反重力方向以稳定的流速注满型腔，铝熔液温度控制在650~720摄氏度，压头速度控制在50~70mm/s；用浇包直接将铝熔液浇道液室，或在料缸外壁预留浇料口，从液料室侧面直接注入铝液，压头在压射时采用滑块密封浇料口。

步骤4：强压补缩：型腔充满后，经压头继续挤压铝熔液，实行强制补缩，使其在压力作用下凝固结晶形成铸件，比压为85~100Mpa，保压时间为30~40s；

步骤5：将挤压凝固后的铝合金连杆从模具中取出，铸件清理后热处理：固溶温度为

，保温时间为6~8h，淬火转移时间控制在15s以内，用

热水淬火；时效处理为

，保温时间为8~10h，出炉空冷。

本发明由于采用合理的反重力挤压工艺方法和合理的模具装置，显著改善了连杆铸件的结晶组织与力学性能，减少缩孔、缩松、卷气等铸造缺陷。铸造的连杆在室温条件下，通过在连杆大头孔施加胀断载荷，能实现连杆体、连杆盖沿预置的裂解面的脆性分离，且断裂面上犬牙交错的结构使得连杆体与连杆盖具有很好的啮合性与重定位性，保证两者能精确合装。

Claims (3)

1.一种铝合金连杆的反重力挤压铸造装置，其特征是：包括下模一（4）、下模二（20）、上模二（16）、上模一（6）、上模架（5）、下模架（3）、分流锥（27）、卡环（34）、浇口套（26）、液料缸（23）、压头（24）、丝杠（19）、拉杆（2）、顶杆（7）、上模压板（14）、下模垫板（1）、模柄（11）；模具型腔由连杆体形腔（29）和连杆盖形腔（22）构成，在连杆体形腔（29）和连杆盖形腔（22）垂直对合面处设置相互配合的凸台面与凹腔结构，凸台面高度略小于凹腔深度0.02~0.25㎜，合模时凸台面与凹腔结构配合，使嵌套在上模架（5）内的上模一（6）与上模二（16）精确定位，使嵌套在下模架（3）内的下模一（4）与下模二（20）精确定位，合模后凸台面与凹腔构成的间隙用于放置箔材；下模架（3）与上模架（5）两侧设置楔形槽，楔形块（33）嵌入安装在楔形槽内，并由螺钉固定在下模架（3）上，楔形块外缘侧装配有卷轮（35）；在靠近连杆盖形腔（22）的下模垫板（1）末端设置丝杠（19），通过调节丝杆（19）使上模二（16）与下模二（20）组成的连杆盖形腔（22）沿丝杆（19）轴线方向移动，从而改变两型腔对合面之间间隙的间距；在连杆体形腔（29）与连杆盖形腔（22）的垂直分型面下部安装液料缸（23），所述液料缸（23）为无顶无底的圆柱形筒状结构，其顶部用浇口套（26）连通液料缸（23）和压室（25），底部配合钢制的圆柱压头（24）；压室（25）顶部安装有分流锥（27），所述分流锥（27）为圆柱台阶形柱体，由二片半圆柱体对合而成，其中半片分流锥在连杆体形腔（29）的下部，另半片分流锥在连杆盖形腔（22）的下部，且位置相互对应，分流锥（27）两侧有两支独立的扇形浇道（28），分别连通连杆体形腔（29）和连杆盖形腔（22），安装时将卡环（34）嵌入分流锥（27）下部的轴颈部，经下模一（4）、下模二（20）与下模垫板（1）夹紧固定；上模压板（14）上设置脱模机构，拉杆（2）与顶杆（7）上端固定在打料板（12）上，拉杆（2）下端设有轴肩，脱模时限制打料板（12）与顶杆（7）的向上运动。

2. 采用权利要求1所述的铝合金连杆的反重力挤压铸造装置制造铝合金连杆的方法，其特征在于，步骤依次为：预热模具、涂覆脱模剂、预置箔材、合模、低压充型、挤压成型、开模取件、热处理；具体步骤为：

（A）预热模具：将模具预热至150~250摄氏度；

（B）模具型腔内壁喷刷脱模剂，并在连杆体形腔（29）和连杆盖形腔（22）的配合间隙内放置用于连杆裂解的箔材（13），合模；

（C）低压充型：把铝合金液定量浇注到液料缸内，经压头低速平稳推送，铝熔液经反重力方向以稳定的流速注满型腔，铝合金浇注温度为650~720摄氏度，压头速度控制在50~70mm/s；

（D）强压补缩：型腔充满后，压头继续挤压铝熔液，实行强制补缩，使铝合金在高压力作用下冷却、结晶、凝固形成铸件；压强为85~100Mpa，保压时间为30~40s；

（F）将挤压成型的铝合金连杆从模具中取出，铸件清理后进行热处理强化。

3. 根据权利要求2所述的制造铝合金连杆的方法，其特征在于：备用的箔材带放置在卷轮（35）上，安装箔材时，先在箔材带上、下侧边缘粘贴耐高温胶带，所述耐高温胶带耐温性能在                                               

。

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