CN104942259B - 一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，该方法设计了一套可客观再现汽车铝合金车轮半固态充型及凝固过程的装置，该装置由模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置、视频记录仪组成。将一定数量棕榈蜡加入浆料熔化箱，熔化温度80～85℃，在棕榈蜡为糊状时加入30～50μm有机物颗粒，颗粒占棕榈蜡容积15～50％，搅拌后形成半固态浆料；使用定量坩埚舀取半固态浆料加入半固态浆料充型与凝固模拟装置入料口；打开视频记录仪，通过慢放分析浆料充型过程与凝固过程。本发明棕榈蜡与有机颗粒所配置的半固态浆料的粘度、流动性、凝固状态与铝合金半固态浆料十分相似，可为汽车铝合金车轮模具、工艺开发提供有价值指导。

Description

一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法

技术领域

本发明涉及半固态成形技术领域，具体地说，涉及一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法。

背景技术

汽车铝合金车轮半固态成形是一个复杂多参数控制的过程，浆料温度、浆料中颗粒比率、模具型腔的结构、充型过程模具型腔的温度梯度的分布、浆料充型速率等因素都将影响铸件的质量。半固态成形过程是在封闭不透明的金属型腔内进行的，浆料的流动状态、金属型腔温度场对半固态浆料充型过程的影响、模具型腔冷却梯度对凝固过程的影响都不可见的，导致半固态成形铸件出现不可预知部位的欠铸、冷隔、疏松、缩孔等宏观缺陷。半固态铝车轮设计人员与制造人员非常想观察到它的实际充型和凝固过程，以便更好地设计浇注***，控制浆料的状态，消除半固态铸件缺陷。

目前，在铸造开发过程已有PROCAST与FLOW-3D等铸造过程模拟软件，对产品模具开发以及铸造工艺开发虽有帮助，但是该模拟软件在在模拟过程与实际生产过程差异较大，在应用过程中往往需要多次模具结构与铸造工艺的修改；另外，国内也有研制了一些水模拟实验台，应用于重力铸造、低压铸造等工艺模拟，并且充型液态介质用氯化铵水溶液、聚丙烯酰胺水溶液、丁二腈水溶液等透明溶液模拟铸件充型过程，该方式虽能够直观形象地观察铸件的充型过程，但是模拟介质流动性与金属液差异非常大，并不能够客观再现金属液的粘度、流动性以及在金属型腔内的填充过程的真实状态。再者，由于水、氯化铵水溶液、聚丙烯酰胺水溶液以及丁二腈水溶液等透明溶液不能够模拟铸件的凝固结晶过程，该方法对半固态铸造的前期开发虽有帮助，但并不能够真正再现金属半固态浆料在模具型腔内的充型过程及凝固结晶过程。因此如何在半固态产品先期开发过程能够客观的模拟半固态浆料在模具型腔内充型及凝固的过程，真正为半固态成形提供针对性的参考是半固态成形工作人员梦寐以求的事情。

发明内容

本发明的目的是根据汽车铝合金车轮半固态成形的特点研究一种充型及凝固过程的可视化方法，实现在制造前有针对性的模拟，具体地说是一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法。

实现以上方法的技术方案是，一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，该方法研制了一套可客观再现汽车铝合金车轮半固态充型及凝固过程的装置，该装置由模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置、视频记录仪组成。模拟浆料制备装置由控制柜一、电源导线、丝杠、驱动马达一、驱动马达二、粘度测量仪、热电偶、搅拌转子、加热器、浆料熔化箱、水箱组成。控制柜一通过电源导线与驱动马达一、驱动马达二、热电偶、加热器、粘度测量仪相连接并控制其工作；驱动马达一装配在丝杠上，用以控制搅拌转子的上下移动；驱动马达二通过皮带控制搅拌转子的转动；搅拌转子目的是对模拟浆料进行搅拌使其成分均匀分布；驱动马达一与驱动马达二通过角钢装配在一起；粘度仪安装在浆料熔化箱的左侧壁上端部，可对所配置的浆料进行粘度测量；浆料熔化箱安装在水箱的中间区域，其目的是保持浆料熔化箱内的浆料在稳定的温度区间；在水箱的侧壁中间安装热电偶，可实时测量水箱内水的温度，在水箱的底部安装水加热器，可依据浆料要求对水箱内的水进行加热；通过该装置可配置该技术方案所需要的模拟半固态浆料。其中半固态浆料的原料为棕榈蜡，其熔化温度在80～92℃区间，其粘度与流动性接近铝合金的半固态浆料，能够仿真模拟半固态浆料的充型过程，该材料有一定的熔化与凝固温度区间，能够仿真模拟浆料充型后凝固过程；在熔化过程加入蓝色、红色或绿色色素进行染色，其目的为便于浆料充型过程与浆料凝固过程呈现清晰的视觉效果；在熔化的棕榈蜡内按照一定比例加入密度稍大于棕榈蜡的有机物颗粒充当半固态浆料中的颗粒，颗粒尺寸在30～50μm，颗粒占棕榈蜡容积的15～50％，其目的是模拟铝合金的半固态浆料内颗粒比例；制备合格的浆料使用定量坩埚转移，定量坩埚采用石墨材质，其保温性能良好，在坩埚内侧面有溶积刻度线，可依据模拟型腔溶剂大小定量舀取所制备的半固态浆料。半固态浆料充型与凝固模拟装置由控制柜二、液压输送管、夹具板一、液压油缸一、液压油缸二、提升钢板、连接导柱、浆料输送钢管、浆料入口、浆料挤压活塞、液压油缸三、夹具板二、左侧模、边模、右侧模、热电偶、加热棒组成；控制柜二通过液压输送管与电源导线、各液压油缸、热电偶、加热器相连接；液压油缸一有上下两个，分别安装在夹具板一上，液压油缸一的另一端与提升钢板相连接；连接导柱与提升钢板、左侧模相连接，通过液压油缸一可控制左侧模的左右开模与合模；液压油缸二安装在提升钢板的中间部位，液压油缸二的右端与浆料挤压活塞相连接，可控制浆料在模具型腔内的充型速度与对浆料的挤压力的大小；浆料输送钢管与左侧模中间的冒口相连接，在浆料输送钢管的上部有浆料入口，加工合格的半固态浆料通过浆料入口加入，在浆料挤压活塞的作用下完成浆料在模具型腔内的充型；右侧模安装在夹具板二上，液压油缸三也安装在夹具板二上，液压油缸三分上下两个，液压油缸三与边模相连接，可控制两块边模的开模与合模；在边模与右侧模的不同位置分别装配有热电偶与加热棒，目的是实验过程控制模具温度场的分布；左侧模、边模、右侧模造型与所开发的产品一致，尺寸比例为1:1，材质为透光性良好的钢化玻璃玻璃，该材质不仅仅透光性良好，而且能耐200℃左右的温差，韧性也较好，目的为在浆料充型过程以及凝固过程能够清晰的在视频记录中呈现；视频记录仪安装在夹具板三的中间区域，在试验过程通过其中的高速摄像机记录浆料在模具型腔内的流动及凝固过程，并在铸件设计开发过程通过视频慢放进行研究分析，为模具开发以及半固态铸造工艺开发提供客观的技术参数。

具体的实施过程为：

(1)将模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置与视频记录仪安装调试好。

(2)选用棕榈蜡为原料，密度稍大于棕榈蜡的有机物颗粒充当半固态浆料中的颗粒，先将一定数量棕榈蜡加入浆料熔化箱，设置熔化温度在80～85℃，在棕榈蜡为糊状时加入有机物颗粒，颗粒尺寸在30～50μm，颗粒占棕榈蜡容积的15～50％，打开搅拌转子使有机物颗粒均匀的分布在棕榈蜡溶液中，使用粘度仪测量浆料的粘度，形成半固态浆料。

(3)将半固态浆料充型与凝固模拟装置、边摸与左右侧模合拢，在控制柜上输入各技术参数，调整好视频记录仪。

(4)使用定量坩埚依据模具型腔溶积舀取一定量的半固态浆料加入半固态浆料充型与凝固模拟装置的入料口。

(5)在控制柜上启动按钮，打开视频记录仪，记录浆料。在模具型腔内的流动及凝固过程。

(6)在一定的周期内等半固态浆料完全凝固后打开边模与左侧模观察模拟铸件外观。

(7)读取视频数据，通过慢放分析浆料充型过程与凝固过程。

(8)依据上述步骤分析调整工艺参数再次试验，直至达到所设计的试验要求。

(9)依据试验过程的参数分析为后续半固态模具开发与半固态铸件工艺做技术性依据。

本发明棕榈蜡与有机颗粒所配置的半固态浆料的粘度、流动性以及凝固状态与铝合金半固态浆料十分相似，各参数模拟客观、可信度高。该试验模具的材质为透光性良好的钢化玻璃，试验过程浆料在模具型腔内的流变形态以及凝固状态通过视频记录仪可清晰呈现。钢化玻璃材质容易得到，造价不高，容易加工制作试验模具，使其模拟数据更客观、更逼真、更具有可靠性。该技术方案可为汽车铝合金车轮的模具开发、工艺开发提供有价值指导，是实现汽车铝合金车轮半固态制造先期开发良好的模拟技术方案。

附图说明

图1、为本发明的模拟浆料制备装置结构示意图。

图2、为本发明浆料定量舀取装置的结构示意图。

图3、为本发明半固态浆料充型与凝固模拟装置的结构示意图。

图中控制柜一(1)、电源导线2、丝杠3、驱动马达一(4)、驱动马达二(5)、粘度测量仪6、热电偶7、搅拌转子8、加热器9、浆料熔化箱10、水箱11、定量坩埚12、控制柜二(13)、液压输送管14、夹具板一(15)、液压油缸一(16)、液压油缸二(17)、提升钢板18、连接导柱19、浆料输送钢管20、浆料入口21、浆料挤压活塞22、液压油缸三(23)、夹具板二(24)、左侧模25、边模26、右侧模27、热电偶28、加热棒29、视频记录仪30。

具体的实施方式

如图1、2、3所示，一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，该方法研制了一套可客观再现汽车铝合金车轮半固态充型及凝固过程的装置，该装置由模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置、视频记录仪组成的装置。其中模拟浆料制备装置由控制柜一(1)、电源导线2、丝杠3、驱动马达一(4)、驱动马达二(5)、粘度测量仪6、热电偶7、搅拌转子8、加热器9、浆料熔化箱10与水箱11组成；控制柜一(1)通过电源导线2与驱动马达一(4)、驱动马达二(5)、热电偶7、加热器9与粘度测量仪6相连接并控制其工作；驱动马达一(4)装配在丝杠3上用以控制搅拌转子8的上下移动，驱动马达一(4)、驱动马达二(5)通过皮带控制搅拌转子8转动，搅拌转子8对模拟所用的浆料进行搅拌并使其成分均匀分布；浆料熔化箱10安装在水箱11的中间区域，目的是保持浆料熔化箱内的浆料在恒定的温度区间；在水箱11的侧壁中间安装热电偶7，用以实时测量水箱11内水的温度，在水箱11的底部安装水加热器9，目的是依据浆料要求对水箱11内的水进行加热；通过该装置可配置该技术方案所需要的模拟半固态浆料，其特征在于：半固态浆料的原料为棕榈蜡，其熔化温度在80～92℃区间，可制备粘度与流动性接近铝合金的半固态浆料，模拟半固态浆料的充型过程；该材料有一定的熔化与凝固温度区间，能够模拟铝合金的半固态浆料充型后的凝固过程；在熔化过程加入蓝色、红色或绿色色素进行染色，可使浆料充型过程与浆料凝固过程呈现清晰的视觉效果；在熔化的棕榈蜡内按照一定比例加入密度稍大于棕榈蜡的有机物颗粒充当半固态浆料中的颗粒，颗粒尺寸在30-50μm，颗粒占棕榈蜡容积的15-50％，其目的是模拟铝合金的半固态浆料内颗粒比例。

如图2所示，制备合格后的浆料使用定量坩埚12转移，其特征在于：定量坩埚12采用石墨材质，保温性能良好，在坩埚内侧面有溶积刻度线，可依据模拟型腔大小定量舀取所制备的半固态浆料。

如图3所示，半固态浆料充型与凝固模拟装置，由控制柜二(13)、液压输送管14、夹具板一(15)、液压油缸一(16)、液压油缸二(17)、提升钢板18、连接导柱19、浆料输送钢管20、浆料入口21、浆料挤压活塞22、液压油缸三(23)、夹具板二(24)、左侧模25、边模26、右侧模27、热电偶28、加热棒29组成。控制柜二(13)通过液压输送管14与电源导线、各液压油缸热电偶、加热器相连接；液压油缸一(16)有上下两个，分别安装在夹具板一(15)上，液压油缸一(16)的另一端与提升钢板(18)相连接；连接导柱(19)与提升钢板(18)、左侧模(25)相连接，通过液压油缸一(16)可控制左侧模(25)的左右开模与合模；液压油缸二(17)安装在提升钢板18的中间部位，液压油缸二(17)的右端与浆料挤压活塞(22)相连接，可控制浆料在模具型腔内的充型速度与对浆料的挤压力的大小；浆料输送钢管(20)与左侧模(25)中间的冒口相连接，在浆料输送钢管(20)的上部有浆料入口(21)，加工合格的半固态浆料通过浆料入口(21)加入，在浆料挤压活塞(22)的作用下完成浆料在模具型腔内的充型；右侧模(27)安装在夹具板二(24)上，液压油缸三(23)也安装在夹具板二(24)上，液压油缸三(23)分上下两个，液压油缸三(23)与边模(26)相连接，可控制两块边模(26)的开模与合模；在边模(26)与右侧模(27)的不同位置分别装配有热电偶(28)与加热棒(29)，目的是控制实验过程模具温度场的分布；左侧模(25)、边模(26)、右侧模(27)的造型与所开发的产品一致，尺寸比例为1:1，材质为透光性良好的钢化玻璃，该材质不仅仅透光性良好，而且能耐200℃左右的温差，韧性也较好，可在浆料充型过程以及凝固过程能够清晰地在视频记录中呈现；视频记录仪30安装在夹具板二(24)的中间区域，在试验过程记录浆料在模具型腔内的流动过程以及浆料的凝固过程，为模具开发以及半固态铸造工艺开发提供客观的技术参数。

实施例1：918-20×8.5半固态铸件的充型与凝固模拟。

本实施例选用棕榈蜡为原料，密度稍大于棕榈蜡的有机物颗粒充当半固态浆料中的颗粒，先将一定数量棕榈蜡加入浆料熔化箱，设置熔化温度在80～85℃，在棕榈蜡为糊状时加入有机物颗粒，颗粒尺寸在30μm，颗粒占棕榈蜡容积的40％，其具体过程为：

(1)将模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置与视频记录仪安装调试好。

(2)先将一定数量棕榈蜡加入浆料熔化箱，设置熔化温度在80℃，在棕榈蜡为糊状时加入有机物颗粒，打开搅拌转子使有机物颗粒均匀的分布在棕榈蜡溶液中，使用粘度仪测量浆料的粘度，形成半固态浆料。

(3)将半固态浆料充型与凝固模拟装置边模与左右侧模合拢，在控制柜上输入各技术参数，调整好视频记录仪。

(4)使用定量坩埚依据模具型腔溶积舀取一定量的半固态浆料加入半固态浆料充型与凝固模拟装置的入料口。

(5)在控制柜上启动开启按钮，打开视频记录仪，记录浆料在模具型腔内的流动过程以及浆料的凝固过程。

(6)在一定的周期内等半固态浆料完全凝固后打开边模与左侧模观察模拟铸件外观。

(7)读取视频数据，通过慢放分析浆料充型过程与凝固过程。

(8)依据上述步骤分析调整工艺参数再次试验，直至达到所设计的试验要求。

(9)依据试验过程的参数分析为918-20×8.5半固态铸件后续模具开发与半固态铸件工艺开发做技术性依据。

Claims (5)

1.一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，其特征是：该方法研制了一套可客观再现汽车铝合金车轮半固态充型及凝固过程的装置，该装置由模拟浆料制备装置、定量坩埚、半固态浆料充型与凝固模拟装置、视频记录仪组成；其中半固态浆料充型与凝固模拟装置由控制柜二(13)、液压输送管(14)、夹具板一(15)、液压油缸一(16)、液压油缸二(17)、提升钢板(18)、连接导柱(19)、浆料输送钢管(20)、浆料入口(21)、浆料挤压活塞(22)、液压油缸三(23)、夹具板二(24)、左侧模(25)、边模(26)、右侧模(27)、热电偶(28)、加热棒(29)组成；控制柜二(13)通过液压输送管(14)与电源导线、各液压油缸热电偶、加热器相连接；液压油缸一(16)有上下两个，分别安装在夹具板一(15)上，液压油缸一(16)的另一端与提升钢板(18)相连接；连接导柱(19)与提升钢板(18)、左侧模(25)相连接，通过液压油缸一(16)可控制左侧模(25)的左右开模与合模；液压油缸二(17)安装在提升钢板(18)的中间部位，液压油缸二(17)的右端与浆料挤压活塞(22)相连接，可控制浆料在模具型腔内的充型速度与对浆料的挤压力的大小；浆料输送钢管(20)与左侧模(25)中间的冒口相连接，在浆料输送钢管(20)的上部有浆料入口(21)，加工合格的半固态浆料通过浆料入口(21)加入，在浆料挤压活塞(22)的作用下完成浆料在模具型腔内的充型；右侧模(27)安装在夹具板二(24)上，液压油缸三(23)也安装在夹具板二(24)上，液压油缸三(23)分上下两个，液压油缸三(23)与边模(26)相连接，可控制两块边模(26)的开模与合模；在边模(26)与右侧模(27)的不同位置分别装配有热电偶(28)与加热棒(29)；模拟时将一定数量棕榈蜡加入浆料熔化箱，熔化温度为80～85℃；在棕榈蜡为糊状时加入有机物颗粒，颗粒尺寸在30～50μm，颗粒占棕榈蜡容积的15～50％，打开搅拌转子使有机物颗粒均匀的分布在棕榈蜡溶液中，使用粘度仪测量浆料的粘度，形成半固态浆料；然后将半固态浆料充型与凝固模拟装置、边模与左右侧模合拢，在控制柜上输入各技术参数，调整好视频记录仪；再使用定量坩埚依据模具型腔容积舀取一定量的半固态浆料加入半固态浆料充型与凝固模拟装置的入料口；打开视频记录仪，记录浆料在模具型腔内的流动及凝固过程；在一定的周期内等半固态浆料完全凝固后打开边模与左侧模观察模拟铸件外观；读取视频数据，通过慢放分析浆料充型过程与凝固过程。

2.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，其特征是：模拟浆料制备装置由控制柜一(1)、电源导线(2)、丝杠(3)、驱动马达一(4)、驱动马达二(5)、粘度测量仪(6)、热电偶(7)、搅拌转子(8)、加热器(9)、浆料熔化箱(10)与水箱(11)组成；控制柜一(1)通过电源导线(2)与驱动马达一(4)、驱动马达二(5)、热电偶(7)、加热器(9)、粘度测量仪(6)相连接并控制其工作；驱动马达一(4)装配在丝杠(3)上用以控制搅拌转子(8)的上下移动，驱动马达一(4)、驱动马达二(5)通过皮带控制搅拌转子(8)转动，搅拌转子(8)对模拟所用的浆料进行搅拌并使其成分均匀分布；浆料熔化箱(10)安装在水箱(11)的中间区域，在水箱(11)的侧壁中间安装热电偶(7)，用以实时测量水箱(11)内水的温度，在水箱(11)的底部安装水加热器(9)，目的是依据浆料要求对水箱(11)内的水进行加热。

3.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，其特征是：制备合格后的浆料使用定量坩埚(12)转移，定量坩埚(12)采用石墨材质，在坩埚内侧面有溶积刻度线，可依据模拟型腔大小定量舀取所制备的半固态浆料。

4.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，其特征是：左侧模(25)、边模(26)、右侧模(27)的造型与所开发的产品一致，尺寸比例为1:1，材质为透光性良好的钢化玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金车轮半固态流变成形可视化方法，其特征是：视频记录仪(30)安装在夹具板二(24)的中间区域，在试验过程记录浆料在模具型腔内的流动及凝固过程。