镁合金轮毂真空高压铸造技术研究 毕业论文

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1、镁合金轮毂真空高压铸造技术研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：刘伟召指导教师：龙思远专业：材料加工工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一一年五月A Study on Vacuum Aided HighPressure Die-casting for Mg WheelA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringbyLiu WeizhaoSupervisor by Prof. Long Si

2、yuanMajor: Material Processing EngineeringCollege of Material Science and Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2011中文摘要摘 要轮毂作为汽车、摩托车的惯性运动部件，其轻量化将显著降低行驶能耗和排放，推动镁合金在轮毂上的应用，是车辆通过轻量化实现节能减排的最有效途径。但是，目前汽车、摩托车铝合金轮毂生产主要采用重力铸造或低压铸造工艺，其生产效率低、缺乏镁合金致密成形所需的高压补缩能力，不能用于镁合金轮毂的高效率、高收得率工业生产。因此，开发基

3、于市场保有量巨大的冷室高压压铸机、适合镁合金铸造工艺特性的新型高压铸造方法，是推动镁合金在轮毂产品上规模应用的关键。本课题以新感觉出口摩托车轮毂为对象，通过新型高压铸造工艺研发、轮毂材料替代设计及工艺结构优化，铸造工艺及模具优化设计、样件生产及工艺品质与服役性能检测，形成能够用于工业生产的轮毂真空辅助高压铸造技术，为轮毂在存量卧式冷室压铸机上的规模化生产提供指导。本文取得的主要成果如下： 根据轮毂工艺结构特征，提出了基于卧式冷室压铸机、能同时对轮辐两端热节进行凝固收缩补偿的轮毂真空高压铸造新方法，并申请了发明专利； 完成了新感觉铝合金轮毂的三维造型和服役状态有限元应力分析，逆向确定了原轮毂设计

4、的疲劳准则； 根据镁合金轮毂的机械性能，对轮毂产品的服役及工艺结构进行再设计，在满足结构工艺要求的前提下，使镁合金轮毂服役应力变化更加缓和，安全服役系数从1.83提高到2.3，实现减重38%; 用数值模拟软件对镁合金轮毂的铸造工艺过程就行了仿真分析，优化了浇注排溢系统和铸造工艺参数组合。确定的最佳工艺参数组合为：浇注温度680，模具预热温度250，压射速度4.0m/s，保压压力60MPa；单只轮毂生产周期为4050s，工艺收得率为73%；在此基础上完成了轮毂的成型模具设计，并和合作企业一起完成了模具的制造、调试和实验性生产； 在合作企业进行了镁合金轮毂的真空辅助高压铸造实验性生产，对样件的工艺

5、品质进行的工业和实验室检测表明，产品的内部和外在质量均满足设计要求； 轮毂样件通过了按国家相关标准进行的径向疲劳试验、冲击试验、旋转弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验等台架试验检测。关键词：镁合金，摩托车轮毂，压铸，有限元分析，工艺模拟VII英文摘要AbstractThe wheels are the most massive inertia moving parts of the road vehicle. Their weight saving will reduce the energy consumption and emissions of the vehicle most effectiv

6、ely. Therefore, it is of economically, technically and environmentally importance to promote the application of magnesium alloy on the wheels. However, the main stream wheels are mainly made of Al alloy and mainly produced by gravity die-casting or low-pressure die-casting characterized by their low

7、 productivity and lack of high pressure necessary for shrinkage feeding of magnesium, which, in turn, unable to produce quality Mg wheels with an acceptable productivity. Therefore, the key to promote commercial application of magnesium wheels is to develop a new high pressure die-casting technique

8、that is not only suit to the casting properties of magnesium alloy, but also to meet the requirements for quality Mg wheels at a competitive productivity on cold-chamber die casting machine.In the present study, aimed to produce Mg wheels for XGJAO export motorcycle, the structure of the original Al

9、 wheel was redesigned, a new vacuum aided high pressure die-casting technique was developed, the cast mold were designed and the processing parameters were optimized, and a trial casting unit consisting of a modified cold-chamber die-casting machine and a vacuum system were prepared. Then, prototype

10、 Mg wheel were produced by trial production, followed by processing quality and service property testing. The main achievements of the present study are as follows: According to the structural characteristics of the wheel, a vacuum aided high pressure die casting technique capable of feeding the sol

11、idification shrinkage on both ends of the spokes was invented, followed by patent application; Accomplished 3D modeling of XGJAO Al wheel and its service condition finite elemental analysis. Then, the fatigue design criteria was reversely determined; Based on the mechanical properties of the Mg allo

12、y for wheels, the structure of the wheel was redesigned with consideration of its castability. With the optimized structural design, the service safety factor is increased from 1.8 of the original Al wheel to 2.3, accompanied by a weight saving of 38%; With numerical simulation software, the casting

13、 processing of the Mg wheel was simulated and optimized. With the optimized processing parameters of “680 melt pouring temperature, 250 mold preheating, 4.0m/s injection speed, 60MPa holding pressure”, a wheel can be produced in 4050s with a melt utilization rate of 73%. Based on the above results,

14、the casting equipments and mold were prepared. Prototype wheels were produced on the vacuum aided high pressure die casting unit. The following processing quality inspection evidenced that the internal and external quality of the wheel products meet the requirements of the original design; The proto

15、type wheels passed the bench tests, such as radial fatigue testing, impact testing, rotating bending fatigue testing and torsion fatigue testing, in accordance with the relative national standards.Keywords: Magnesium alloy, Motorcycle wheel, Die casting, FEM analysis, Processing simulation目 录目 录 中文摘

16、要I英文摘要III1 绪 论11.1 前言11.1.1 交通工具轻量化与镁合金在交通工具上的应用21.1.2 轮毂轻量化的优点及镁合金在轮毂上的应用现状31.2 镁合金轮毂的研究现状41.2.1 铝合金轮毂的生产技术现状41.2.2 镁合金轮毂的成形技术现状51.2.3 镁合金轮毂成形工艺研究发展趋势51.3 本课题研究意义和内容61.3.1 研究意义61.3.2 研究内容72 真空辅助压铸工艺开发92.1 镁合金的铸造工艺特点92.2 摩托车轮毂的结构特征及其品质对成形工艺的要求102.3 真空压铸技术的研究现状102.3.1 真空压铸的特点102.3.2 真空压铸的抽真空方法112.4 带

17、补压功能的新型真空辅助压铸工艺122.5 本章小结153 原轮毂有限元分析及疲劳准则确定173.1 论巩固三维模型的建立及服役力学模型抽象173.2 铝轮毂的有限元服役分析183.2.1 轮毂结构服役应力分析的意义和进展183.2.2 轮毂模型的建立193.2.3 轮毂三维模型的简化及导入193.2.4 轮毂材料的选用203.2.5 轮毂外载荷处理203.2.6 轮毂网格划分203.2.7 轮毂有限元求解213.2.8 轮毂有限元分析结果223.3 铝轮毂疲劳设计准则的导出233.4 本章小结244 镁合金轮毂结构再设计254.1 服役结构设计原则及要求254.1.1 基本设计原则254.1.

18、2 基本设计要求254.2 轮毂结构材料替代设计的原则254.3 结构再设计后的镁轮毂有限元分析274.3.1 载荷和网格划分274.3.2 有限元求解及结果分析284.4 本章小结295 轮毂真空辅助压铸工艺的数值模拟315.1 合金充型过程的数值模拟315.1.1 充型过程数值模拟特点315.1.2 充型过程数值模拟方法325.2 合金凝固过程的数值模拟325.2.1 传热的基本方式325.2.2 传热方程的离散化335.2.3 差分格式的稳定性讨论345.2.4 凝固过程数值方程的求解条件345.3 真空辅助压铸轮毂浇注排溢系统的优化365.3.1 轮毂浇注排溢系统设计365.3.2 轮

19、毂充型过程模拟及分析375.3.3 轮毂凝固过程模拟及分析415.3.4 轮毂浇注排溢系统优化425.4 真空辅助压铸轮毂所需的工艺参数445.4.1 模具预热温度445.4.2 合金浇注温度445.4.3 合金充型速度455.4.4 型腔真空度455.4.5 压力大小455.4.6 补压头加压时间455.4.7 保压时间455.4.8 铸型用涂料465.5 真空辅助压铸轮毂的模具设计465.6 本章小结476 镁轮毂的实验性生产及品质和性能检测496.1 镁轮毂的实验性生产496.1.1 生产条件准备496.1.2 实验生产流程496.1.3 实验过程中的工艺参数确定506.2 镁轮毂产品实

20、验室检测546.2.1 轮毂产品外观检测546.2.2 轮毂产品机械性能检测556.3 镁轮毂服役性能台架试验检测576.4 本章小结617 结 论63致 谢65参考文献67附 录71A. 攻读硕士学位期间发表的论文目录及专利71B. 攻读硕士学位期间主要参与的科研项目711 绪 论1 绪 论1.1 前言随着环保及节能成为全球关注的焦点，如何降低能耗、节约能源、提高能源利用率、减少环境污染是当今人类所面临的一个十分重要而紧迫的任务，大量的关注度集中在了使用轻质材料来实现产品的轻量化上1。交通工具对低排放、高效率、轻量化要求的提高，使得高性能轻质合金材料的开发和应用引起了交通制造业越来越多的关注

21、2。镁是地球上的储量极为丰富的轻金属元素之一，仅次于铝。白云石矿、菱镁矿石、盐湖及海洋中都含有丰富的镁资源3,4。我国铁矿和铝土矿资源贫乏，而我国青海湖、辽宁大石桥、海城等地都有丰富的高品质镁资源，菱镁砂矿储量约27亿吨，居世界首位。按使用量每年增长20%计，全球可开采和使用的镁资源达千年以上。镁是最轻质的商用金属工程结构材料，其密度小(1.65g/cm3 1.85g/ cm3 )，是铝的2/3，钛的2/5，可作为工程塑料、铝和钢铁的可替代材料。镁合金的优势在于5-7： 密度小，质量轻，可提高燃油效率，减少燃油消耗量，降低噪音； 比强度和比刚度高，可代替部分铝合金和钢作为承载件或覆盖件； 吸振

22、降噪、抗冲击和抗压缩能力强； 散热性、铸造性能好、尺寸稳定性强、电磁屏蔽性能优良： 无污染并可做到完全回收利用，是绿色工程材料。镁合金的轻质、节能、减震吸噪、电磁屏蔽等优点，使得镁合金在国防、航空航天、交通和其他电子产品领域具有广阔的应用前景。因此，在世界范围内，镁合金作为一种迅速崛起的新兴结构材料，并以每年15的速率保持连续快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍以及钢铁的应用增长速度8。我国镁产品开发晚于世界其他发达国家，虽然总体原镁产量已经占全球总量的80%，堪称镁工业大国，但其中大部分镁原料都是以原材料或初级镁产品的形式低价出口，国内还没有形成完整的镁加工应用产业体系，且对镁的开发应用研究较少

23、，产业结构很不合理，致使我国的镁产业成为了以牺牲资源环境为代价的大而不强的产业。因此，我们应该积极研究镁合金，并努力进行产学研的结合，推动镁合金的应用及产业化，把我国的镁产业转化成资源、产品和技术的全优产业9-10。相比于我国，世界其他发达国家对镁合金的开发和应用相当重视，美、德、澳、日等国相继出台了大型镁合金的研究应用计划，加大了镁及其合金在资源、加工和应用方面的研究及投入，并把镁资源作为21世纪的重要战略资源进行规划，以推动镁合金的应用。其中，为解决镁合金铸造成形过程中的工艺、装备、模具及表面处理等关键技术难题，建立一套完整的镁合金生产技术体系及规范，德国制定了MADICA计划，该计划的制

24、定和实施极大的推动了镁合金在德国的应用11-13。20世纪90年代以来，可持续发展的要求使镁合金的应用领域得到了的快速发展。世界各国政府普遍加强了以产业化为目标，以技术集成为特征的镁及镁合金在开发、加工、应用等方面的研发，并着力扩大应用数量、范围和规模。鉴于世界各国对镁及其合金开发应用的重视，以及我国的镁资源优势，国家应从镁合金在交通产业上的应用及产业化的关键共性技术入手，实施科技项目攻关，尽快形成拥有独立知识产权的镁合金生产应用技术，形成一批新兴的高新技术镁合金加工产业，加快在交通和3C领域的推广应用，提高我国镁产品的国际竞争力。1.1.1 交通工具轻量化与镁合金在交通工具上的应用世界交通运

25、输业面临着能源、公害和安全等问题，其中尤以能源问题最为突出。随着我国石油能源的紧缺，以及石油价格的攀升，节能降耗便成为各汽车摩托车企业首要考虑的竞争因素。因此，节能降耗、提高交通工具的经济性就成为缓和能源、环境、综合费用等的主要措施。在影响汽车、摩托车的燃油经济性的因素中，相比于发动机和传动系统的效率，车轮滚动阻力、车身空气阻力等因素，汽车、摩托车的自重是最重要的，因而在各种降低油耗的途径中，最经济、最有效的措施就是实现汽车、摩托车的轻量化。实现轻量化的途径和关键技术主要有： 轻质材料的应用； 结构的轻量化设计与优化； 新型成型制造工艺技术的应用。镁合金不仅在轻量化、节能降耗方面具有优势，而且

26、还可以提高汽车的使用性能：镁合金的减震性能好，利于降低振动、提高驾乘舒适性；抗冲击性好，可以降低冲击其对驾驶者的危害程度、提高安全性。因此镁在汽车摩托车工业领域有着良好的发展前景，汽车用镁合金压铸件和铸件的数量呈上升趋势。此外，镁合金零部件用于磁悬浮列车、高速列车等轨道交通工具，同样具有良好的减重、节能和降噪的效果，应用前景良好。从上世纪20年代，德国率先把镁合金应用于汽车开始，到目前为止，汽车中已超过60个零部件采用了镁合金，且主要用于仪表盘、座椅架等车内构件，门框、尾板等车体构件，变速器壳体、离合器壳等发动机及传动系统构件，轮毂、引擎托架等底盘构件 l4,l5。半个多世纪以来，随着镁合金设

27、备与成形技术的不断改进与完善，镁合金在摩托车上的应用在广度和深度上也得到不断扩展，其需求量也得到稳步增长。加入WTO以来，我国汽摩制造型企业急需提高自主研发创新能力，充分发挥资源优势，尤其需要加强和扩大对镁合金、复合材料等新型材料的研究和应用，通过提高产品的科技含量来增强企业竞争力。而这些便为镁合金的应用及产业化提供了坚实的产业结构基础、巨大的发展空间和广大的国内消费市场。近年来，随着国外镁合金应用技术及产业化的飞速发展，在我国政府的重视和支持下，关于镁合金应用和产业化技术的研究也越来越多，使得我国汽车摩托车用镁量以年均15%的速度增长。并且在政府的支持下，众多高校和研究院所在“九五”期间开展

28、了一系列镁合金材料研发改进及生产应用技术等研究，并取得了一系列卓有成效的研究成果，为镁合金的持续研发打下了良好的基础16。1.1.2 轮毂轻量化的优点及镁合金在轮毂上的应用现状轮毂结构从最初的钢质到铝质，再到正在研究的镁合金，轻量化已然成为轮毂的发展趋势11,17。以摩托车为例，轻质轮毂将极大的改善摩托车经济性、易用性和舒适性，具体体现在： 轻质轮毂能使摩托车启动更快，更节油摩托车的燃油主要消耗于车重，而作为摩托车重要的、质量最大的单体组成部件的轮毂，其重量将直接影响整车重量。摩托车自重每减轻10，其燃油经济性就可提高5.5，由此可见，轻质的摩托车轮毂具有相当明显的节油降耗效果，并相应地提升了

29、摩托车的续航能力。同时，轻质轮毂还将明显改善摩托车的启动性能和加速性能。 轻质轮毂使摩托车更易操作当摩托车转弯时，车体从直线行驶状态变化到具有一定程度的倾角，由于轮毂上有一定的转动惯量，而摩托车车体将抵制这种变化。而减小轮毂转动惯量的方法便是人们希望的减小轮毂质量而非轮毂的速度，因此，使用轻质的轮毂之后，轮毂的转动惯量减小，显著提高了摩托车的驾驶性能。 轻质轮毂使摩托车更舒适摩托车悬挂系统的弹簧是为了在轮毂发生上下颠簸时，将轮毂推向地面，保持轮胎与地面之间的紧密接触的。在弹簧规格一定的情况下，轻质轮毂更容易被推向地面，从而大大降低车轮的颠簸幅度和频度，提高摩托车驾乘的舒适性。因此，将镁合金材料

30、应用于轮毂，来实现轮毂的轻量化，将极大地降低摩托车能耗，提高摩托车经济性、易用性及驾乘舒适性。镁合金轮毂最早于1967年应用于英国的Austin汽车上，之后到1973年，镁合金轮毂被应用于保时捷豪华车，在1974年应用于“MAG 250”型摩托车。但是因为当时镁合金轮毂的制造技术不成熟、价格高昂、容易腐蚀等问题，一直未得到规模化应用。近年来，随着能源、环保的要求和汽车业内的竞争压力的加大，以及原镁价格的下降、加工成型技术的革新以及防腐工艺的提高，使得镁合金轮毂开始越来越广泛地用于汽车、摩托车等交通工具上。在欧美国家，汽车厂商正以汽车镁合金用量作为车辆技术水平是否先进的标志，而最初用AM60B等

31、镁合金制造的汽车轮毂的商业应用保持着快速增长，如在1998年福特汽车公司生产出了重量为3.1kg的压铸镁合金轮毂；日本轻金属株式会社用充氧压铸法批量生产的AM60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，实现减重15%；美国通用汽车公司研制的AM60B压铸车轮，在轮胎被扎穿后仍然能以小于48km/h的速度行驶，汽车不受损害。瑞典推出的运用高科技设计及应用新材料的产品Volvo LCP2000轿车是，仅重700kg，共用轮毂等零部件50kg镁合金铸件（占毛重的7%）。其它将镁合金轮毂用于轿车的公司还有意大利的GRIMECAM公司、BBS公司、英国的DYMAG公司等。在国外的镁合金应用技术飞速发展的同时，我国的

32、镁合金应用及产业化研发也日益增多。2001年四月成功组装了世界第一台镁合金铸件用量达12余公斤的LX150镁合金绿色概念摩托车18-19。1.2 镁合金轮毂的研究现状1.2.1 铝合金轮毂的生产技术现状20-22随着上世纪90年代我国汽车摩托车行业的迅猛发展，为铝轮毂的应用提供了广阔的应用市场。但在这一时期国内铝轮毂生产技术工艺不成熟、研发能力不足、产量低、成本高，导致铝轮毂的装车率较低。加入世贸组织后，中国汽车、摩拖车产业借助国外同行业的资本和技术，实现了自身的跨越式发展，并极大地带动了轮毂产业的发展，目前几乎所有的乘用车车型及摩托车都采用了铝合金轮毂。国外首先用砂型铸造工艺来生产铝合金轮毂

33、，在1958年后开发了普通轿车用的整体铝轮毂，从20世纪70年代到2001年，北美轻型车的铝合金轮毂装车率达60%以上，欧洲超过了50%，日本约45%左右。国内的铝合金轮毂起步较晚，但其快速的发展，使我国铝合金轮毂的装车率在2002年已经接近45%。目前，全世界95%的铝轮毂采用铸造工艺生产，铸造又细分为低压铸造、重力铸造、挤压铸造和半固态铸造。国外铝合金轮毂的制造方法以低压铸造为主，占全部产量的80%以上。另外还有少数企业采用锻造法、旋压法、焊接组装法生产。最近，出现的无气孔压铸新工艺（充氧压铸法），已经在日本轻金属株式会社和美国铸锻公司得到生产应用。进来在德国又研制成功了一种全新概念的新型

34、轻量化铝合金轮毂内置空气铝合金轮毂（Air Inside Wheel），通过空腔技术进一步减轻轮毂20%的质量。国内铝合金轮毂制造主要采用较低成本的低压铸造工艺，约占全部产量的80%以上；其次是采用最简便的重力铸造工艺，约占其全部产量的20%不到。部分企业也采用挤压铸造和锻造工艺，其产品质量较好。铝合金轮毂有广阔的市场前景，同时也要面对多种挑战，如大幅提高生产规模、采用新工艺、持续降低成本、适应市场变化、适应产业结构调整、迅速提高劳动生产率、满足OEM和维修市场需求等。1.2.2 镁合金轮毂的成形技术现状摩托车轮毂作为摩托车的重要部件，直接承载了摩托车和负载的重量；轮毂不仅作为高速旋转的运动部

35、件，在摩托车行驶的过程中受到地面的冲击力、振动、拐弯时的弯矩、加减速时的扭矩等作用了因素，同时还受到日晒雨淋等环境因素的作用，服役条件相当恶劣。处于安全及操作性能的考虑，要求摩托车轮毂具有以下的特性：较强的抗冲击性能、较强的抗疲劳性能、较好的减震性能、较大的结构强度以及尽可能小的质量等。目前摩托车轮毂的成型方法主要有以下几种方式：铸造、锻造、组装等。锻造生产出的轮毂的强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造轮毂。但由于锻造生产工序多，其生产成本远高于铸造轮毂，因此锻造轮毂常用于赛车。铸造法是目前镁合金轮毂成型最常用的方法，目前镁合金轮毂成型的铸造方法有重力铸造、真空压铸、充氧压铸、低压铸造、电磁泵低

36、压铸造等23-27。澳大利亚Marchesini轮毂公司已利用砂型重力铸造工艺生产出优质的镁合金轮毂，并在应用于赛车。国外已研制出在卧式压铸机上生产AM60B镁合金汽车轮毂的真空压铸法和批量生产镁合金轮毂的充氧压铸法，相比于铝轮毂，重量减轻15%。上世纪80年代，日本的丰田汽车公司就率先研制出了低压铸造镁合金汽车轮毂。国内宁波的耐特镁业科技发展有限公司成功生产了低压铸造铝合金摩托车轮毂，并正在研究生产镁合金轮毂。JSW与日本汽车轮毂厂合作开发出了镁铝合金复合材料的汽车轮毂28-33。近来年，出现了一些镁合金轮毂铸造成型新技术，如精密冲锻成型技术、挤压铸造技术、挤压铸造-低压铸造结合技术、半固态

37、触变成型技术、旋压成型技术、挤压铸造-流变铸造结合技术、真空倾转法差压铸造等。目前，世界上仅有德国和日本进行了该类技术的研究，并已经投产。而国内对该技术的研究仅有二汽从德国引进了一套轮毂旋压生产线。东北大学已经成功研发镁合金轮毂温挤成形技术，重庆大学课题组就新型挤压铸造技术进行研究，并申请了专利34。1.2.3 镁合金轮毂成形工艺研究发展趋势镁合金轮毂的研究技术成果，使得国内在轻合金轮毂的技术研究方面跟上了国际先进水平，但在产业化方面尚存在一定距离。高品质镁合金轮毂的商业化生产是个很复杂的工程。首先要保障用于轮毂生产的镁合金材料具有较高的强度、刚度、韧性和极高的内部缺陷控制，这是获得高品质镁合

38、金轮毂的先决条件；其次，根据镁合金的特性，对轮毂结构进行再设计，使得轮毂在满足服役性能的基础上，实现轮毂减重的最大化，这就需要形成一种科学的材料替代技术；最后，如何改变目前镁合金轮毂仅应用在高档车辆上的状况，使得生产出来的镁合金轮毂价位能满足绝大多数普通民用车辆的要求，因此，就需要开发一种适合于市场占有量巨大的卧式压铸机生产的新的工艺方法。该工艺方法应该具有如下特点：首先，应该与镁合金的物化特性相适应；其次，能够与镁合金轮毂的结构特征相适应；再次，应能够高效率、低成本、稳定地生产高品质镁合金轮毂；最后，与新工艺相适应的装备系统易于开发。上述是高性价比地商业化生产高品质镁合金轮毂所需攻克的关键技

39、术问题。1.3 本课题研究意义和内容1.3.1 研究意义车辆轻量化发展已成为缓解能源供需紧张、降低环境污染的一个必然趋势。为此，在车辆上采用现代的高比性能材料，如镁合金、复合材料等，来减轻车辆零部件的重量，特别是高速运动部件的重量，已成为车辆轻量化的重要材料措施。镁合金的高比性能、高阻尼减震降噪性能和抗疲劳性能，尤其适用于轻型车辆的轮毂材料。在保证车辆综合性能的基础上，增加镁合金产品在整车中的比重则成为车辆轻量化的重要手段之一。我国是摩托车生产、消费和出口大国，也正在成为汽车生产制造和消费的大国。我国已经凭借镁资源的优势，成为原镁和初级镁产品生产大国，但因镁合金生产应用技术的落后，使得原镁的8

40、0%用作原材料出口。轮毂是车辆上单个部件中重量最大、用量最多的铸件，且还是车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义和巨大的社会经济效益。而镁合金生产技术还不够成熟和完善，尤其是铸造成型技术中存在耐蚀性差、高温强度低、抗蠕变性能低等问题，严重阻碍了镁合金产品的生产和应用。因此本文基于镁合金材料特性，通过产品材料替代和结构优化再设计，研发能够适用于商业化生产高品质镁合金轮毂的新型成型工艺技术。因此，项目目标的实现，不仅能够实现用新技术、新材料改造传统产业，提高轮毂铸件的性能、科技含量和市场竞争力，实现镁合金轮毂产品的规模化量产的目的，还能推动我国从镁资源大国转变为镁产品制造、镁技术应用

41、的强国，实现西部大开发、经济大发展的战略目标。1.3.2 研究内容 基于卧式压铸机，开发出能够适应镁合金的物化特性、轮毂的工艺结构特征的、能同时对轮辐两端热节进行凝固补缩的新型铸造成型工艺技术方法； 以新感觉摩托车铝合金轮毂为研究对象，确定新感觉摩托车轮毂设计的疲劳准则，并对其进行镁合金材料替代，结构再设计及优化，使镁合金轮毂在具有更大的安全服役系数的基础上，同时满足轮毂减重、美观等要求； 根据新型铸造成型工艺方法，设计镁合金摩托车轮毂的浇注系统和排溢系统，并对轮毂铸件的充型和凝固过程进行数值模拟，根据模拟结果，优化浇注系统和排溢系统，确定最佳的铸造工艺参数组合； 设计出合理的轮毂铸造成型模具

42、，并同合作企业一起完成压铸模具的加工制造； 用新型铸造成型工艺技术进行镁合金轮毂的实验性生产，并确定出用于实际生产的工艺参数组合； 对镁合金轮毂样件进行实验室检测和符合国家相关规定的台架检测试验。712 真空辅助压铸工艺开发2 真空辅助压铸工艺开发2.1 镁合金的铸造工艺特点镁合金的物理特性及其对铸造工艺的影响35-37 镁熔体密度低（1.74g/cm31.85g/cm3），使之能够获得较高的浇注压射力； 镁熔体粘度低，流动性好，易于充满复杂型腔，型腔复制性好； 与钢铁的亲和力小，减少铸造时的粘模，因此镁合金铸造模具可以使用更小的拔模斜度和抽拔力度； 镁合金铸件热强度小，顶出力较小； 镁合金的

43、热容小、凝固潜热低，金属熔体冷却速度快，因而要求充型时间短，浇注速度快，从而降低循环时间和对铸造模具的损耗，不当的工艺方案会使铸件中出现气孔、流痕、冷隔等充型缺陷； 镁合金凝固体收缩较大，铸造时，铸件内壁厚较厚的位置易出现缩孔疏松等凝固类缺陷，因而需采取措施来减小甚至消除这些凝固类缺陷，如高压补缩或大体积冒口。镁合金的化学性能及其对铸造工艺的影响 镁合金极易氧化，尤其是在高温熔融状态下，一般采用六氟化硫和氮气的混合气体作为保护气体来减少其在熔炉内的氧化； 镁合金铸件中的气孔：一是压铸过程中，排气不良，形成卷气，在铸件凝固冷却后形成，二是在冷却过程中从镁熔体中析出氢气而形成。根据镁合金的物理化学

44、特性，在进行镁合金铸造工艺设计时应遵循如下原则： 镁熔体凝固体收缩较大，铸件内部易出现缩孔疏松等凝固类缺陷，因此，在镁熔体完成铸造充型后应能得到高压补缩，在有效控制气孔缺陷的同时，最大限度地消除缩孔疏松等凝固类缺陷； 镁合金的热容小、凝固潜热低，镁熔体冷却速度快，因此，在铸造时，需要高的浇注充型速度，但不能因充型速度的提高而使铸件的缺陷增加，可以通过抽真空或充氧的方法消除气孔缺陷； 鉴于镁合金极易氧化的特点，需要做好镁合金熔炼及铸造过程中的防氧化工作，熔炼时用六氟化硫和氮气的混合保护气体，而在铸造过程中，则采用型腔抽真空的方法来减少镁熔体的气孔缺陷。因此镁合金产品更适合于用真空高压压铸工艺生产

45、。2.2 摩托车轮毂的结构特征及其品质对成形工艺的要求摩托车轮毂作为摩托车的重要安全部件，在承载的同时，还作为高速旋转运动部件。因此摩托车轮毂的结构及品质应满足如下特征： 作为高速旋转部件，结构应具有很好的动平衡性能，轮毂的径向圆跳动和轴向端面跳动要小于1.0mm（整体式轮毂）或小于1.2mm（组合式轮毂）； 轮毂应采用中心旋转对称结构； 轮辋长期承受胎压作用，是轮毂的高应力区，要求工艺品质最高，力学性能最好。上述摩托车轮毂的结构特征及品质，使得轮毂的成形工艺应遵循如下要求： 铸造轮毂外观结构能够很好地复制铸型形貌，保证机加后的产品满足外观及尺寸要求； 轮毂采用中心旋转对称结构，轮辐的形状及外

46、观质量直接取决于铸型，很少对其进行机加，轮辋除装胎面外也不进行机加，因此，在铸造成型过程中，轮辐及轮辋非机加处的铸造表面应无夹渣、气孔、冷隔、欠铸等缺陷； 轮辋工艺品质要求最高，机械性能最好，要求其充型时轮辋处应无裹气、夹渣、冷隔、流痕、缩孔疏松等缺陷，且轮辋的致密度应一致。根据镁合金的物理化学性能以及摩托车轮毂的结构和品质特征对成形工艺的要求，为消除镁合金充型过程中的夹渣、气孔、冷隔、欠铸等缺陷，获得可以通过热处理来提升本体材料机械性能，以改善服役性能的轮毂铸件，这时，就要求铸件在真空环境下充型，以获得可热处理的工艺性能；轮毂铸件的热节分散在轮辋和轮心上，为获得高致密度、高机械性能的轮毂铸件

47、，需要在轮毂铸件的凝固过程中应对轮辋和轮心处的热节进行高压凝固补缩，即除了压射压头的高压压力外，还需要采用另外的高压补压装置来实现。因此摩托车轮毂的铸造生产应采用真空高速充型和高压补压保压凝固的铸造成型工艺，也即带有补压功能的真空辅助高压铸造工艺。2.3 真空压铸技术的研究现状2.3.1 真空压铸的特点真空压铸是在传统压力铸造的基础上辅以抽真空技术，先将型腔（包括压室）内的气体抽出或部分抽出，使金属液在相对真空的条件下充填型腔，并在压头压力下保压凝固的铸造工艺技术。 真空压铸工艺大大降低了金属液在高速充型时卷入气体而造成的气孔缺陷，使金属液在压头压力作用下凝固冷却得到的铸件致密度显著提高13。

48、 真空压铸技术保持与继承了传统压铸工艺高速高压的优点，而且由于真空压铸件内气孔很少，使得铸件可以进行后续热处理来改善组织状态，提高机械性能，甚至可以用于焊接14。真空压铸主要用于生产要求耐压、强度高或要求进行热处理的高质量铸件，如本课题正在研究的镁合金轮毂等。真空压铸对充型质量有着重要影响：一是充型前的型腔真空易于建立较大充型压差，减小充型时金属液的流动阻力，提高金属液的充型速度，利于充填形状复杂的部件，可得较好的铸件表面亮度与光泽度；二是型腔内气体被抽出，使得金属液不易被氧化，减小了金属液表面张力，利于成形复杂薄壁铸件39。与普通压铸相比，真空压铸有以下特点40-41： 减少或消除了压铸件内

49、部的气孔，提高了铸件组织致密度及强度。压铸件可以通过进行热处理来提高其力学性能； 消除了气孔造成的铸造缺陷； 可采用较小的浇注系统和排气系统尺寸； 从压铸型腔抽出空气，显著地降低了充填反压力； 铸型中反压力的减小使铸件结晶速度加快，缩短了铸件在铸型中停留的时间，使真空压铸生产率提高10%20%； 密封结构复杂，制造安装较困难，成本较高。2.3.2 真空压铸的抽真空方法真空压铸技术是解决复杂部件主要压铸缺陷，提高铸件产品致密度、力学性能与合格率的重要措施。真空压铸时要求型腔在很短的时间内达到预定的真空度，因此要设计好真空系统，并对压铸成型模具密封。真空压铸密封并抽真空的方法很多，常用的方法有两种

50、42： 利用真空罩密封压铸模压铸模具用真空罩密封，在金属熔体浇注到压室，压射冲头越过加料口后抽出真空罩内的空气，使型腔达到预定的真空度，然后进行压铸。用真空罩密封的方法抽气量大，不宜用于带液压抽芯的压铸模，因此目前已经很少用了。 借助分型面抽真空压铸模的排气槽经分型面上的总排气槽与真空系统连通，待压射冲头越过加料口将压室与型腔密封后，由行程开关打开真空阀开始对型腔抽真空，金属熔体充满型腔后，可以通过“充型熔体流入齿状截面渐变排气道、被激冷凝固堵塞真空排气道”，防止金属液进入真空系统。这种方法抽气量少而且压铸模具制造维修简单方便，但难以在极短的压铸充型时间内使型腔达到理想的真空度。另一种则是在型

51、腔最后充填部位安装单芯真空阀，为防止熔体堵塞单芯真空阀，需要提前关闭真空阀，导致抽气不充分，型腔内残留气体较多；或采用专用的真空截流系统实现型腔的全过程抽真空，但设备成本过高，且不便于维修。因此需要设计一种能够实现快速密封全程抽真空且制造成本低、维修方便的新型抽真空方法。为了解决铸件存在大量卷气的问题，获得没有气孔缺陷的高品质铸件，本课题组针对现行抽真空方法存在的问题，发明了一种排气能力强，能及时阻断真空通道，避免熔体进入真空通道的抽真空方法，并申请了专利一种新型抽真空方法（专利公开号：201010272792.X）。其实现方法是：在模具型腔的最后充填部位设置一个大截面积的直通真空通道，真空通

52、道的打开与关闭由外驱动力控制的柱塞来实现，真空通道后连接带过滤器的抽真空系统。用该方法进行高压铸造时，在浇注完成，压射压头过浇料口封闭压室，使压室及型腔成为封闭空间，且在压射压头驱动熔体高速充填型腔前，柱塞后退打开真空通道，利用真空系统通过大截面积的真空通道对压室型腔进行快速抽气，使型腔瞬间达到很高的真空度；然后进行快速充型，在熔体充型流动前沿抵达真空通道前，柱塞顶出，封闭真空通道，阻止熔体进入真空通道。与现行抽真空方法相比，新型抽真空方法具有如下效果：1）由于采用大截面积的直通排气管，增强了排气能力，减少了排气时间，使型腔更快地达到预定真空度；2）采用高速反应的柱塞来实现真空通道的开启与关闭

53、，克服了常规阀门阀芯关闭不及时导致熔体堵塞真空通道，甚至进入真空系统的问题，且直通的排气道，更容易维护，提高了真空系统耐用性。2.4 带补压功能的新型真空辅助压铸工艺摩托车轮毂是典型的中心旋转对称结构，因此不论是采用重力金属型铸造还是低压铸造工艺，最常见的充型方式就是采用中心进浇方式，而这种充型方式决定了轮毂铸造模具最好采用垂直分型，这样不仅能使金属液均衡充型，方便排溢系统设计，而且能够对轮心厚大部位进行压力凝固补缩，或轮辋部位的冒口补缩，有利于提高轮毂铸件致密度，减少缩孔疏松缺陷。然而，如若在冷室压铸机上采用中心充型方式，如图2.1所示，不仅会导致轮辋的下部气体因无法通过分型面的排气通道排出

54、而形成裹气，最终以气孔的形式存在于轮毂铸件内部或表面，且压头只能为轮心热节提供有效补缩，而分布在轮缘上的热节因薄壁辐条或辐板较早凝固堵塞补缩通道而出现缩孔疏松等凝固收缩缺陷，显著降低了这些部位的工艺品质和机械性能。即使采用真空压铸工艺也无法显著降低轮缘上因热节而产生的缩松疏松等凝固收缩缺陷。有时为了保证轮辋在压力下凝固，减少轮辋部位的缩松疏松，需要使轮毂按照轮辋-轮辐-轮心的顺序铸件增加壁厚，这样就会使得轮辐处及轮心部分的材料会有一定的浪费，需要后续机加工去除（如轮心）或保留在轮毂产品上（如轮辐），这不仅增加了成本，而且也增加了轮毂重量。另外，轮辋是轮毂产品的高应力区，要求的充型质量最高，但中

55、心浇注方式最后充填轮辋，致使氧化渣、冷隔、流痕等成型缺陷集中出现在轮辋上，降低了轮毂铸件的工艺品质和机械性能。若通过大的集渣包来获得合格的轮毂铸件，则会显著降低轮毂产品的工艺收得率，提高生产成本。而且在卧室冷室压铸机上采用中心进浇方式的话，模具需设计成三片两开式结构，不仅增加了模具成本，而且会降低生产效率，不能发挥出压铸生产高效率的优点。针对现有摩托车轮毂铸造生产工艺多采用立式重力铸造设备，生产率低、成品率低、工艺收得率低、劳动强度大、机械化自动化程度低等问题，为了适应大批量生产要求，提高生产效率、成品率、收得率、降低劳动强度、提高生产过程的机械化自动化程度，因此，需要开发出新的铸造工艺以满足

56、在卧式压铸机上大批量自动化生产优质摩托车轮毂铸件的需求。图2.1 中心进浇方式压铸Fig.2.1 Die cast with the center filling system为解决传统铸造工艺生产的摩托车轮毂轮辋充型质量较低，压射压头无法对轮辋及轮心热节进行有效补缩而容易形成缩孔疏松等缺陷，导致轮毂服役性能低的问题，获得具有高品质的轮辋、少无疏松缺陷、服役性能优良的摩托车轮毂铸件，本课题组发明了一种能同时对轮辋和轮心热节进行有效的压力补缩、可在广泛使用的卧式压铸机上实施的可热处理的轮毂铸件的压铸工艺方法，并申请了发明专利一种真空高压铸造方法（专利公开号：201010272781.1），如图2

57、.2所示。其实现方法是：合金熔体通过浇注口定量注入压室后，压头前行封闭浇注口使压室及型腔构成封闭空间后抽真空；充型过程中，压头继续前行依次完成轮缘、轮辐或辐板、轮心的真空充型，并在充型完成前结束抽真空；充型完成后，压头与补压头一起加压并保压，使型腔内熔体在压力下按照先轮辐或辐板、后轮辋和轮心的顺序凝固，使分布在轮辐或辐板两端的热节均得到良好的补缩，消除这些热节部位的缩孔疏松等凝固收缩缺陷。图2.2 新型真空高压铸造方法Fig.2.2 The new vacuum die-casting method与传统轮毂铸造工艺相比，新型真空辅助高压铸造工艺具有如下效果：1）采用真空辅助，避免了合金熔体流

58、动充型时的氧化及铸件中气孔的形成，提高了轮毂铸件的工艺质量，并可通过热处理提升轮毂本体材料的机械性能；2）采用环形流动充型，使熔体先轮辋、再轮辐或辐板、再轮心、最后集渣包的顺序充型，在性能要求高的轮辋上得到工艺品质高且一致的充型质量；3）采用压头和补压头分别对轮辋和轮心加压并保压，实现先轮辐或辐板、后轮辋和轮心的凝固顺序，从而为进一步减小轮盘铸件的轮辐（盘）厚度、提高材料利用率创造条件；4）采用压头和补压头一起加压并保压的方式，使分布于轮辐两端热节内的熔体凝固时均得到良好补缩，消除了这些部位易于出现的缩孔疏松缺陷，确保铸件致密和工艺品质一致；5）此工艺适用于广泛使用的卧式压铸机。2.5 本章小

59、结本章根据镁合金在铸造工艺特性及轮毂的工艺结构特征，提出了基于卧式冷室压铸机、能提高轮辋品质、能同时对轮辐两端热节进行凝固收缩补偿的适合轮盘类铸件压铸生产的新型真空辅助高压铸造方法，并申请了国家发明专利。3 原轮毂有限元分析及疲劳准则确定3 原轮毂有限元分析及疲劳准则确定3.1 论巩固三维模型的建立及服役力学模型抽象产品三维模型建立有两种工程技术：一是正向工程技术；二是逆向工程技术。正向工程技术是指先由设计者进行产品的二维或三维图纸设计，然后根据设计图进行实际物体的制作或生产的过程。逆向工程技术 43，是相对于传统的正向工程而言的，是指借助某种测量手段对实物或模型进行测量，然后根据测量所获得的

60、数据，利用CAD软件来重构实物或模型的三维几何模型的过程。通常我们所提到的逆向工程主要是指物体几何形状的逆向，即实物的CAD重建，在机械工业中，有时为了更好地展现产品的外形，设计者往往把所构思设计的外形做成实物模型进行推敲；不仅如此，有时设计者获得的上游信息也只是实物而非图纸，为适应现代先进制造技术的发展，设计人员需要通过一定的途径，将这些信息转化为CAD模型，这使就应用到了逆向工程技术。因此，摩托车轮毂的三维模型的建立也有以上两种技术方法。在已知其疲劳设计准则的情况下，就可以采用正向工程技术，在计算机上采用实体建模技术，根据疲劳设计准则，借助有限元分析软件，直接建立满足服役状况的三维实体模型

61、，然后根据设计图进行实际轮毂的制作或生产过程。但在不清楚其疲劳设计准则的情况下，则需要采用逆向工程技术，首先根据已经商用的摩托车轮毂产品，利用三坐标仪等设备，建立其三维模型，然后对模型进行服役状况下的疲劳分析，并根据轮毂本体材料的机械性能，逆向确定出轮毂的疲劳设计准则，然后参照该疲劳设计准则，设计满足服役状况的镁合金摩托车轮毂的三维模型，并根据模型图进行实际的制作或生产过程，以及性能检测。为获得轮毂的疲劳设计准则，首先需要对轮毂的服役力学模型进行抽象。轮毂工作时的受力情况复杂9，除了轮心处轴承压力外，还有因轮毂高速旋转而产生的离心力，轮胎充气压力，地面对轮毂反作用力等等。分析轮毂受力时，一般是

62、选择轮毂正常服役时，受力处于极大值状态为计算工况。轮毂的轴承孔受径向载荷作用，载荷P按余弦或抛物线规律作用于轴承与轴承孔的接触面120 范围内。由于轮毂服役过程中不断的受到冲击、振动、扭转等各种作用，受力状况复杂，因此需要对轮毂力学模型进行简化，正常行驶中的摩托车轮毂受到负载对轴承孔施加的轴承载荷，地面通过轮胎传递给轮毂的支撑载荷，以及轮胎气压对轮辋表面施加的均匀压力，因此力学模型的约束与加载示意图如图3.1所示。图3.1 轮毂的力学模型图Fig. 3.1 The mechanical model of the wheel3.2 铝轮毂的有限元服役分析3.2.1 轮毂结构服役应力分析的意义和进

63、展轮毂是车辆行驶的主要部件之一，是车体与地面之间的主要传力元件，起着承载、转向、驱动、制动等作用。轮毂的强度和刚度关系到驾乘者的安全和车辆的操控性和驾乘舒适性。因此，就要通过力学方法研究其服役状态，在保证在满足强度和刚度要求的前提下，尽量减少质量，使整车拥有更好的平顺性、动力性和经济性。 国外最初采用经验类比的方法，设计轮毂结构，并根据材料力学公式进行强度校核。然而国内对轮毂的研究工作开展的很少，且多数采用传统的台架实验法和道路试验法。如长春汽车研究所通过轮毂的径向疲劳试验检测，绘制了数种轮毂的弯曲疲劳曲线，并测定了轮毂易损部位应力。湖南大学的秦德申等人对轿车轮毂在受胎压、拧紧力矩、直行及转弯时的情况进行了模拟，并进行了静态和动态应力测量18，但该方法不能在轮毂初始设计阶段对其性能进行预测。随着CAD和CAE等技术及应用软件的开发和完善，可以根据已知轮毂在实际工作中所受的载荷的统计数据，在轮毂设计阶段就用有限元法对其进行研究，包括方案优选、强度分析、结构修改等。近年来，国内研究机构大多采用有限元法对轮毂结构进行受力分析，但研究尚处初级阶段，发表过的关于用有限元法对轮毂进