鎂合金輪轂真空高壓鑄造技術研究 畢業(yè)論文

1、鎂合金輪轂真空高壓鑄造技術研究重慶大學碩士學位論文學生姓名：劉偉召指導教師：龍思遠專業(yè)：材料加工工程學科門類：工學重慶大學材料科學與工程學院二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摘 要輪轂作為汽車、摩托車的慣性運動部件，其輕量化將顯著降低行駛能耗和排放，推動鎂合金在輪轂上的應用，是車輛通過輕量化實現(xiàn)節(jié)能減排的最有效途徑。但是，目前汽車、摩托車鋁合金輪轂生產(chǎn)主要采用重力鑄造或低壓鑄造工藝，其生產(chǎn)效率低、缺乏鎂合金致密成形所需的高壓補縮能力，不能用于鎂合金輪轂的高效率、高收得率工業(yè)生產(chǎn)。因此，開發(fā)基于市場保

3、有量巨大的冷室高壓壓鑄機、適合鎂合金鑄造工藝特性的新型高壓鑄造方法，是推動鎂合金在輪轂產(chǎn)品上規(guī)模應用的關鍵。本課題以新感覺出口摩托車輪轂為對象，通過新型高壓鑄造工藝研發(fā)、輪轂材料替代設計及工藝結構優(yōu)化，鑄造工藝及模具優(yōu)化設計、樣件生產(chǎn)及工藝品質與服役性能檢測，形成能夠用于工業(yè)生產(chǎn)的輪轂真空輔助高壓鑄造技術，為輪轂在存量臥式冷室壓鑄機上的規(guī)?；a(chǎn)提供指導。本文取得的主要成果如下： 根據(jù)輪轂工藝結構特征，提出了基于臥式冷室壓鑄機、能同時對輪輻兩端熱節(jié)進行凝固收縮補償?shù)妮嗇炚婵崭邏鸿T造新方法，并申請了發(fā)明專利； 完成了新感覺鋁合金輪轂的三維造型和服役狀態(tài)有限元應力分析，逆向確定了原輪轂設計的疲勞準

4、則； 根據(jù)鎂合金輪轂的機械性能，對輪轂產(chǎn)品的服役及工藝結構進行再設計，在滿足結構工藝要求的前提下，使鎂合金輪轂服役應力變化更加緩和，安全服役系數(shù)從1.83提高到2.3，實現(xiàn)減重38%; 用數(shù)值模擬軟件對鎂合金輪轂的鑄造工藝過程就行了仿真分析，優(yōu)化了澆注排溢系統(tǒng)和鑄造工藝參數(shù)組合。確定的最佳工藝參數(shù)組合為：澆注溫度680，模具預熱溫度250，壓射速度4.0m/s，保壓壓力60mpa；單只輪轂生產(chǎn)周期為4050s，工藝收得率為73%；在此基礎上完成了輪轂的成型模具設計，并和合作企業(yè)一起完成了模具的制造、調試和實驗性生產(chǎn)； 在合作企業(yè)進行了鎂合金輪轂的真空輔助高壓鑄造實驗性生產(chǎn)，對樣件的工藝品質進行

5、的工業(yè)和實驗室檢測表明，產(chǎn)品的內部和外在質量均滿足設計要求； 輪轂樣件通過了按國家相關標準進行的徑向疲勞試驗、沖擊試驗、旋轉彎曲疲勞試驗、扭轉疲勞試驗等臺架試驗檢測。關鍵詞：鎂合金，摩托車輪轂，壓鑄，有限元分析，工藝模擬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 effectively. theref

6、ore, 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 productivi

7、ty 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 that is not

8、 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 wheel was

9、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 mg wheel w

10、ere 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 solidification

11、 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 alloy for wheel

12、s, 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 processing

13、 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, the casting

14、 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 prototype wheels

15、 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 錄 中文摘要i英文摘要iii1 緒 論

16、11.1 前言11.1.1 交通工具輕量化與鎂合金在交通工具上的應用21.1.2 輪轂輕量化的優(yōu)點及鎂合金在輪轂上的應用現(xiàn)狀31.2 鎂合金輪轂的研究現(xiàn)狀41.2.1 鋁合金輪轂的生產(chǎn)技術現(xiàn)狀41.2.2 鎂合金輪轂的成形技術現(xiàn)狀51.2.3 鎂合金輪轂成形工藝研究發(fā)展趨勢51.3 本課題研究意義和內容61.3.1 研究意義61.3.2 研究內容72 真空輔助壓鑄工藝開發(fā)92.1 鎂合金的鑄造工藝特點92.2 摩托車輪轂的結構特征及其品質對成形工藝的要求102.3 真空壓鑄技術的研究現(xiàn)狀102.3.1 真空壓鑄的特點102.3.2 真空壓鑄的抽真空方法112.4 帶補壓功能的新型真空輔助壓鑄工

17、藝122.5 本章小結153 原輪轂有限元分析及疲勞準則確定173.1 論鞏固三維模型的建立及服役力學模型抽象173.2 鋁輪轂的有限元服役分析183.2.1 輪轂結構服役應力分析的意義和進展183.2.2 輪轂模型的建立193.2.3 輪轂三維模型的簡化及導入193.2.4 輪轂材料的選用203.2.5 輪轂外載荷處理203.2.6 輪轂網(wǎng)格劃分203.2.7 輪轂有限元求解213.2.8 輪轂有限元分析結果223.3 鋁輪轂疲勞設計準則的導出233.4 本章小結244 鎂合金輪轂結構再設計254.1 服役結構設計原則及要求254.1.1 基本設計原則254.1.2 基本設計要求254.2

18、輪轂結構材料替代設計的原則254.3 結構再設計后的鎂輪轂有限元分析274.3.1 載荷和網(wǎng)格劃分274.3.2 有限元求解及結果分析284.4 本章小結295 輪轂真空輔助壓鑄工藝的數(shù)值模擬315.1 合金充型過程的數(shù)值模擬315.1.1 充型過程數(shù)值模擬特點315.1.2 充型過程數(shù)值模擬方法325.2 合金凝固過程的數(shù)值模擬325.2.1 傳熱的基本方式325.2.2 傳熱方程的離散化335.2.3 差分格式的穩(wěn)定性討論345.2.4 凝固過程數(shù)值方程的求解條件345.3 真空輔助壓鑄輪轂澆注排溢系統(tǒng)的優(yōu)化365.3.1 輪轂澆注排溢系統(tǒng)設計365.3.2 輪轂充型過程模擬及分析375.

19、3.3 輪轂凝固過程模擬及分析415.3.4 輪轂澆注排溢系統(tǒng)優(yōu)化425.4 真空輔助壓鑄輪轂所需的工藝參數(shù)445.4.1 模具預熱溫度445.4.2 合金澆注溫度445.4.3 合金充型速度455.4.4 型腔真空度455.4.5 壓力大小455.4.6 補壓頭加壓時間455.4.7 保壓時間455.4.8 鑄型用涂料465.5 真空輔助壓鑄輪轂的模具設計465.6 本章小結476 鎂輪轂的實驗性生產(chǎn)及品質和性能檢測496.1 鎂輪轂的實驗性生產(chǎn)496.1.1 生產(chǎn)條件準備496.1.2 實驗生產(chǎn)流程496.1.3 實驗過程中的工藝參數(shù)確定506.2 鎂輪轂產(chǎn)品實驗室檢測546.2.1 輪轂

20、產(chǎn)品外觀檢測546.2.2 輪轂產(chǎn)品機械性能檢測556.3 鎂輪轂服役性能臺架試驗檢測576.4 本章小結617 結 論63致 謝65參考文獻67附 錄71a. 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文目錄及專利71b. 攻讀碩士學位期間主要參與的科研項目711 緒 論1.1 前言隨著環(huán)保及節(jié)能成為全球關注的焦點，如何降低能耗、節(jié)約能源、提高能源利用率、減少環(huán)境污染是當今人類所面臨的一個十分重要而緊迫的任務，大量的關注度集中在了使用輕質材料來實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化上1。交通工具對低排放、高效率、輕量化要求的提高，使得高性能輕質合金材料的開發(fā)和應用引起了交通制造業(yè)越來越多的關注2。鎂是地球上的儲量極為豐富的輕金屬元

21、素之一，僅次于鋁。白云石礦、菱鎂礦石、鹽湖及海洋中都含有豐富的鎂資源3,4。我國鐵礦和鋁土礦資源貧乏，而我國青海湖、遼寧大石橋、海城等地都有豐富的高品質鎂資源，菱鎂砂礦儲量約27億噸，居世界首位。按使用量每年增長20%計，全球可開采和使用的鎂資源達千年以上。鎂是最輕質的商用金屬工程結構材料，其密度小(1.65g/cm3 1.85g/ cm3 )，是鋁的2/3，鈦的2/5，可作為工程塑料、鋁和鋼鐵的可替代材料。鎂合金的優(yōu)勢在于5-7： 密度小，質量輕，可提高燃油效率，減少燃油消耗量，降低噪音； 比強度和比剛度高，可代替部分鋁合金和鋼作為承載件或覆蓋件； 吸振降噪、抗沖擊和抗壓縮能力強； 散熱性、

22、鑄造性能好、尺寸穩(wěn)定性強、電磁屏蔽性能優(yōu)良： 無污染并可做到完全回收利用，是綠色工程材料。鎂合金的輕質、節(jié)能、減震吸噪、電磁屏蔽等優(yōu)點，使得鎂合金在國防、航空航天、交通和其他電子產(chǎn)品領域具有廣闊的應用前景。因此，在世界范圍內，鎂合金作為一種迅速崛起的新興結構材料，并以每年15的速率保持連續(xù)快速增長，遠遠高于鋁、銅、鋅、鎳以及鋼鐵的應用增長速度8。我國鎂產(chǎn)品開發(fā)晚于世界其他發(fā)達國家，雖然總體原鎂產(chǎn)量已經(jīng)占全球總量的80%，堪稱鎂工業(yè)大國，但其中大部分鎂原料都是以原材料或初級鎂產(chǎn)品的形式低價出口，國內還沒有形成完整的鎂加工應用產(chǎn)業(yè)體系，且對鎂的開發(fā)應用研究較少，產(chǎn)業(yè)結構很不合理，致使我國的鎂產(chǎn)業(yè)成

23、為了以犧牲資源環(huán)境為代價的大而不強的產(chǎn)業(yè)。因此，我們應該積極研究鎂合金，并努力進行產(chǎn)學研的結合，推動鎂合金的應用及產(chǎn)業(yè)化，把我國的鎂產(chǎn)業(yè)轉化成資源、產(chǎn)品和技術的全優(yōu)產(chǎn)業(yè)9-10。相比于我國，世界其他發(fā)達國家對鎂合金的開發(fā)和應用相當重視，美、德、澳、日等國相繼出臺了大型鎂合金的研究應用計劃，加大了鎂及其合金在資源、加工和應用方面的研究及投入，并把鎂資源作為21世紀的重要戰(zhàn)略資源進行規(guī)劃，以推動鎂合金的應用。其中，為解決鎂合金鑄造成形過程中的工藝、裝備、模具及表面處理等關鍵技術難題，建立一套完整的鎂合金生產(chǎn)技術體系及規(guī)范，德國制定了madica計劃，該計劃的制定和實施極大的推動了鎂合金在德國的應用

24、11-13。20世紀90年代以來，可持續(xù)發(fā)展的要求使鎂合金的應用領域得到了的快速發(fā)展。世界各國政府普遍加強了以產(chǎn)業(yè)化為目標，以技術集成為特征的鎂及鎂合金在開發(fā)、加工、應用等方面的研發(fā)，并著力擴大應用數(shù)量、范圍和規(guī)模。鑒于世界各國對鎂及其合金開發(fā)應用的重視，以及我國的鎂資源優(yōu)勢，國家應從鎂合金在交通產(chǎn)業(yè)上的應用及產(chǎn)業(yè)化的關鍵共性技術入手，實施科技項目攻關，盡快形成擁有獨立知識產(chǎn)權的鎂合金生產(chǎn)應用技術，形成一批新興的高新技術鎂合金加工產(chǎn)業(yè)，加快在交通和3c領域的推廣應用，提高我國鎂產(chǎn)品的國際競爭力。1.1.1 交通工具輕量化與鎂合金在交通工具上的應用世界交通運輸業(yè)面臨著能源、公害和安全等問題，其中

25、尤以能源問題最為突出。隨著我國石油能源的緊缺，以及石油價格的攀升，節(jié)能降耗便成為各汽車摩托車企業(yè)首要考慮的競爭因素。因此，節(jié)能降耗、提高交通工具的經(jīng)濟性就成為緩和能源、環(huán)境、綜合費用等的主要措施。在影響汽車、摩托車的燃油經(jīng)濟性的因素中，相比于發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的效率，車輪滾動阻力、車身空氣阻力等因素，汽車、摩托車的自重是最重要的，因而在各種降低油耗的途徑中，最經(jīng)濟、最有效的措施就是實現(xiàn)汽車、摩托車的輕量化。實現(xiàn)輕量化的途徑和關鍵技術主要有： 輕質材料的應用； 結構的輕量化設計與優(yōu)化； 新型成型制造工藝技術的應用。鎂合金不僅在輕量化、節(jié)能降耗方面具有優(yōu)勢，而且還可以提高汽車的使用性能：鎂合金的減震

26、性能好，利于降低振動、提高駕乘舒適性；抗沖擊性好，可以降低沖擊其對駕駛者的危害程度、提高安全性。因此鎂在汽車摩托車工業(yè)領域有著良好的發(fā)展前景，汽車用鎂合金壓鑄件和鑄件的數(shù)量呈上升趨勢。此外，鎂合金零部件用于磁懸浮列車、高速列車等軌道交通工具，同樣具有良好的減重、節(jié)能和降噪的效果，應用前景良好。從上世紀20年代，德國率先把鎂合金應用于汽車開始，到目前為止，汽車中已超過60個零部件采用了鎂合金，且主要用于儀表盤、座椅架等車內構件，門框、尾板等車體構件，變速器殼體、離合器殼等發(fā)動機及傳動系統(tǒng)構件，輪轂、引擎托架等底盤構件 l4,l5。半個多世紀以來，隨著鎂合金設備與成形技術的不斷改進與完善，鎂合金在

27、摩托車上的應用在廣度和深度上也得到不斷擴展，其需求量也得到穩(wěn)步增長。加入wto以來，我國汽摩制造型企業(yè)急需提高自主研發(fā)創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，尤其需要加強和擴大對鎂合金、復合材料等新型材料的研究和應用，通過提高產(chǎn)品的科技含量來增強企業(yè)競爭力。而這些便為鎂合金的應用及產(chǎn)業(yè)化提供了堅實的產(chǎn)業(yè)結構基礎、巨大的發(fā)展空間和廣大的國內消費市場。近年來，隨著國外鎂合金應用技術及產(chǎn)業(yè)化的飛速發(fā)展，在我國政府的重視和支持下，關于鎂合金應用和產(chǎn)業(yè)化技術的研究也越來越多，使得我國汽車摩托車用鎂量以年均15%的速度增長。并且在政府的支持下，眾多高校和研究院所在“九五”期間開展了一系列鎂合金材料研發(fā)改進及生產(chǎn)應用技

28、術等研究，并取得了一系列卓有成效的研究成果，為鎂合金的持續(xù)研發(fā)打下了良好的基礎16。1.1.2 輪轂輕量化的優(yōu)點及鎂合金在輪轂上的應用現(xiàn)狀輪轂結構從最初的鋼質到鋁質，再到正在研究的鎂合金，輕量化已然成為輪轂的發(fā)展趨勢11,17。以摩托車為例，輕質輪轂將極大的改善摩托車經(jīng)濟性、易用性和舒適性，具體體現(xiàn)在： 輕質輪轂能使摩托車啟動更快，更節(jié)油摩托車的燃油主要消耗于車重，而作為摩托車重要的、質量最大的單體組成部件的輪轂，其重量將直接影響整車重量。摩托車自重每減輕10，其燃油經(jīng)濟性就可提高5.5，由此可見，輕質的摩托車輪轂具有相當明顯的節(jié)油降耗效果，并相應地提升了摩托車的續(xù)航能力。同時，輕質輪轂還將明

29、顯改善摩托車的啟動性能和加速性能。 輕質輪轂使摩托車更易操作當摩托車轉彎時，車體從直線行駛狀態(tài)變化到具有一定程度的傾角，由于輪轂上有一定的轉動慣量，而摩托車車體將抵制這種變化。而減小輪轂轉動慣量的方法便是人們希望的減小輪轂質量而非輪轂的速度，因此，使用輕質的輪轂之后，輪轂的轉動慣量減小，顯著提高了摩托車的駕駛性能。 輕質輪轂使摩托車更舒適摩托車懸掛系統(tǒng)的彈簧是為了在輪轂發(fā)生上下顛簸時，將輪轂推向地面，保持輪胎與地面之間的緊密接觸的。在彈簧規(guī)格一定的情況下，輕質輪轂更容易被推向地面，從而大大降低車輪的顛簸幅度和頻度，提高摩托車駕乘的舒適性。因此，將鎂合金材料應用于輪轂，來實現(xiàn)輪轂的輕量化，將極大

30、地降低摩托車能耗，提高摩托車經(jīng)濟性、易用性及駕乘舒適性。鎂合金輪轂最早于1967年應用于英國的austin汽車上，之后到1973年，鎂合金輪轂被應用于保時捷豪華車，在1974年應用于“mag 250”型摩托車。但是因為當時鎂合金輪轂的制造技術不成熟、價格高昂、容易腐蝕等問題，一直未得到規(guī)模化應用。近年來，隨著能源、環(huán)保的要求和汽車業(yè)內的競爭壓力的加大，以及原鎂價格的下降、加工成型技術的革新以及防腐工藝的提高，使得鎂合金輪轂開始越來越廣泛地用于汽車、摩托車等交通工具上。在歐美國家，汽車廠商正以汽車鎂合金用量作為車輛技術水平是否先進的標志，而最初用am60b等鎂合金制造的汽車輪轂的商業(yè)應用保持著快

31、速增長，如在1998年福特汽車公司生產(chǎn)出了重量為3.1kg的壓鑄鎂合金輪轂；日本輕金屬株式會社用充氧壓鑄法批量生產(chǎn)的am60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂，實現(xiàn)減重15%；美國通用汽車公司研制的am60b壓鑄車輪，在輪胎被扎穿后仍然能以小于48km/h的速度行駛，汽車不受損害。瑞典推出的運用高科技設計及應用新材料的產(chǎn)品volvo lcp2000轎車是，僅重700kg，共用輪轂等零部件50kg鎂合金鑄件（占毛重的7%）。其它將鎂合金輪轂用于轎車的公司還有意大利的grimecam公司、bbs公司、英國的dymag公司等。在國外的鎂合金應用技術飛速發(fā)展的同時，我國的鎂合金應用及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)也日益增多。20

32、01年四月成功組裝了世界第一臺鎂合金鑄件用量達12余公斤的lx150鎂合金綠色概念摩托車18-19。1.2 鎂合金輪轂的研究現(xiàn)狀1.2.1 鋁合金輪轂的生產(chǎn)技術現(xiàn)狀20-22隨著上世紀90年代我國汽車摩托車行業(yè)的迅猛發(fā)展，為鋁輪轂的應用提供了廣闊的應用市場。但在這一時期國內鋁輪轂生產(chǎn)技術工藝不成熟、研發(fā)能力不足、產(chǎn)量低、成本高，導致鋁輪轂的裝車率較低。加入世貿組織后，中國汽車、摩拖車產(chǎn)業(yè)借助國外同行業(yè)的資本和技術，實現(xiàn)了自身的跨越式發(fā)展，并極大地帶動了輪轂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前幾乎所有的乘用車車型及摩托車都采用了鋁合金輪轂。國外首先用砂型鑄造工藝來生產(chǎn)鋁合金輪轂，在1958年后開發(fā)了普通轎車用的整體

33、鋁輪轂，從20世紀70年代到2001年，北美輕型車的鋁合金輪轂裝車率達60%以上，歐洲超過了50%，日本約45%左右。國內的鋁合金輪轂起步較晚，但其快速的發(fā)展，使我國鋁合金輪轂的裝車率在2002年已經(jīng)接近45%。目前，全世界95%的鋁輪轂采用鑄造工藝生產(chǎn)，鑄造又細分為低壓鑄造、重力鑄造、擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造。國外鋁合金輪轂的制造方法以低壓鑄造為主，占全部產(chǎn)量的80%以上。另外還有少數(shù)企業(yè)采用鍛造法、旋壓法、焊接組裝法生產(chǎn)。最近，出現(xiàn)的無氣孔壓鑄新工藝（充氧壓鑄法），已經(jīng)在日本輕金屬株式會社和美國鑄鍛公司得到生產(chǎn)應用。進來在德國又研制成功了一種全新概念的新型輕量化鋁合金輪轂內置空氣鋁合金輪轂（a

34、ir inside wheel），通過空腔技術進一步減輕輪轂20%的質量。國內鋁合金輪轂制造主要采用較低成本的低壓鑄造工藝，約占全部產(chǎn)量的80%以上；其次是采用最簡便的重力鑄造工藝，約占其全部產(chǎn)量的20%不到。部分企業(yè)也采用擠壓鑄造和鍛造工藝，其產(chǎn)品質量較好。鋁合金輪轂有廣闊的市場前景，同時也要面對多種挑戰(zhàn)，如大幅提高生產(chǎn)規(guī)模、采用新工藝、持續(xù)降低成本、適應市場變化、適應產(chǎn)業(yè)結構調整、迅速提高勞動生產(chǎn)率、滿足oem和維修市場需求等。1.2.2 鎂合金輪轂的成形技術現(xiàn)狀摩托車輪轂作為摩托車的重要部件，直接承載了摩托車和負載的重量；輪轂不僅作為高速旋轉的運動部件，在摩托車行駛的過程中受到地面的沖擊

35、力、振動、拐彎時的彎矩、加減速時的扭矩等作用了因素，同時還受到日曬雨淋等環(huán)境因素的作用，服役條件相當惡劣。處于安全及操作性能的考慮，要求摩托車輪轂具有以下的特性：較強的抗沖擊性能、較強的抗疲勞性能、較好的減震性能、較大的結構強度以及盡可能小的質量等。目前摩托車輪轂的成型方法主要有以下幾種方式：鑄造、鍛造、組裝等。鍛造生產(chǎn)出的輪轂的強度、韌性與疲勞強度均顯著優(yōu)于鑄造輪轂。但由于鍛造生產(chǎn)工序多，其生產(chǎn)成本遠高于鑄造輪轂，因此鍛造輪轂常用于賽車。鑄造法是目前鎂合金輪轂成型最常用的方法，目前鎂合金輪轂成型的鑄造方法有重力鑄造、真空壓鑄、充氧壓鑄、低壓鑄造、電磁泵低壓鑄造等23-27。澳大利亞march

36、esini輪轂公司已利用砂型重力鑄造工藝生產(chǎn)出優(yōu)質的鎂合金輪轂，并在應用于賽車。國外已研制出在臥式壓鑄機上生產(chǎn)am60b鎂合金汽車輪轂的真空壓鑄法和批量生產(chǎn)鎂合金輪轂的充氧壓鑄法，相比于鋁輪轂，重量減輕15%。上世紀80年代，日本的豐田汽車公司就率先研制出了低壓鑄造鎂合金汽車輪轂。國內寧波的耐特鎂業(yè)科技發(fā)展有限公司成功生產(chǎn)了低壓鑄造鋁合金摩托車輪轂，并正在研究生產(chǎn)鎂合金輪轂。jsw與日本汽車輪轂廠合作開發(fā)出了鎂鋁合金復合材料的汽車輪轂28-33。近來年，出現(xiàn)了一些鎂合金輪轂鑄造成型新技術，如精密沖鍛成型技術、擠壓鑄造技術、擠壓鑄造-低壓鑄造結合技術、半固態(tài)觸變成型技術、旋壓成型技術、擠壓鑄造-

37、流變鑄造結合技術、真空傾轉法差壓鑄造等。目前，世界上僅有德國和日本進行了該類技術的研究，并已經(jīng)投產(chǎn)。而國內對該技術的研究僅有二汽從德國引進了一套輪轂旋壓生產(chǎn)線。東北大學已經(jīng)成功研發(fā)鎂合金輪轂溫擠成形技術，重慶大學課題組就新型擠壓鑄造技術進行研究，并申請了專利34。1.2.3 鎂合金輪轂成形工藝研究發(fā)展趨勢鎂合金輪轂的研究技術成果，使得國內在輕合金輪轂的技術研究方面跟上了國際先進水平，但在產(chǎn)業(yè)化方面尚存在一定距離。高品質鎂合金輪轂的商業(yè)化生產(chǎn)是個很復雜的工程。首先要保障用于輪轂生產(chǎn)的鎂合金材料具有較高的強度、剛度、韌性和極高的內部缺陷控制，這是獲得高品質鎂合金輪轂的先決條件；其次，根據(jù)鎂合金的特

38、性，對輪轂結構進行再設計，使得輪轂在滿足服役性能的基礎上，實現(xiàn)輪轂減重的最大化，這就需要形成一種科學的材料替代技術；最后，如何改變目前鎂合金輪轂僅應用在高檔車輛上的狀況，使得生產(chǎn)出來的鎂合金輪轂價位能滿足絕大多數(shù)普通民用車輛的要求，因此，就需要開發(fā)一種適合于市場占有量巨大的臥式壓鑄機生產(chǎn)的新的工藝方法。該工藝方法應該具有如下特點：首先，應該與鎂合金的物化特性相適應；其次，能夠與鎂合金輪轂的結構特征相適應；再次，應能夠高效率、低成本、穩(wěn)定地生產(chǎn)高品質鎂合金輪轂；最后，與新工藝相適應的裝備系統(tǒng)易于開發(fā)。上述是高性價比地商業(yè)化生產(chǎn)高品質鎂合金輪轂所需攻克的關鍵技術問題。1.3 本課題研究意義和內容1

39、.3.1 研究意義車輛輕量化發(fā)展已成為緩解能源供需緊張、降低環(huán)境污染的一個必然趨勢。為此，在車輛上采用現(xiàn)代的高比性能材料，如鎂合金、復合材料等，來減輕車輛零部件的重量，特別是高速運動部件的重量，已成為車輛輕量化的重要材料措施。鎂合金的高比性能、高阻尼減震降噪性能和抗疲勞性能，尤其適用于輕型車輛的輪轂材料。在保證車輛綜合性能的基礎上，增加鎂合金產(chǎn)品在整車中的比重則成為車輛輕量化的重要手段之一。我國是摩托車生產(chǎn)、消費和出口大國，也正在成為汽車生產(chǎn)制造和消費的大國。我國已經(jīng)憑借鎂資源的優(yōu)勢，成為原鎂和初級鎂產(chǎn)品生產(chǎn)大國，但因鎂合金生產(chǎn)應用技術的落后，使得原鎂的80%用作原材料出口。輪轂是車輛上單個部

40、件中重量最大、用量最多的鑄件，且還是車輛的重要運動部件，它的輕量化生產(chǎn)有著非常重要的意義和巨大的社會經(jīng)濟效益。而鎂合金生產(chǎn)技術還不夠成熟和完善，尤其是鑄造成型技術中存在耐蝕性差、高溫強度低、抗蠕變性能低等問題，嚴重阻礙了鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用。因此本文基于鎂合金材料特性，通過產(chǎn)品材料替代和結構優(yōu)化再設計，研發(fā)能夠適用于商業(yè)化生產(chǎn)高品質鎂合金輪轂的新型成型工藝技術。因此，項目目標的實現(xiàn)，不僅能夠實現(xiàn)用新技術、新材料改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高輪轂鑄件的性能、科技含量和市場競爭力，實現(xiàn)鎂合金輪轂產(chǎn)品的規(guī)?；慨a(chǎn)的目的，還能推動我國從鎂資源大國轉變?yōu)殒V產(chǎn)品制造、鎂技術應用的強國，實現(xiàn)西部大開發(fā)、經(jīng)濟大發(fā)展的戰(zhàn)

41、略目標。1.3.2 研究內容 基于臥式壓鑄機，開發(fā)出能夠適應鎂合金的物化特性、輪轂的工藝結構特征的、能同時對輪輻兩端熱節(jié)進行凝固補縮的新型鑄造成型工藝技術方法； 以新感覺摩托車鋁合金輪轂為研究對象，確定新感覺摩托車輪轂設計的疲勞準則，并對其進行鎂合金材料替代，結構再設計及優(yōu)化，使鎂合金輪轂在具有更大的安全服役系數(shù)的基礎上，同時滿足輪轂減重、美觀等要求； 根據(jù)新型鑄造成型工藝方法，設計鎂合金摩托車輪轂的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)，并對輪轂鑄件的充型和凝固過程進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結果，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)，確定最佳的鑄造工藝參數(shù)組合； 設計出合理的輪轂鑄造成型模具，并同合作企業(yè)一起完成壓鑄模具的加工制

42、造； 用新型鑄造成型工藝技術進行鎂合金輪轂的實驗性生產(chǎn)，并確定出用于實際生產(chǎn)的工藝參數(shù)組合； 對鎂合金輪轂樣件進行實驗室檢測和符合國家相關規(guī)定的臺架檢測試驗。2 真空輔助壓鑄工藝開發(fā)2.1 鎂合金的鑄造工藝特點鎂合金的物理特性及其對鑄造工藝的影響35-37 鎂熔體密度低（1.74g/cm31.85g/cm3），使之能夠獲得較高的澆注壓射力； 鎂熔體粘度低，流動性好，易于充滿復雜型腔，型腔復制性好； 與鋼鐵的親和力小，減少鑄造時的粘模，因此鎂合金鑄造模具可以使用更小的拔模斜度和抽拔力度； 鎂合金鑄件熱強度小，頂出力較??； 鎂合金的熱容小、凝固潛熱低，金屬熔體冷卻速度快，因而要求充型時間短，澆注速

43、度快，從而降低循環(huán)時間和對鑄造模具的損耗，不當?shù)墓に嚪桨笗硅T件中出現(xiàn)氣孔、流痕、冷隔等充型缺陷； 鎂合金凝固體收縮較大，鑄造時，鑄件內壁厚較厚的位置易出現(xiàn)縮孔疏松等凝固類缺陷，因而需采取措施來減小甚至消除這些凝固類缺陷，如高壓補縮或大體積冒口。鎂合金的化學性能及其對鑄造工藝的影響 鎂合金極易氧化，尤其是在高溫熔融狀態(tài)下，一般采用六氟化硫和氮氣的混合氣體作為保護氣體來減少其在熔爐內的氧化； 鎂合金鑄件中的氣孔：一是壓鑄過程中，排氣不良，形成卷氣，在鑄件凝固冷卻后形成，二是在冷卻過程中從鎂熔體中析出氫氣而形成。根據(jù)鎂合金的物理化學特性，在進行鎂合金鑄造工藝設計時應遵循如下原則： 鎂熔體凝固體收縮

44、較大，鑄件內部易出現(xiàn)縮孔疏松等凝固類缺陷，因此，在鎂熔體完成鑄造充型后應能得到高壓補縮，在有效控制氣孔缺陷的同時，最大限度地消除縮孔疏松等凝固類缺陷； 鎂合金的熱容小、凝固潛熱低，鎂熔體冷卻速度快，因此，在鑄造時，需要高的澆注充型速度，但不能因充型速度的提高而使鑄件的缺陷增加，可以通過抽真空或充氧的方法消除氣孔缺陷； 鑒于鎂合金極易氧化的特點，需要做好鎂合金熔煉及鑄造過程中的防氧化工作，熔煉時用六氟化硫和氮氣的混合保護氣體，而在鑄造過程中，則采用型腔抽真空的方法來減少鎂熔體的氣孔缺陷。因此鎂合金產(chǎn)品更適合于用真空高壓壓鑄工藝生產(chǎn)。2.2 摩托車輪轂的結構特征及其品質對成形工藝的要求摩托車輪轂作

45、為摩托車的重要安全部件，在承載的同時，還作為高速旋轉運動部件。因此摩托車輪轂的結構及品質應滿足如下特征： 作為高速旋轉部件，結構應具有很好的動平衡性能，輪轂的徑向圓跳動和軸向端面跳動要小于1.0mm（整體式輪轂）或小于1.2mm（組合式輪轂）； 輪轂應采用中心旋轉對稱結構； 輪輞長期承受胎壓作用，是輪轂的高應力區(qū)，要求工藝品質最高，力學性能最好。上述摩托車輪轂的結構特征及品質，使得輪轂的成形工藝應遵循如下要求： 鑄造輪轂外觀結構能夠很好地復制鑄型形貌，保證機加后的產(chǎn)品滿足外觀及尺寸要求； 輪轂采用中心旋轉對稱結構，輪輻的形狀及外觀質量直接取決于鑄型，很少對其進行機加，輪輞除裝胎面外也不進行機加

46、，因此，在鑄造成型過程中，輪輻及輪輞非機加處的鑄造表面應無夾渣、氣孔、冷隔、欠鑄等缺陷； 輪輞工藝品質要求最高，機械性能最好，要求其充型時輪輞處應無裹氣、夾渣、冷隔、流痕、縮孔疏松等缺陷，且輪輞的致密度應一致。根據(jù)鎂合金的物理化學性能以及摩托車輪轂的結構和品質特征對成形工藝的要求，為消除鎂合金充型過程中的夾渣、氣孔、冷隔、欠鑄等缺陷，獲得可以通過熱處理來提升本體材料機械性能，以改善服役性能的輪轂鑄件，這時，就要求鑄件在真空環(huán)境下充型，以獲得可熱處理的工藝性能；輪轂鑄件的熱節(jié)分散在輪輞和輪心上，為獲得高致密度、高機械性能的輪轂鑄件，需要在輪轂鑄件的凝固過程中應對輪輞和輪心處的熱節(jié)進行高壓凝固補縮

47、，即除了壓射壓頭的高壓壓力外，還需要采用另外的高壓補壓裝置來實現(xiàn)。因此摩托車輪轂的鑄造生產(chǎn)應采用真空高速充型和高壓補壓保壓凝固的鑄造成型工藝，也即帶有補壓功能的真空輔助高壓鑄造工藝。2.3 真空壓鑄技術的研究現(xiàn)狀2.3.1 真空壓鑄的特點真空壓鑄是在傳統(tǒng)壓力鑄造的基礎上輔以抽真空技術，先將型腔（包括壓室）內的氣體抽出或部分抽出，使金屬液在相對真空的條件下充填型腔，并在壓頭壓力下保壓凝固的鑄造工藝技術。 真空壓鑄工藝大大降低了金屬液在高速充型時卷入氣體而造成的氣孔缺陷，使金屬液在壓頭壓力作用下凝固冷卻得到的鑄件致密度顯著提高13。 真空壓鑄技術保持與繼承了傳統(tǒng)壓鑄工藝高速高壓的優(yōu)點，而且由于真空

48、壓鑄件內氣孔很少，使得鑄件可以進行后續(xù)熱處理來改善組織狀態(tài)，提高機械性能，甚至可以用于焊接14。真空壓鑄主要用于生產(chǎn)要求耐壓、強度高或要求進行熱處理的高質量鑄件，如本課題正在研究的鎂合金輪轂等。真空壓鑄對充型質量有著重要影響：一是充型前的型腔真空易于建立較大充型壓差，減小充型時金屬液的流動阻力，提高金屬液的充型速度，利于充填形狀復雜的部件，可得較好的鑄件表面亮度與光澤度；二是型腔內氣體被抽出，使得金屬液不易被氧化，減小了金屬液表面張力，利于成形復雜薄壁鑄件39。與普通壓鑄相比，真空壓鑄有以下特點40-41： 減少或消除了壓鑄件內部的氣孔，提高了鑄件組織致密度及強度。壓鑄件可以通過進行熱處理來提

49、高其力學性能； 消除了氣孔造成的鑄造缺陷； 可采用較小的澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸； 從壓鑄型腔抽出空氣，顯著地降低了充填反壓力； 鑄型中反壓力的減小使鑄件結晶速度加快，縮短了鑄件在鑄型中停留的時間，使真空壓鑄生產(chǎn)率提高10%20%； 密封結構復雜，制造安裝較困難，成本較高。2.3.2 真空壓鑄的抽真空方法真空壓鑄技術是解決復雜部件主要壓鑄缺陷，提高鑄件產(chǎn)品致密度、力學性能與合格率的重要措施。真空壓鑄時要求型腔在很短的時間內達到預定的真空度，因此要設計好真空系統(tǒng)，并對壓鑄成型模具密封。真空壓鑄密封并抽真空的方法很多，常用的方法有兩種42： 利用真空罩密封壓鑄模壓鑄模具用真空罩密封，在金屬熔體澆注到

50、壓室，壓射沖頭越過加料口后抽出真空罩內的空氣，使型腔達到預定的真空度，然后進行壓鑄。用真空罩密封的方法抽氣量大，不宜用于帶液壓抽芯的壓鑄模，因此目前已經(jīng)很少用了。 借助分型面抽真空壓鑄模的排氣槽經(jīng)分型面上的總排氣槽與真空系統(tǒng)連通，待壓射沖頭越過加料口將壓室與型腔密封后，由行程開關打開真空閥開始對型腔抽真空，金屬熔體充滿型腔后，可以通過“充型熔體流入齒狀截面漸變排氣道、被激冷凝固堵塞真空排氣道”，防止金屬液進入真空系統(tǒng)。這種方法抽氣量少而且壓鑄模具制造維修簡單方便，但難以在極短的壓鑄充型時間內使型腔達到理想的真空度。另一種則是在型腔最后充填部位安裝單芯真空閥，為防止熔體堵塞單芯真空閥，需要提前關

51、閉真空閥，導致抽氣不充分，型腔內殘留氣體較多；或采用專用的真空截流系統(tǒng)實現(xiàn)型腔的全過程抽真空，但設備成本過高，且不便于維修。因此需要設計一種能夠實現(xiàn)快速密封全程抽真空且制造成本低、維修方便的新型抽真空方法。為了解決鑄件存在大量卷氣的問題，獲得沒有氣孔缺陷的高品質鑄件，本課題組針對現(xiàn)行抽真空方法存在的問題，發(fā)明了一種排氣能力強，能及時阻斷真空通道，避免熔體進入真空通道的抽真空方法，并申請了專利一種新型抽真空方法（專利公開號：201010272792.x）。其實現(xiàn)方法是：在模具型腔的最后充填部位設置一個大截面積的直通真空通道，真空通道的打開與關閉由外驅動力控制的柱塞來實現(xiàn)，真空通道后連接帶過濾器的

52、抽真空系統(tǒng)。用該方法進行高壓鑄造時，在澆注完成，壓射壓頭過澆料口封閉壓室，使壓室及型腔成為封閉空間，且在壓射壓頭驅動熔體高速充填型腔前，柱塞后退打開真空通道，利用真空系統(tǒng)通過大截面積的真空通道對壓室型腔進行快速抽氣，使型腔瞬間達到很高的真空度；然后進行快速充型，在熔體充型流動前沿抵達真空通道前，柱塞頂出，封閉真空通道，阻止熔體進入真空通道。與現(xiàn)行抽真空方法相比，新型抽真空方法具有如下效果：1）由于采用大截面積的直通排氣管，增強了排氣能力，減少了排氣時間，使型腔更快地達到預定真空度；2）采用高速反應的柱塞來實現(xiàn)真空通道的開啟與關閉，克服了常規(guī)閥門閥芯關閉不及時導致熔體堵塞真空通道，甚至進入真空系

53、統(tǒng)的問題，且直通的排氣道，更容易維護，提高了真空系統(tǒng)耐用性。2.4 帶補壓功能的新型真空輔助壓鑄工藝摩托車輪轂是典型的中心旋轉對稱結構，因此不論是采用重力金屬型鑄造還是低壓鑄造工藝，最常見的充型方式就是采用中心進澆方式，而這種充型方式?jīng)Q定了輪轂鑄造模具最好采用垂直分型，這樣不僅能使金屬液均衡充型，方便排溢系統(tǒng)設計，而且能夠對輪心厚大部位進行壓力凝固補縮，或輪輞部位的冒口補縮，有利于提高輪轂鑄件致密度，減少縮孔疏松缺陷。然而，如若在冷室壓鑄機上采用中心充型方式，如圖2.1所示，不僅會導致輪輞的下部氣體因無法通過分型面的排氣通道排出而形成裹氣，最終以氣孔的形式存在于輪轂鑄件內部或表面，且壓頭只能為

54、輪心熱節(jié)提供有效補縮，而分布在輪緣上的熱節(jié)因薄壁輻條或輻板較早凝固堵塞補縮通道而出現(xiàn)縮孔疏松等凝固收縮缺陷，顯著降低了這些部位的工藝品質和機械性能。即使采用真空壓鑄工藝也無法顯著降低輪緣上因熱節(jié)而產(chǎn)生的縮松疏松等凝固收縮缺陷。有時為了保證輪輞在壓力下凝固，減少輪輞部位的縮松疏松，需要使輪轂按照輪輞-輪輻-輪心的順序鑄件增加壁厚，這樣就會使得輪輻處及輪心部分的材料會有一定的浪費，需要后續(xù)機加工去除（如輪心）或保留在輪轂產(chǎn)品上（如輪輻），這不僅增加了成本，而且也增加了輪轂重量。另外，輪輞是輪轂產(chǎn)品的高應力區(qū)，要求的充型質量最高，但中心澆注方式最后充填輪輞，致使氧化渣、冷隔、流痕等成型缺陷集中出現(xiàn)在

55、輪輞上，降低了輪轂鑄件的工藝品質和機械性能。若通過大的集渣包來獲得合格的輪轂鑄件，則會顯著降低輪轂產(chǎn)品的工藝收得率，提高生產(chǎn)成本。而且在臥室冷室壓鑄機上采用中心進澆方式的話，模具需設計成三片兩開式結構，不僅增加了模具成本，而且會降低生產(chǎn)效率，不能發(fā)揮出壓鑄生產(chǎn)高效率的優(yōu)點。針對現(xiàn)有摩托車輪轂鑄造生產(chǎn)工藝多采用立式重力鑄造設備，生產(chǎn)率低、成品率低、工藝收得率低、勞動強度大、機械化自動化程度低等問題，為了適應大批量生產(chǎn)要求，提高生產(chǎn)效率、成品率、收得率、降低勞動強度、提高生產(chǎn)過程的機械化自動化程度，因此，需要開發(fā)出新的鑄造工藝以滿足在臥式壓鑄機上大批量自動化生產(chǎn)優(yōu)質摩托車輪轂鑄件的需求。圖2.1

56、中心進澆方式壓鑄fig.2.1 die cast with the center filling system為解決傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)的摩托車輪轂輪輞充型質量較低，壓射壓頭無法對輪輞及輪心熱節(jié)進行有效補縮而容易形成縮孔疏松等缺陷，導致輪轂服役性能低的問題，獲得具有高品質的輪輞、少無疏松缺陷、服役性能優(yōu)良的摩托車輪轂鑄件，本課題組發(fā)明了一種能同時對輪輞和輪心熱節(jié)進行有效的壓力補縮、可在廣泛使用的臥式壓鑄機上實施的可熱處理的輪轂鑄件的壓鑄工藝方法，并申請了發(fā)明專利一種真空高壓鑄造方法（專利公開號：201010272781.1），如圖2.2所示。其實現(xiàn)方法是：合金熔體通過澆注口定量注入壓室后，壓頭前行

57、封閉澆注口使壓室及型腔構成封閉空間后抽真空；充型過程中，壓頭繼續(xù)前行依次完成輪緣、輪輻或輻板、輪心的真空充型，并在充型完成前結束抽真空；充型完成后，壓頭與補壓頭一起加壓并保壓，使型腔內熔體在壓力下按照先輪輻或輻板、后輪輞和輪心的順序凝固，使分布在輪輻或輻板兩端的熱節(jié)均得到良好的補縮，消除這些熱節(jié)部位的縮孔疏松等凝固收縮缺陷。圖2.2 新型真空高壓鑄造方法fig.2.2 the new vacuum die-casting method與傳統(tǒng)輪轂鑄造工藝相比，新型真空輔助高壓鑄造工藝具有如下效果：1）采用真空輔助，避免了合金熔體流動充型時的氧化及鑄件中氣孔的形成，提高了輪轂鑄件的工藝質量，并可通過熱處理提升輪轂本體材料的機械性能；2）采用環(huán)形流動充型，使熔體先輪輞、再輪輻或輻板、再輪心、最后集渣包的順序充型，在性能要求高的輪輞上得到工藝品質高且一致的充型質量；3）采用壓頭和補壓頭分別對輪輞