【正文】 藝 不 成熟、研發(fā)能力不足、產(chǎn)量低 、 成本高， 導(dǎo)致 鋁輪轂的裝車(chē)率較低。 目前，全世界 95%的鋁輪轂采用鑄造工藝生產(chǎn)，鑄造又細(xì)分為低壓鑄造、重力鑄造 、 擠壓鑄造 和半固態(tài)鑄造 。 進(jìn)來(lái)在德國(guó)又研制成功了一種全新概念的新型輕量化鋁合金輪轂 — — 內(nèi)置空氣鋁合金輪轂 （ Air Inside Wheel） ，通過(guò)空腔技術(shù)進(jìn)一1 緒 論 5 步減輕輪轂 20%的質(zhì)量。 鎂合金輪轂的成形技術(shù)現(xiàn)狀 摩托車(chē)輪轂作為摩托車(chē)的重要部件，直接承載了摩托車(chē)和負(fù)載的重量；輪轂不僅作為高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)部件，在摩托車(chē)行駛的過(guò)程中受到地面的沖擊力、振動(dòng)、拐彎時(shí)的彎矩、加減速時(shí)的扭矩等作用了因素，同時(shí)還受到日曬雨淋等環(huán)境因素的作用，服役條件相當(dāng)惡劣。但由于鍛造生產(chǎn)工序多，其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于鑄造輪轂，因此鍛造輪轂常用于賽車(chē)。 上世紀(jì) 80 年代，日本的豐田汽車(chē)公司就率先研制出了低壓鑄造鎂合金汽車(chē)輪轂。目前，世界上僅有德國(guó)和日本進(jìn) 行了該類技術(shù)的研究，并已經(jīng)投產(chǎn)。 高品質(zhì)鎂合金輪轂的商業(yè)化生產(chǎn)是個(gè)很復(fù)雜的工程。 本課題研究意義和內(nèi)容 研究意義 車(chē)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(gè)必然趨勢(shì)。 我國(guó)是摩托車(chē)生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó)，也正在成為汽車(chē)生產(chǎn)制造和消費(fèi)的大國(guó)。因此本文基于 鎂合金材料特性，通過(guò) 產(chǎn)品材料替代和結(jié)構(gòu)優(yōu) 化再設(shè)計(jì)，研發(fā) 能夠適用于商業(yè)化生產(chǎn)高品質(zhì) 鎂合金輪轂的新型成型工藝技術(shù)。 鎂合金的化學(xué)性能 及其對(duì)鑄造工藝的影響 ① 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?dú)獾幕旌蠚怏w作為保護(hù)氣體來(lái)減少其在熔爐內(nèi)的氧化； ② 鎂合金鑄件中的氣孔 ： 一是壓鑄過(guò)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(guò)程中從 鎂熔體 中析出氫氣而形成。因此摩托車(chē)輪轂的結(jié)構(gòu) 及品質(zhì) 應(yīng)滿足如下特征： ① 作為高速旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很好的動(dòng)平衡性能， 輪轂的徑向圓跳動(dòng)和軸向 端面 跳動(dòng)要小于 （整體式輪轂）或小于 （組合式輪轂）； ② 輪轂應(yīng)采用中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)； ③ 輪輞 長(zhǎng)期承受胎壓作用，是 輪轂 的高應(yīng)力區(qū)，要求工藝品質(zhì)最高，力學(xué)性能最好 。 真空壓鑄技術(shù)的研究現(xiàn)狀 真空壓鑄的特點(diǎn) 真空壓鑄是在傳統(tǒng)壓力鑄造的基礎(chǔ)上輔以抽真空技術(shù)，先將型腔 （包括壓室）內(nèi)的氣體抽 出或部分抽出 ， 使金屬液 在相對(duì)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(shù) 。 真空 壓鑄 對(duì)充型 質(zhì)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(shí) 金屬液的流動(dòng) 阻力， 提高金屬液的充型速度 ， 利于充填形狀復(fù)雜的部件 ， 可得較好的鑄件表面亮度與光澤度；二 是 型腔內(nèi)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(fù)雜薄壁鑄件 [39]。 真空壓鑄時(shí)要求型腔在很短的時(shí)間 內(nèi)達(dá)到預(yù)定的真空度，因此要設(shè)計(jì)好真空系統(tǒng)，并對(duì)壓鑄成型模具密封。這種方法抽氣量少而且壓鑄模具制造維修簡(jiǎn)單方便 ，但難以在極短的壓鑄充型時(shí)間內(nèi)使型腔達(dá)到理想的真空度。 其實(shí)現(xiàn)方法是：在模具型腔的最后充填部位設(shè)置一個(gè)大截面積的直通真空通道，真空通道的打開(kāi)與關(guān)閉由外驅(qū)動(dòng)力控制的柱塞來(lái)實(shí)現(xiàn)，真空通道后連接帶過(guò)濾器的抽真空系統(tǒng)。然而，如若在冷室壓鑄機(jī)上采用中心充型方式，如圖 所示 ，不僅 會(huì)導(dǎo)致 輪輞 的下部氣體 因無(wú)法通過(guò)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(nèi)部或表面， 且壓頭只能為輪心熱節(jié)提供有效補(bǔ)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(bǔ)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(zhì)和機(jī)械性能。若通過(guò)大的集渣包來(lái)獲得合格的輪轂鑄件，則會(huì)顯著降低輪轂產(chǎn)品的工藝收得率，提高生產(chǎn)成本。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 其實(shí)現(xiàn)方法是： 合金熔體通過(guò)澆注口定量注入壓室后，壓頭前行封閉澆注口使壓室及型腔構(gòu)成封閉空間后抽真空；充型過(guò)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(jié)束抽真空；充型完成后，壓頭與補(bǔ)壓頭一起加壓并保壓，使型腔內(nèi) 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(bǔ)縮，消除這些熱節(jié)部位的縮孔疏松等凝固收縮缺陷。正向工程 技術(shù) 是 指 先由設(shè)計(jì)者進(jìn)行產(chǎn)品的二維或三維圖紙 設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行實(shí)際物體的制作或生產(chǎn) 的過(guò)程。在已知 其 疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的情況下，就 可以 采用正向工程技術(shù)， 在計(jì)算機(jī)上采用實(shí)體建模技術(shù)，根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，借助有限元分析軟件，直接建立 滿足服役狀況的 三維實(shí)體模型 ，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行實(shí)際輪轂的制作或生產(chǎn)過(guò)程。分析輪轂受力時(shí)，一般是選擇輪轂 正常服役時(shí)，受力 處于極大值狀態(tài)為計(jì)算工況。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 圖 輪轂的力學(xué)模型圖 Fig. The mechanical model of the wheel 鋁輪轂的有限元服役分析 輪轂結(jié)構(gòu)服役應(yīng)力分析的意義和進(jìn)展 輪轂是車(chē)輛行駛的主要部件之一，是車(chē)體與地面之間的 主要 傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。然而國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂的研究工作開(kāi)展的很少，且多數(shù)采用傳統(tǒng)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)法和道路試驗(yàn)法。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)大多采用有限元法對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，但研究尚處初級(jí)階段，發(fā)表過(guò)的關(guān)于用有限元法對(duì)輪轂進(jìn)行分析的文章也較少。 湖南大學(xué)的秦德申等人 對(duì)轎車(chē)輪轂在受胎壓、擰緊力矩、直行及轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量 [18]，但該方法 不能在 輪轂 初始 設(shè)計(jì)階段對(duì)其性能進(jìn)行 預(yù)測(cè)。因此，就 要 通過(guò)力學(xué)方法研究 其 服役狀態(tài)， 在 保證 在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，盡量減少質(zhì)量，使整車(chē) 擁 有更好的平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 范圍內(nèi)。 為獲得輪轂的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，首先需要對(duì)輪轂的服役力學(xué)模型進(jìn)行抽象。 通常我們所 提到 的逆向工程主要是指 物體 幾何形狀的逆向，即實(shí)物的 CAD 重建 ， 在機(jī)械工業(yè)中，有時(shí)為了更好地 展 現(xiàn)產(chǎn)品的外形，設(shè)計(jì)者往往把所構(gòu)思 設(shè)計(jì) 的外形做成 實(shí)物模型進(jìn)行推敲；不僅如此，有時(shí)設(shè)計(jì)者獲得 的 上游信息也只是實(shí)物而非圖紙 ， 為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)一定的途徑，將這些信息轉(zhuǎn)化為 CAD 模型，這 使 就應(yīng)用到了逆向工程技術(shù)。 本章小結(jié) 本章根據(jù)鎂合金在鑄造工藝特性及輪轂的工藝結(jié) 構(gòu)特征，提出了基于臥式冷室壓鑄機(jī)、能提高輪輞品質(zhì)、能同時(shí)對(duì)輪輻兩端熱節(jié)進(jìn)行凝固收縮補(bǔ)償?shù)倪m合輪盤(pán)類鑄件壓鑄生產(chǎn)的新型真空輔助高壓鑄造方法，并申請(qǐng)了 國(guó)家發(fā)明 專利 。針對(duì)現(xiàn)有 摩托車(chē) 輪轂鑄造生產(chǎn)工藝多采用立式重力鑄造設(shè)備，生產(chǎn)率低、成品率低、工藝收得率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械 化自動(dòng)化程度低等問(wèn)題， 為了適應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化自動(dòng)化程度，因此，需要開(kāi)發(fā)出新的鑄造工藝以滿足在臥式壓鑄機(jī)上大批量自動(dòng)化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì) 摩托車(chē) 輪轂鑄件的需求。有時(shí) 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(huì)使得輪輻處及輪心部分的材料會(huì)有一定的浪費(fèi)，需要后續(xù)機(jī)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。 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(qiáng)了排氣能力，減少了排氣時(shí)間，使型腔更快地達(dá)到預(yù)定真空度； 2）采用高速反應(yīng)的柱塞來(lái)實(shí)現(xiàn)真空通道的開(kāi)啟與關(guān)閉，克服了常規(guī)閥門(mén)閥芯關(guān)閉不及時(shí)導(dǎo)致熔體堵塞真空通道，甚至進(jìn)入真空系統(tǒng)的問(wèn)題，且直通的排氣道，更容易維護(hù)，提高了真空系 統(tǒng)耐用性。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 因此需要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(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。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。壓鑄件可以通過(guò)進(jìn)行熱處理來(lái)提高其力學(xué)性能 ； ② 消除了氣孔造成的 鑄造 缺陷 ； ③ 可采用較小的澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸； ④ 從壓鑄型腔抽出空氣，顯著地降低了充填反壓力 ； ⑤ 鑄型中反壓力的減小使鑄件結(jié)晶速度加快，縮短了鑄件在鑄型中停留的時(shí)間，使 真空壓鑄生產(chǎn)率提高 10%~20%； ⑥ 密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造安裝較困難，成本較高。 真空壓鑄技術(shù)保持 與 繼承了 傳統(tǒng) 壓鑄 工藝 高速高壓的優(yōu)點(diǎn)，而且 由于 真空壓鑄件內(nèi)氣孔 很2 真空輔助壓鑄工藝開(kāi)發(fā) 11 少， 使 得鑄件 可以進(jìn)行后續(xù)熱處理 來(lái)改善組織狀態(tài)，提高機(jī)械性能， 甚至 可以用于 焊接 [14]。 根 據(jù)鎂合金的物理化學(xué)性能以及摩托車(chē)輪轂的結(jié)構(gòu)和品質(zhì)特征對(duì)成形工藝的要求，為 消除鎂合金 充型過(guò)程中的 夾渣 、氣孔、冷隔、欠鑄 等缺陷 ， 獲得可以通過(guò)熱處理來(lái)提升本體材料機(jī)械性能，以改善服役性能的輪轂鑄件，這時(shí)，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(jī)械性能的輪轂鑄件， 需要 在輪轂鑄件的凝固過(guò)程中應(yīng)對(duì) 輪輞和輪心處的熱節(jié)進(jìn)行 高壓凝固補(bǔ)縮 ，即除了壓射壓頭的高壓壓力外，還需要采用另外的高壓補(bǔ)壓裝置來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 因此鎂合金產(chǎn)品更適合于用真空高壓壓鑄工藝生產(chǎn)。 1 緒 論 7 研究?jī)?nèi)容 ① 基于臥式壓鑄機(jī)， 開(kāi)發(fā)出能夠適應(yīng)鎂合金的物化特性、輪轂的工藝結(jié)構(gòu)特征的 、能同時(shí)對(duì)輪輻兩端熱節(jié)進(jìn)行凝固補(bǔ)縮的 新型 鑄造成型 工藝技術(shù)方法 ； ② 以 新感覺(jué)摩托車(chē)鋁合金輪轂 為研究對(duì)象 ，確定 新感覺(jué)摩托車(chē) 輪轂設(shè)計(jì)的疲勞準(zhǔn)則，并對(duì)其 進(jìn)行 鎂合金 材料替代，結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)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(chǔ)上，同時(shí)滿足輪轂減重、美觀等要求 ； ③ 根據(jù) 新型 鑄造 成型工藝方法， 設(shè)計(jì) 鎂合金摩托車(chē)輪轂的 澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)，并對(duì)輪轂鑄件的充型和凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)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 ； ④ 設(shè)計(jì)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造； ⑤ 用新型 鑄造成型 工藝技術(shù)進(jìn)行鎂合金輪轂的實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn) ，并確定 出 用于實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)組合； ⑥ 對(duì)鎂合金輪轂樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定的臺(tái)架檢測(cè)試驗(yàn) 。輪轂是車(chē)輛上單個(gè)部件中重量最大、用量最多的鑄件，且還是車(chē)輛的重要運(yùn)動(dòng)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。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(chē)輛的輪轂材料。 該工藝方法應(yīng)該具有如下特點(diǎn) ：首先，應(yīng)該與鎂合金的物化特性相適應(yīng)；其次，能夠與鎂合金輪轂的結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)；再次，應(yīng)能夠高效率、低成本、穩(wěn)定地生產(chǎn)高品質(zhì)鎂合金輪轂；最后，與新工藝相適 應(yīng)的裝備系統(tǒng)易于開(kāi)發(fā)。東北大學(xué)已經(jīng)成功研發(fā)鎂合金輪轂溫?cái)D成形技術(shù)，重慶大學(xué)課題組就新型擠壓鑄造技術(shù)進(jìn)行研究，并申請(qǐng)了專利 [34]。 JSW 與日本汽車(chē)輪轂廠合作開(kāi)發(fā)出了鎂鋁合金復(fù)合材料的汽車(chē)輪轂 [2833]。 澳大利亞 Marchesini 輪轂公司已利用砂型 重力鑄造工藝生產(chǎn) 出優(yōu)質(zhì)的鎂合金輪 轂，并在應(yīng)用于賽車(chē) 。 目前摩托 車(chē)輪轂的成型方法主要 有 以下幾種方式： 鑄造 、鍛造、組裝等。部分企業(yè)也采用擠壓鑄造 和鍛造 工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量較好。 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)。 國(guó)外 首先 用砂型鑄 造工藝來(lái)生產(chǎn)鋁合金輪轂， 在 1958 年后 開(kāi)發(fā)了 普通轎車(chē) 用的整體鋁輪轂， 從 20 世紀(jì) 70 年代 到 20xx 年 ， 北美輕型車(chē)的鋁合金輪轂裝車(chē)率達(dá)60%以上，歐洲超過(guò)了 50%，日本約 45%左右。 20xx 年 四月 成功組裝了世界第一臺(tái)鎂合金鑄件用量達(dá) 12 余公斤的LX150 鎂合金綠色概念摩托車(chē) [1819]。 在歐美國(guó)家，汽車(chē)廠商正 以汽車(chē)鎂合金用量 作為車(chē)輛 技術(shù)水平是否先進(jìn) 的標(biāo)志 ， 而最初用 AM60B 等鎂合金制造的汽車(chē)輪轂 的 商業(yè)應(yīng)用保持著快速增長(zhǎng)，如在 1998 年 福特汽車(chē)公司生產(chǎn)出了 重量為 的壓鑄鎂合金 輪轂 ；日本輕金屬株式會(huì)社用充氧壓鑄法批量生產(chǎn)的 AM60 鎂合金汽車(chē)輪 轂和摩托車(chē) 輪轂 ，實(shí)現(xiàn)減重15%；美國(guó)通用汽車(chē)公司研制的 AM60B 壓鑄車(chē)輪，在輪胎被扎穿后仍然能以小于 48km/h 的速度行駛，汽車(chē)不受損害。 因此，將鎂合金材料應(yīng)用于輪轂，來(lái)實(shí)現(xiàn)輪轂的輕量化，將極大地降低摩托車(chē)能耗，提高摩托車(chē) 經(jīng)濟(jì)性、易用性及 駕乘舒適性。 ② 輕質(zhì)輪轂使摩托車(chē) 更易操作 當(dāng)摩托車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)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(zhuǎn)動(dòng)慣量，而摩托 車(chē) 車(chē)體將抵制這種變化。 輪轂輕量化的優(yōu)點(diǎn)及鎂合金在輪轂上的應(yīng)用現(xiàn)狀 輪轂結(jié)構(gòu)從最初的鋼質(zhì)到鋁質(zhì)，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(shì) [11,17]。加1 緒 論 3 入 WTO 以來(lái) ，我國(guó) 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(shì)，尤其需要加強(qiáng)和擴(kuò)大 對(duì) 鎂合金、復(fù)合材料等新型材料的研究和應(yīng)用，通過(guò)提高產(chǎn)品的科技含量來(lái)增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。因此鎂在 汽車(chē) 摩托車(chē) 工 業(yè)領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景，汽車(chē)用鎂合金壓鑄件和鑄件的數(shù)量呈上升趨勢(shì) 。 因此 ，節(jié)能降耗 、提高交通工具的經(jīng)濟(jì)性就成為緩和 能源 、 環(huán)