【正文】 如長(zhǎng)春汽車研究所 通過輪轂的徑向疲勞試驗(yàn)檢測(cè)，繪制了數(shù)種輪轂的彎曲疲勞曲線，并測(cè)定了輪轂易損部位應(yīng)力。 輪轂的軸承孔受徑向載荷作用，載荷 P 按余弦 或拋物線 規(guī)律作用于軸承與軸承孔 的 接觸 面 120176。 逆向工程技術(shù) [43]， 是相對(duì)于傳統(tǒng)的正向工程而言的 ， 是指 借助某種 測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模 型進(jìn)行測(cè)量， 然后 根據(jù)測(cè)量 所獲得的數(shù)據(jù) ，利用 CAD 軟件來重構(gòu)實(shí)物或模型的 三維幾何 模型的 過程。 而且在臥室冷室壓鑄機(jī)上采用中心進(jìn)澆方式的話，模具需設(shè)計(jì)成三片兩開式結(jié)構(gòu)，不僅增加了模具成本，而且會(huì)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(diǎn)。用該方法進(jìn)行高壓鑄造時(shí)，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(qū)動(dòng)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(duì)壓室型腔進(jìn)行快速抽氣，使型腔瞬間達(dá)到很高的真空度；然后進(jìn)行快速充型，在熔體充型流動(dòng)前沿抵達(dá)真空通道前，柱塞頂出，封閉真空通道，阻止熔體進(jìn)入真空通道。真空壓鑄密封 并抽真空的 方法很多，常用的方法有兩種 [42]： ① 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 到壓室，壓射沖頭越過加料口后抽出真空罩內(nèi)的空氣，使型腔達(dá)到預(yù)定的真空度，然后進(jìn)行壓鑄。 真空壓鑄工藝 大大降低了 金屬液在高速 充型時(shí)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]。 根據(jù) 鎂合金 的物理化學(xué)特性，在進(jìn)行鎂合金鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下原則： ① 鎂 熔體 凝固體收縮較大，鑄件內(nèi)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(yīng)能 得到 高壓補(bǔ)縮 ，在有效控制氣孔缺陷的同時(shí)，最大限度地消除縮孔疏松等凝固 類 缺陷 ； ② 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(shí)， 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 ； ③ 鑒于鎂合金極易氧化的特點(diǎn)，需要做好鎂合金熔煉及鑄造過程中的防氧化工作 ，熔煉時(shí)用六 氟化硫和氮?dú)獾幕旌媳Ｗo(hù)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。我國(guó)已經(jīng)憑借鎂資源的優(yōu)勢(shì)，成為原鎂和初級(jí)鎂產(chǎn)品生產(chǎn)大國(guó)，但因鎂合金生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)的落后，使得原鎂的 80%用作原材料出口。首先要保障用于輪轂生產(chǎn)的鎂合金材料具有較高的強(qiáng)度、剛度、韌性和極高的內(nèi)部缺陷控制，這是獲得高品質(zhì)鎂合金輪轂的先 決 條件 ；其次，根據(jù)鎂合金的特性，對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使得輪轂在滿足服役性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)輪轂減重的最大化，這就需要形成一種科學(xué)的材料替代技術(shù)；最后，如何改變目前鎂合金輪轂僅應(yīng)用在高檔車輛上的狀況，使得生產(chǎn)出來的鎂合金輪轂價(jià)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(chǎng)占有量巨大的臥式壓鑄機(jī)生產(chǎn)的新的工藝方法。國(guó)內(nèi)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。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(qiáng)的抗沖擊性能、較強(qiáng)的抗疲勞性能、較好的減震性能、較大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及盡可能小的質(zhì)量等。國(guó)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。 在國(guó)外的鎂合金應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)的鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)也日益增多。在彈簧規(guī)格一定的情況下，輕質(zhì) 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。 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(jìn)及生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)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(chǔ) [16]。 鎂合金不僅在輕量化、節(jié)能降耗方面具有優(yōu)勢(shì)，而且還可以提高汽車的使用性能：鎂合金的減震性能好，利于降低振動(dòng)、提高駕乘舒適性； 抗 沖擊性 好 ，可以降低 沖擊 其對(duì)駕駛者的危害程度、提高安全性。 20 世紀(jì) 90 年代以來，可持續(xù)發(fā)展的要求使鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域得到了的快速發(fā)展。 鎂是最輕 質(zhì) 的商用金屬 工程 結(jié)構(gòu)材料， 其密度小 (～ )，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。 ③ Based on the mechanical properties of the Mg alloy 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 of the original Al wheel to , acpanied by a weight saving of 38%。 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(bǔ)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)。確定的 最佳工藝參數(shù)組合 為： 澆注溫度 680℃ ，模具預(yù)熱溫度 250℃ ，壓射速度 ，保壓壓力 60MPa； 單只輪轂生產(chǎn)周期 為40~50s，工藝收得率 為 73%；在此 基礎(chǔ)上 完成 了輪轂的成型模具 設(shè)計(jì) ，并和合作企業(yè)一起完成了模具的 制造 、 調(diào)試 和實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn) ； ⑤ 在合作企業(yè)進(jìn)行了 鎂合金輪轂 的 真空輔 助 高 壓鑄造實(shí)驗(yàn)性 生產(chǎn)， 對(duì)樣件的工藝品質(zhì) 進(jìn)行的工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)表明，產(chǎn)品的內(nèi)部和外在質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求； ⑥ 輪轂樣件通過了按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的徑向疲勞試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)等臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)。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]。因此，我們應(yīng)該積極研究鎂合金，并努力進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，推動(dòng)鎂合金的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，把 我國(guó)的鎂產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn) 化成資源、產(chǎn)品和技術(shù) 的全優(yōu)產(chǎn)業(yè) [910]。 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)境 、綜合費(fèi)用等的主要措施。加1 緒 論 3 入 WTO 以來 ，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，通過提高產(chǎn)品的科技含量來增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。 ② 輕質(zhì)輪轂使摩托車 更易操作 當(dāng)摩托車轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)慣量，而摩托 車 車體將抵制這種變化。 在歐美國(guó)家，汽車廠商正 以汽車鎂合金用量 作為車輛 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 鎂合金汽車輪 轂和摩托車 輪轂 ，實(shí)現(xiàn)減重15%；美國(guó)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。 國(guó)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 用的整體鋁輪轂， 從 20 世紀(jì) 70 年代 到 20xx 年 ， 北美輕型車的鋁合金輪轂裝車率達(dá)60%以上，歐洲超過了 50%，日本約 45%左右。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。 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 。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]。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。 1 緒 論 7 研究?jī)?nèi)容 ① 基于臥式壓鑄機(jī)， 開發(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 新感覺摩托車鋁合金輪轂 為研究對(duì)象 ，確定 新感覺摩托車 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) 。 根 據(jù)鎂合金的物理化學(xué)性能以及摩托車輪轂的結(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(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)壓裝置來實(shí)現(xiàn) 。壓鑄件可以通過進(jìn)行熱處理來提高其力學(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。 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。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。 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 。 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。因此，就 要 通過力學(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 擁 有更好的平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 近年來，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)表過的關(guān)于用有限元法對(duì)輪轂進(jìn)行分析的文章也較少。 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 輪轂是車輛行駛的主要部件之一，是車體與地面之間的 主要 傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。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)過程。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。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(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。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。 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]。因此摩托車輪轂的結(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