【正文】 ，全球可開采和使用的鎂資源達千年以上。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(guān)鍵技術(shù)難題，建立一套完整的鎂合金生產(chǎn)技術(shù)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(yīng)用 [1113]。實現(xiàn)輕量化的途徑和關(guān)鍵技術(shù)主要有 ：① 輕質(zhì)材料的應(yīng)用； ② 結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計與優(yōu)化； ③ 新型成型制造工藝技術(shù)的應(yīng)用。 近年來，隨著國外鎂合金應(yīng)用技術(shù)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(guān)于 鎂合金應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化技術(shù) 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。 ③ 輕質(zhì) 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。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。 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 。 鎂合金輪轂的成形技術(shù)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(zhuǎn)的運動部件，在摩托車行駛的過程中受到地面的沖擊力、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。 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。 高品質(zhì)鎂合金輪轂的商業(yè)化生產(chǎn)是個很復(fù)雜的工程。 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。 鎂合金的化學性能 及其對鑄造工藝的影響 ① 鎂合金極易氧化，尤其是在 高溫 熔融狀態(tài)下，一般 采用六氟化硫和氮氣的混合氣體作為保護氣體來減少其在熔爐內(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。 真空壓鑄技術(shù)的研究現(xiàn)狀 真空壓鑄的特點 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) 。 真空壓鑄時要求型腔在很短的時間 內(nèi)達到預(yù)定的真空度，因此要設(shè)計好真空系統(tǒng)，并對壓鑄成型模具密封。 其實現(xiàn)方法是：在模具型腔的最后充填部位設(shè)置一個大截面積的直通真空通道，真空通道的打開與關(guān)閉由外驅(qū)動力控制的柱塞來實現(xiàn)，真空通道后連接帶過濾器的抽真空系統(tǒng)。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。正向工程 技術(shù) 是 指 先由設(shè)計者進行產(chǎn)品的二維或三維圖紙 設(shè)計，然后根據(jù)設(shè)計圖進行實際物體的制作或生產(chǎn) 的過程。分析輪轂受力時，一般是選擇輪轂 正常服役時，受力 處于極大值狀態(tài)為計算工況。然而國內(nèi)對輪轂的研究工作開展的很少，且多數(shù)采用傳統(tǒng)的臺架實驗法和道路試驗法。 湖南大學的秦德申等人 對轎車輪轂在受胎壓、擰緊力矩、直行及轉(zhuǎn)彎時的情況進行了模擬，并進行了靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力測量 [18]，但該方法 不能在 輪轂 初始 設(shè)計階段對其性能進行 預(yù)測。 范圍內(nèi)。 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，即實物的 CAD 重建 ， 在機械工業(yè)中，有時為了更好地 展 現(xiàn)產(chǎn)品的外形，設(shè)計者往往把所構(gòu)思 設(shè)計 的外形做成 實物模型進行推敲；不僅如此，有時設(shè)計者獲得 的 上游信息也只是實物而非圖紙 ， 為適應(yīng)現(xiàn)代先進制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員需要通過一定的途徑，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)。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(shè)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(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(zhì) 摩托車 輪轂鑄件的需求。 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(yù)定真空度； 2）采用高速反應(yīng)的柱塞來實現(xiàn)真空通道的開啟與關(guān)閉，克服了常規(guī)閥門閥芯關(guān)閉不及時導(dǎo)致熔體堵塞真空通道，甚至進入真空系統(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。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。 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，而且 由于 真空壓鑄件內(nèi)氣孔 很2 真空輔助壓鑄工藝開發(fā) 11 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]。 因此鎂合金產(chǎn)品更適合于用真空高壓壓鑄工藝生產(chǎn)。輪轂是車輛上單個部件中重量最大、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。 該工藝方法應(yīng)該具有如下特點 ：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)易于開發(fā)。 JSW 與日本汽車輪轂廠合作開發(fā)出了鎂鋁合金復(fù)合材料的汽車輪轂 [2833]。 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。 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)。 20xx 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 [1819]。 因此，將鎂合金材料應(yīng)用于輪轂，來實現(xiàn)輪轂的輕量化，將極大地降低摩托車能耗，提高摩托車 經(jīng)濟性、易用性及 駕乘舒適性。 輪轂輕量化的優(yōu)點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 [11,17]。因此鎂在 汽車 摩托車 工 業(yè)領(lǐng)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 。世界各國政府普遍加強了 以產(chǎn)業(yè)化為目標，以技術(shù)集成為特征的 鎂及鎂合金在開發(fā)、加工、應(yīng)用等方面的研 發(fā) ， 并著力擴大應(yīng)用數(shù)量、范圍和規(guī)模。 鎂合金的優(yōu)勢在于 [57]： ① 密度小， 質(zhì)量輕 ， 可提高燃油效率， 減少燃油消耗量 ，降低噪音 ；② 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 ； ③ 吸振降噪、抗沖擊和抗壓縮能力 強 ； ④ 散熱性、鑄造性能好、尺寸穩(wěn)定性強、電磁屏蔽性能 優(yōu)良 ： ⑤ 無污染并可做到 完全 回收利用， 是 綠色工程材料。 ④ With numerical simulation software, the casting processing of the Mg wheel was simulated and optimized. With the optimized processing parameters of “680℃ 重慶大學碩士學位論文 IV melt pouring temperature, 250℃ mold preheating, , 60MPa holding pressure”, a wheel can be produced in 40~50s with a melt utilization rate of 73%. Based on the above results, the casting equipments and mold were prepared. ⑤ 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。因此，開發(fā)基于市場保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(yīng)用的關(guān)鍵。 ④ 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。 鎂 是 地球上的儲量極為豐富 的輕金屬元素之一 ，僅次于鋁。 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(nèi)還沒有形成完整的鎂加工應(yīng)用產(chǎn)業(yè)體系，且對鎂的開發(fā)應(yīng)用研究較少，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)很不合理，致使我國的鎂產(chǎn)業(yè)成為了以犧牲資源環(huán)境為代價的大而不強的產(chǎn)業(yè)。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。 半個多世紀以來， 隨著鎂合金設(shè)備與成形技術(shù)的不斷改進與完善 ，鎂合金在摩托車上的應(yīng)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。同時， 輕質(zhì) 輪轂還將明顯改善摩托車的啟動性能和加速性能 。 重慶大學碩士學位論文 4 近年來， 隨著 能源、環(huán)保的要求和汽車業(yè)內(nèi)的競爭壓力的加大，以及原鎂價格的下降、加工 成型技術(shù)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。 加入世貿(mào)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(shù)，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。 國內(nèi) 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。 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 [2327]。而國內(nèi)對該技術(shù)的研究僅有二汽從德國引進了一套輪轂旋壓生產(chǎn)線。為此，在車輛上采用現(xiàn)代的高比性能材料，如鎂合金、復(fù)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。 因此，項目目標的實現(xiàn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)用新技術(shù)、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(zhuǎn)變?yōu)殒V產(chǎn)品制造、鎂技術(shù)應(yīng)用的強國，實現(xiàn)西部大開發(fā)、經(jīng)濟大發(fā)展的戰(zhàn)略目標。 上述摩托車輪轂的結(jié)構(gòu)特征及品質(zhì)，使得輪轂的成形工藝應(yīng)遵循如 下要求： ① 鑄造 輪轂外觀結(jié)構(gòu)能夠很好地復(fù)制鑄型形貌，保證機加后的 產(chǎn)品 滿足外觀及尺寸要求； ② 輪轂采用中心旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，輪輻的形狀及外觀質(zhì)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，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(yīng)無夾渣、氣孔、冷隔、欠鑄等缺陷； ③ 輪輞工藝品質(zhì)要求最高，機械性能最好，要求其充型時輪輞處應(yīng)無裹氣、夾渣、冷隔、流痕 、縮孔疏松 等缺陷，且輪輞的致密度應(yīng)一致。 與普通壓鑄相比，真空壓鑄有以下特點 [4041]： ① 減 少或消除了壓鑄件內(nèi)部的氣孔，提高了鑄件組織致密度及強度。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(guān)閉真空閥，導(dǎo)致抽氣不充分，型腔內(nèi)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(shè)備成本過高，且不便于維修。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。 圖 新型真空 高 壓鑄 造方法 The new vacuum diecasting 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(zhì)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(zhì)高且一致的充型質(zhì)量； 3）采用壓頭和補壓頭分別對輪輞 和輪心加壓并保壓，實現(xiàn)先輪輻或輻板、后輪輞 和輪心的凝固 順序 ，從而為進一步減小輪盤鑄件的輪輻（盤）厚度、提高材2 真空輔助壓鑄工藝開發(fā) 15 料利用率創(chuàng)造條件； 4）采用壓頭和補壓頭一起加壓并保壓的方式，使分布于輪輻兩端熱節(jié)內(nèi)的熔體凝固時均得到良好補縮，消除了這些部位易于出現(xiàn)的縮孔疏松缺陷，確保鑄件致密和工藝品質(zhì)一致； 5）此工藝適用于廣泛使用的臥式壓鑄機。但在不清楚 其 疲勞設(shè)計準則的情況下，則需要采用逆向工程技術(shù)，首先根據(jù)已經(jīng)商用的 摩托車 輪轂產(chǎn)品，利用三坐標儀等設(shè)備， 建立 其 三維模型，然后對模型進行服役狀況下的疲勞分析，并根據(jù)輪轂本體材料的機械性能，逆向確定出輪轂的疲勞設(shè)計準則，然后參照該疲勞設(shè)計準則，設(shè)計 滿足服役狀況的 鎂合金 摩托車 輪轂的三維模型，并根據(jù) 模型圖進行 實際的 制作或生產(chǎn)過程 ，以及性能檢測 。輪轂的強度和剛度 關(guān)系到 駕乘者的安全和車輛的 操控性和駕乘舒適 性。 肖繼道 通過模擬轎車輪轂在轉(zhuǎn)彎、制動