【導讀】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主要采用重力鑄造或低壓鑄造工藝，的高效率、高收得率工業(yè)生產。因此，開發(fā)基于市場保有量巨大的冷室高壓壓鑄。規(guī)模應用的關鍵。在存量臥式冷室壓鑄機上的規(guī)模化生產提供指導。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；定了原輪轂設計的疲勞準則；③根據鎂合金輪轂的機械性能，對輪轂產品的服役及工藝結構進行再設計，系數(shù)從提高到，實現(xiàn)減重38%;確定的最佳工藝參數(shù)組合為：澆注溫度680℃，企業(yè)一起完成了模具的制造、調試和實驗性生產；工藝品質進行的工業(yè)和實驗室檢測表明，產品的內部和外在質量均滿足設計要求；曲疲勞試驗、扭轉疲勞試驗等臺架試驗檢測。

　　

【正文】 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 真空壓鑄件內氣孔 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]。 真 空壓鑄主要用于生產要求耐壓、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 [4041]： ① 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高其力學性能 ； 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 真空壓鑄生產率提高 10%~20%； ⑥ 密封結構復雜，制造安裝較困難，成本較高。 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]： 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，因此目前已經很少用了。 ② 借助分型面抽真空 壓鑄模的排氣槽經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。 重慶大學碩士學位論文 12 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： ）。 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。 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 ，而這種充型方式決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 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，2 真空輔助壓鑄工藝開發(fā) 13 輪輞是輪轂產品的高應力區(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品的工藝收得率，提高生產成本。 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 效率，不能發(fā)揮出壓鑄生產高效率的 優(yōu)點。針對現(xiàn)有 摩托車 輪轂鑄造生產工藝多采用立式重力鑄造設備，生產率低、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要求，提高生產效率、成品率、收得率、降低勞動強度、提高生產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優(yōu)質 摩托車 輪轂鑄件的需求。 圖 中心進澆方式壓鑄 Die cast with the center filling system 為解決 傳統(tǒng) 鑄造工藝 生產的 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： ） ，如圖 所示 。重慶大學碩士學位論文 14 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 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 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一致； 5）此工藝適用于廣泛使用的臥式壓鑄機。 本章小結 本章根據鎂合金在鑄造工藝特性及輪轂的工藝結 構特征，提出了基于臥式冷室壓鑄機、能提高輪輞品質、能同時對輪輻兩端熱節(jié)進行凝固收縮補償?shù)倪m合輪盤類鑄件壓鑄生產的新型真空輔助高壓鑄造方法，并申請了 國家發(fā)明 專利 。 重慶大學碩士學位論文 16 3 原輪轂有限元分析及疲勞準則確定 17 3 原輪轂有限元分析及疲勞準則確定 論鞏固三維模型的建立及服役力學模型抽象 產品 三維模型建立有兩種工程技術：一是正向工程技術；二是逆向工程技術。正向工程 技術 是 指 先由設計者進行產品的二維或三維圖紙 設計，然后根據設計圖進行實際物體的制作或生產 的過程。 逆向工程技術 [43]， 是相對于傳統(tǒng)的正向工程而言的 ， 是指 借助某種 測量手段對實物或模 型進行測量， 然后 根據測量 所獲得的數(shù)據 ，利用 CAD 軟件來重構實物或模型的 三維幾何 模型的 過程。 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)產品的外形，設計者往往把所構思 設計 的外形做成 實物模型進行推敲；不僅如此，有時設計者獲得 的 上游信息也只是實物而非圖紙 ， 為適應現(xiàn)代先進制造技術的發(fā)展，設計人員需要通過一定的途徑，將這些信息轉化為 CAD 模型，這 使 就應用到了逆向工程技術。 因此，摩托車輪轂的三維模型的建立也有以上兩種技術方法。在已知 其 疲勞設計準則的情況下，就 可以 采用正向工程技術， 在計算機上采用實體建模技術，根據疲勞設計準則，借助有限元分析軟件，直接建立 滿足服役狀況的 三維實體模型 ，然后根據設計圖進行實際輪轂的制作或生產過程。但在不清楚 其 疲勞設計準則的情況下，則需要采用逆向工程技術，首先根據已經商用的 摩托車 輪轂產品，利用三坐標儀等設備， 建立 其 三維模型，然后對模型進行服役狀況下的疲勞分析，并根據輪轂本體材料的機械性能，逆向確定出輪轂的疲勞設計準則，然后參照該疲勞設計準則，設計 滿足服役狀況的 鎂合金 摩托車 輪轂的三維模型，并根據 模型圖進行 實際的 制作或生產過程 ，以及性能檢測 。 為獲得輪轂的疲勞設計準則，首先需要對輪轂的服役力學模型進行抽象。 輪轂工作 時的 受力 情況 復雜 [9]，除了 輪心處軸承 壓力外，還有 因 輪轂高速旋轉 而產生 的離心力， 輪胎充氣 壓力，地面 對輪轂 反作用力等等。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。 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。 范圍內。 由于輪轂服役過程中不斷的受到沖擊、振動、扭轉等各種作用，受力狀況復雜，因此需要對輪轂力學模型進行簡化 ，正常行駛中的摩托車輪轂受到負載對軸承孔施加的軸 承載荷，地面通過輪胎傳遞給輪轂的支撐載荷，以及輪胎氣壓對輪輞表面施加的均勻壓力，因此力學模型的約束與加載示意圖 如圖 所示。 重慶大學碩士學位論文 18 圖 輪轂的力學模型圖 Fig. The mechanical model of the wheel 鋁輪轂的有限元服役分析 輪轂結構服役應力分析的意義和進展 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、轉向、驅動、制動等作用。輪轂的強度和剛度 關系到 駕乘者的安全和車輛的 操控性和駕乘舒適 性。因此，就 要 通過力學方法研究 其 服役狀態(tài)， 在 保證 在滿足強度和剛度要求的前提下，盡量減少質量，使整車 擁 有更好的平順性、動力性和經濟性。 國外最初采用經驗類比的方法，設計輪轂結構，并根據材料力學公式進行強度校核。然而國內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。如長春汽車研究所 通過輪轂的徑向疲勞試驗檢測，繪制了數(shù)種輪轂的彎曲疲勞曲線，并測定了輪轂易損部位應力。 湖南大學的秦德申等人 對轎車輪轂在受胎壓、擰緊力矩、直行及轉彎時的情況進行了模擬，并進行了靜態(tài)和動態(tài)應力測量 [18]，但該方法 不能在 輪轂 初始 設計階段對其性能進行 預測。 隨著 CAD 和 CAE 等 技術及 應用軟件的開發(fā)和完善， 可以 根據已 知輪轂 在 實際工作中所受的載荷的統(tǒng)計數(shù)據，在 輪轂 設計階段就用有限元法對 其 進行研究，包括方案優(yōu)選、強度分析、結構修改等。 近年來，國內研究機構大多采用有限元法對輪轂結構進行受力分析，但研究尚處初級階段，發(fā)表過的關于用有限元法對輪轂進行分析的文章也較少。 肖繼道 通過模擬轎車輪轂在轉彎、制動