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浙江工业大学硕十学位论文 镁合金汽车轮毂的研究与开发 摘要 资源和环境是己成为世界各国越来越突出的问题，为了节能降耗、减少废气排放、 提高驾乘舒适度和车辆动力学的性能，现代汽车、摩托车等交通工具正在向轻量化方向 发展。镁合金是现已知的最轻金属结构材料之一，具有多方面结构和性能的优势，越来 越受到各国的青睐。自1 9 9 0 年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自 己的镁合金研究计划，把镁合金列为2 1 世纪研究与开发的重点项目。我国科技部也在“十 五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用和产业化 重大项目。本文基于 该背景，对镁合金汽车轮毂的研究与开发。 本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，制定了产品结构设计、 工艺方案设计、模具设计的技术路线。借助c a d 、c a e 等工具，对汽车轮毂结构与性 能、模具造型、铸造工艺等进行了设计、仿真分析与优化。 基于材料替代再设计的方法，对汽车轮毂进行了结构设计。对材料替代后的轮毂结 构进行了动态弯曲疲劳试验、动态径向疲劳试验和车轮冲击试验的仿真分析。分析结果 表明，轮毂结构基本满足性能要求，通过适当增大应力集中点处的结构尺寸，可有效降 低轮毂的最大应力值，使轮毂结构更加趋于合理。 汽车轮毂的成型工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于 研究阶段。本文根据挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂挤压铸造模具要点进行了分析总 结，并对模具型腔进行了结构设计，运用三维c a d 软件对其进行了几何建模。 以所设计的汽车轮毂和模具为模型，运用专业铸造分析软件对镁合金汽车轮毂的挤 压铸造进行了数值模拟，基于正交试验原理对工艺参数方案进行了科学组合，对各工艺 参数在镁合金轮毂铸件的充型和凝固过程中的作用进行分析，对各工艺参数对铸件各缺 陷的影响作了比较。通过对模拟结果的分析比较，得出一个较优的成型工艺方案，并对 其进行了模拟验证，结果表明，优化后的工艺参数组合，使铸件的品质进一步提高。 关键词：挤压铸造，镁合金，汽车轮毂，正交试验，数值模拟 浙江工业大学硕士学位论文 r e a r c ha n dd e v o l p m e n to nm a g n e s i u m a l l o yw h e e l so fau t o m o b i l e a b s t r a c t e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e mh a v eb e e nm o r ea n dm o r ec r i t i c a lf o re v e n e v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l d m o d e mv e h i c l ea sa u t o m o b i l ea n dm o t o r c y c l ea r ed e v e l o p i n gt o b e i n gm o r el i g h tw e i g h t e df o re n e r g ys a v i n g a n da d sw e l lt or e d u c ee x h a u s te m i s s i o n t o l i g h t e nt h ea u t o ，i t sa ne f f e c t i v ew a yt or e p l a c et h eo l dm a t e r i a lb yl i g h tm a t e r i a lw i t ht h e s a m ep e r f o r m a n c e m a g n e s i u ma l l o yi so n eo ft h el i g h t e s tm e t a lm a t e r i a l sf o ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nw i t han u m b e ro fa d v a n t a g e si n c l u d i n gl o wd e n s i t y , r e l a t i v e l y , h i g hs p e c i f i c t e n a c i t y , g o o dc a s ta b i l i t y , g o o ds h o c ka b s o r p t i o nc a p a b i l i t ye t c s i n c e 19 9 0 ，u s ，j a p a n ， g e r m a n y , a u s t r a l i ae t c s e q u e n t i a l l ya n n o u n c e dr e s e a r c hp r o j e c t so nm a g n e s i u ma l l o y , w h i c h i sc o n s i d e r e da st h ek e y s u b j e c to fs t u d ya n dr e s e a r c hi nt h e2 1s tc e n t u r y c h i n a sm i n i s t r yo f s c i e n c ea l s os p e c i a l l ya n n o u n c e dt h es i g n i f i c a n tp r o j e c t s ， “d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fm a g n e s i u m ”，i nt h e “10 t hf i v e y e a rp l a n ”n a t i o n a lk e ys c i e n c ep r o g r a m t h i sp a p e rp r o p o s e dad e v e l o p m e n t a lp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o yw h e e l su s e df o re l e c t r i c b i c y c l eb a s e do nt h i sb a c k g r o u n d t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho na u t o m o b i l ew h e e l b a s e do nt h eg e n e r a lp r o c e s so f p r o d u c t d e v e l o p m e n t ，t h et e c h n i c a lr o u t ei sm a d ei n c l u d i n gp r o d u c ts t r u c t u r e ，p r o c e s ss c h e m ea n d m o u l d u s i n gt h es o f t w a r eo fc a d & c a e ，t h e s t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ew h e e li sd e s i g n e d a n di t sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h em o u l dc a v i t yi sd e s i g n e da n dt h ep r o c e s ss c h e m ei sm a d e a n ds i m u l a t e d t h i sp a p e rm a i n l yw o r k e do n r e d e s i g n i n go fm a t e r i a ls u b s t i t u t i o n ，t h er e d e s i g nm e t h o do f p r o d u c tm a t e r i a ls u b s t i t u t i o ni sa n a l y z e d t h e n ，ac o m m o nm o d e la b o u tt h i si sp r o p o s e d a n d b a s e do nt h i sm o d e l ，t h es t r u c t u r eo faw h e e li sd e s i g n e d t h et h r e ee x p e r i m e n to ft h ed y n a m i c b e n d i n gf a t i g u ee x p e r i m e n t ，t h ed y n a m i cr a d i a lf a t i g u ee x p e r i m e n ta n dt h ei m p a c tt e s ta l e i l 浙江工业大学硕士学位论文 s i m u l a t e di nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h e e li s s a t i s f i e df o rt h ed e m a n d a n dt h ec o n c e n t r a t e ds t r e s si sr e d u c e dt h r o u g ht h ew a yo fi n c r e a s e t h es i z eo ft h eg u i d i n ga n g l ew h e r et h ev a l u eo fs t r e s si sh i g h a n dt h e nt h es t r u c t u r eo ft h e w h e e li si m p r o v e d t h em e t h o da b o u tm o l d i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o yw h e e li sm u l t i p l e t h ew a yo f m a n u f a c t u r i n ga u t o m o b i l ew h e e lw i ms q u e e z ec a s t i n gi sn o tr i p eo ni t sr e s e a r c hs t a g e t h i s p a p e rs u m m a r i z e dm a i np o i n t so ft h es q u e e z ec a s t i n gm o u l d ，a n dt h ec a v i t yo ft h em o u l do f t h ew h e e li sd e s i g n e db yp r oe n g i n e e rs o f t w a r eb a s e do nt h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s q u e e z ec a s t i n g u s i n gt h em o d e l so ft h ew h e e la n dt h em o u l dw h i c hd e s i g n e dp r e v i o u s l y , t h es q u e e z e c a s t i n gp r o c e s si ss i m u l a t e db a s e do no r t h o g o n a lt e s t sa n df e m t h et e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n g f i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h ee f f e c t so ft h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d a n da ne x c e l l e n ts c h e m eo ft h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e ri sc o n c l u d e d b ys i m u l a t e dw i t ht h e s ep a r a m e t e r s ，t h eq u a l i t yo ft h ec a s t i n gi s i m p r o v e da ss h o w e di nt h er e s u l t k e yw o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，m a g n e s i u ma l l o y , a u t o m o b i l ew h e e l ，o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 泌诵每 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 泌钥舅 炻j 知 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 日 日期：2 0 0 9 年5 月1 5 曰 浙江t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的意义 为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆动力学性能，现代汽车、摩 托车等交通工具正在向轻量化方向发展。从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主 要手段是采用具有高比性能的轻质材料替代传统材料。据有关资料显示：汽车的一般部 件质量每减轻l ，可节油1 ；运动部件每减轻l ，可节油2 ，而每节省1 l 燃料 可减少c 0 2 排放2 1 5 9 e 2 1 。所以车辆轻量化发展是时代发展的一个必然趋势。另一方，随 着车辆需求的不断增多，车辆所需的金属材料如钢铁、铝等也与日俱增，据统计，全球 铁、铝等资源的储藏量只够使用1 0 0 - - 3 0 0 年，而在我国，铁的储藏量不丰富，铝土矿的 品质又不高，所以寻求一种新的替代材料，成了刻不容缓的事情【3 】【4 】。 镁合金是现已知的最轻金属结构材料，由于其众多优点，逐渐成为车辆轻量化发展 中的主要研究对象。与钢、铝相比，镁合金具有如下优越特性【5 】 6 】： 镁合金密度小，只及钢铁的1 4 ，铝合金的2 3 ，应用于车辆零部件上能有效降 低重量，节省能源。 比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料。比刚度与铝合金、钢铁基本持 平，远高于工程塑料。 阻尼性能好，吸震能力强，具有极佳的减震性，其减震性能比铝高3 0 倍，比钢 高近6 0 倍，用在车辆上可提高安全性和舒适性。 导热性好，稍逊色于一般铝合金，是工程塑料的3 0 0 倍，且温度依赖性低，可用 于制造要求散热性能好的电子产品。 在惰性气体保护下，镁合金的机械加工性好( 制粉、切割) ，适合于压铸成型而且 具有薄壁铸造性能，最薄可达0 4 5 m m 。 镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变( 相对于工程材料) 。 镁合金可全部回收利用，被誉为“2 1 世纪绿色金属结构材料 。 另外，镁在地球上的储量非常丰富，约占地壳总重量的2 【7 1 ，而中国的镁资源储 量更是位居世界首位，镁产量占约世界总产量的7 0 【8 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 基于这些优点，自2 0 世纪9 0 年代以来，各国都高度重视镁合金的研究开发，美国、 日本、德国、澳大利亚等国把镁原料作为2 1 世纪的重要战略资源，相继出台了各自的镁 研究计划【9 】【1 0 】。如美国和德国分别投入巨资执行“p n g v 、“m a r d i c 计划，旨在推 动镁合金在汽车工业中的开发应用，欧洲、日本等国家也都纷纷出台镁合金开发研究计 划【】。我国科技部也在“十五 国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用与产 业化”重大项目，推动镁合金产品在车辆上的应用【1 2 】。 1 2 镁合金在车辆中的应用现状 据统计，到目前为止，汽车中已有6 0 多个零部件采用了镁合金。其中仪表盘基座、 座位框架、方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳、进气歧管、汽车车身等7 个部件镁合金 的使用率最高。就其使用部位性质的不同，可分为壳类和架类两类零件。壳类零件主要 包括汽缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、 灯罩等。架类零件包括方向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、踏板托架、转向支架、刹 车支架、灯托架、座椅架、轮毂等【1 3 】【1 4 】。 北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上，镁 合金用量大约为5 8 - 2 6 3 k g 辆， 美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均 呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上， 镁合金用量大约为9 3 - 2 0 3 k g 辆【1 5 。1 8 】。 在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器 外壳年用镁量达2 0 0 0 t 以上。东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、 离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为3 3 k g ，取代了4 8 k g 的铝合金 壳体，年产量达到6 万件。长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等7 种 零件已通过台架试验和道路试验，2 0 0 4 年已大批量装车进入市场。 1 3 镁合金轮毂的研究现状 1 3 1 镁合金轮毂的发展与应用现状 镁合金轮毂的发展与应用比较晚，较铝合金轮毂晚了近半个世纪。镁合金轮毂最早 的使用是在1 9 6 7 年，由英国奥斯汀( a u s t i n ) 汽车在m i n ic o o p e r1 2 7 5 s 车上开始采用。随 后德国保时捷( p o r s c h e ) 的9 1 1 t 豪华车也于1 9 7 3 年首次应用镁合金轮毂。由于当时镁合 金轮毂的加工技术不成熟、镁价格昂贵，易腐蚀等问题，在车辆上一直未得到普及，只 2 浙江工业大学硕士学位论文 是在赛车和少量高级车上使用。近年来，出于能源、环保和汽车业内的竞争压力，以及 原镁材料价格的下降、镁合金防腐工艺的提高以及镁合金成型工艺的改善，镁合金轮毂 在汽车、摩托车、自行车等交通工具上的应用越来越广泛。 近年来，镁合金轮毂开始逐渐得到开发，并应用于汽车当中。如福特汽车公司于1 9 9 8 年推出的轻质概念车p 2 0 0 0 采用了3 1 k g 的压铸镁合金轮毂，比钢板冲压轮毂轻5 k g ； 日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了a m 6 0 镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，重 量减少了1 5 ；意大利的菲亚特( f i a t ) 和美国的道屋( d o w ) 公司合作，选用a m 6 0 a 合金 生产出了压铸镁合金车轮，可满足使用要求；美国通用汽车公司研制的a m 6 0 b 镁合金 压铸车轮，在轮胎被扎穿后仍能以不高于4 8 k m h 的速度行驶，汽车不受损害。其它还 有德国的b b s 公司、英国的d y m a g 公司、意大利的g r i m e c a m 公司等都有生产应 用于轿车的镁合金轮毂。表1 1 显示了采用镁合金轮毂的部分汽车公司及其车型【1 9 】【2 0 1 。 表1 - 1 镁合金轮毂的应用 汽车公司车型 轮毂生产公司 法拉利f e r r a f if 3 5 5 及f 5 0法拉利自产镁合金轮毂 保时捷p o r s c h e911g t ( 2 0 01 ) c a r r e r ag t ( 2 0 0 3 )b b s 公司生产的锻造镁合金轮毂 宝马b m w z 2 2 宝马白产镁合金轮毂 通用g mc o r v e r r ec 5 d y m a g 公司生产的铸造镁合金轮毂 m a z d a s p e e d 与r a y s 公司合作开发的 马自达m a z d a r x 7 m s 01m a g 锻造镁合金轮毂 1 3 2 镁合金轮毂结构设计研究现状 对于轮毂结构的设计，国外最初采用经验类比的方法，按材料力学的公式进行强度 校核。随着测试技术的发展，逐渐开始使用应变电测技术，脆漆法对轮毂进行试验。而 国内对轮毂的研究开展很少，研究工作大多集中在疲劳寿命台架试验和道路试验上。如 长春汽车研究所在十多年中相继对十几种近4 0 0 个轮毂作了弯曲疲劳试验，对数种轮毂 绘制了弯曲疲劳曲线，对轮毂弯曲刚度易损的应力也进行了多次测定。自1 9 8 3 年承担载 货汽车和轿车的轮毂试验方法、轮毂性能要求等标准的制定工作以来，又按新的试验规 范对4 0 多个轮毂作了径向疲劳试验，还在台架上对轮毂易损部位应力进行测定。1 9 8 8 年，湖南大学的秦德申等人以6 1 2 j j x l 5 型红旗轿车的轮毂为研究对象，模拟轮毂在充 气、承受拧紧力矩以及直行和转弯四种给定工况下的载荷状况，并对其进行静态和动态 应力测量【2 l 】。 3 浙江工业大学硕士学位论文 七十年代开始，有限元法的出现为机械零件和结构强度研究提供了强大的分析工具， 特别是随着计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 应用软件的开发和完善，有限 元法在轮毂结构的研究方面得到了充分利用。尤其是8 0 年代以来，有限元法与试验模 态分析、有限元模态分析、有限元动态响应分析等动态分析方法相结合，并且引入了断 裂力学、疲劳强度等理论，使轮毂的结构强度分析步入了一个新的阶段【2 2 埘】。 近年来，国内越来越多的研究机构采用有限元方法对轮毂进行研究，发表的相关文 献也越来越多，但研究内容还尚处初级阶段。湖南大学的谢秀松等人最早借助s a p 5 程 序对红旗轿车的6 1 2 j j x l 5 型轮毂进行了有限元应力分析，选用8 1 2 个可变节点数的 三维等参元，但受当时有限元软件功能的制约，无法较为准确的模拟轮毂的边界条件， 因此未能反映出某些局部的应力集中现象。国内曾有人将轮毂结构的应力计算局限于轮 辋部分，轮毂又进一步理想化为一系列窄条，并把每一个窄条作为梁来处理，至于整个 轮毂则一直缺乏对这样复杂结构的经典解【2 5 】。k a r d h a 采用了一种比较有代表性的有 限元方法来模拟轮毂。它采用一组相互连接的简单元素来表示轮辋的复杂形状，轮辋的 横截面被模拟成由许多有限大小的单元所组成的网格，其中每个三角形是一个环单元的 横截面，所以轮辋被看成是由许多环单元所构成的，且每个环单元的应变视为常量。这 种方法可以算出整个结构的应力分布，还可以确定材料的优化分布，但这种方法所做的 假设与实际情况是有一定差距的【2 5 1 。 肖继道【2 5 】曾建立富康z x 型轿车轮毂的力学模型，模拟分析在转弯、制动工况下轮 毂的应力分布状况，并与动态应力结果进行比较，指出，动态应力对轮毂的影响比静态 应力大的多。他根据应力集中的特点提出改变轮辐材料分配来提高应力集中部位的强度、 刚度的建议。 韩鸣岗f 2 5 1 曾对标志5 0 5 g l 车型轮毂进行静态应力分析，提出解决轮辐与轮芯之间 的非线性接触的处理方法，并对轮辐、筋条的结构尺寸进行了优化分析。他的计算结果 表明，如果筋条的周向长度按接触的尺寸确定，可以使螺栓孔附近的应力显著减小，使 应力分布趋于合理。 清华大学的王霄锋【2 6 】等人针对车轮动态弯曲疲劳试验建立汽车车轮的静态加载有 限元模型，采用i - d e a s 软件模拟出轮毂的高应力区及其v o nm i s e s 应力值，并与静态 加载试验结果进行对比，验证了有限元静态分析对轮毂结构性能分析的有效性。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 3 镁合金轮毂的成形工艺研究现状 镁合金轮毂的成型工艺主要分为锻造和铸造方法两类。锻造的镁合金轮毂的晶粒流 向与受力的方向一致，所生产出的轮毂的强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造轮毂。 但由于锻造轮毂的生产工序多，生产成本远高于铸造轮毂，因此锻造轮毂常用于赛车。 如目前的知名品牌b b s 、p v m 、m a r c h e s i n i 、d y i m a g 、m i n i l i t e 等均能提供锻造法生产的 镁合金轮毂【2 7 】。 铸造法是目前镁合金轮毂成型最为常用的方法，尤其是压铸成型。目前已有的镁合 金轮毂成型的铸造方法有重力铸造、真空压铸、充氧压铸、低压铸造、电磁泵低压铸造 箜1 2 8 31 】 1 丁o 1 ) 重力铸造。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称钢模浇 铸。现已用于轮毂的重力铸造有砂型和金属型两种。澳大利亚m a r c h e s i n i 轮毂公司已成 功的利用砂型铸造工艺铸造出优质的镁合金轮毂，并提供给许多项级的赛车。而我国陕 西华兴航空机轮公司则采用金属型重力铸造法试制了镁合金轮毂。由于镁合金材料密度 较小，自身重力所产生的压力不足以保证获得高的强度，因此所使用的金属量是铸件的 1 0 倍，相当一部分金属被浪费，所以该工艺较昂贵，只适合单件小批量生产。 2 ) 真空压铸和充氧压铸。由于传统的镁合金压铸法成品率较低，并且容易产生冷隔、 气孔、收缩、变形等缺陷，所以为了改进这些缺陷，镁合金轮毂采用真空压铸和充氧压 铸法。国外已成功研制出在冷室压铸机上利用真空压铸法成功生产出了a m 6 0 b 镁合金 汽车轮毂；日本使用充氧压铸法成批生产了a m 6 0 镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂【3 2 】。 3 ) 低压铸造。低压铸造方法由于其压力低，金属液充型平稳，铸件成型性好，也是 镁合金轮毂成型工艺中常用的一种成型工艺方法。2 0 世纪8 0 年代，丰田汽车公司就用 低压铸造法率先制造出了镁合金汽车轮毂。随着电磁泵低压铸造装置的出现，镁合金轮 毂的低压铸造工艺进一步得到提升，生产出了质量更优的轮毂。宁波耐特镁业科技发展 有限公司采用华北工学院设计制造的电磁泵低压铸造装置生产了铝合金摩托车轮毂，镁 合金轮毂的生产正处于研究中【3 3 1 。 4 ) 触变注射成形( t h i x o - m o l d i n g ) 。触变注射成形技术是把一种低熔点的合金进行熔 化，以高速、高压把原料注入金属模具内成形。它具有比压铸生产的镁合金产品更好的 力学性能、表面质量、耐腐蚀性，生产的轮毂具有极少的气孔。j s w 与日本汽车轮毂厂 合作己开发出镁合金铝合金复合材料的汽车轮毂【3 4 钾】。 近来年，出现了一些镁合金轮毂铸造新技术，如精密冲锻成型技术( p r e s s f o r g i n g ) 、 浙江工业人学硕士学位论文 挤压铸造、挤压铸造低压铸造结合法、半固态触变成型技术，旋压法、温挤压法、挤 压铸造。流变铸造结合法、真空倾转法差压铸造等等。目前，世界上仅有德国和日本进 行了该类技术的研究，并已经开始投产，国内对该技术的研究尚未见报道，仅有二汽从 德国进口了一套轮毂旋压生产线。东北大学已经成功研发镁合金轮毂温挤成形技术，并 申请了专利。 1 3 4 挤压铸造工艺国内外现状 挤压铸造工艺是1 9 3 7 年由前苏联发明的，2 0 世纪五六十年代，先后传入我国和世 界各地。挤压铸造技术的发展与挤压铸造机技术的发展密切相关。2 0 世纪8 0 年代，日 本宇部公司开发成功h c s c 和v s c 系列挤压铸造机，日前已销售3 0 0 多台；日本丰田 公司的轮毂厂拥有1 4 台v s c l 5 0 0 v s c l 8 0 0 挤压铸造设备，年产4 0 0 多万只高档汽车铝 轮；日本的日产汽车、马自达、a r t 、u m o l d 和t o s e i 等公司和美国s p x 、a m c a s t 等大 公司也拥有挤压铸造生产厂或车间【3 8 1 。中国从2 0 世纪六七十年代开始发展挤压铸造， 2 0 世纪九十年代，运用于摩托车行业，使挤压铸造得到了飞跃发展，已形成年生产3 0 0 千万只摩托车铝轮毂的能力。目前国内外生产的大型受力零件有：重2 5 5 0 k g 的坦克铝 合金负重轮以及大型载重汽车铝轮毂等。各国主要的挤压铸件品种见表1 2 及图1 1 。 表1 2 各国主要的挤压铸件品种 应片j 领域零件名称 铝及铝基复合材料活塞铝合金及镁合金轮毂，横梁( 十字梁) ，转向 受力件 节，下支臂，制动卡钳，a b s 零件，发动机支架、变速箱、空压机 连杆 汽车耐压、气密性空调压缩机涡轮盘、缸体、前后盖，转向阀壳体，油泵，多支管， 零配件燃料分配管、制动器缸体、离合器缸体 拔义、泵壳体，摇臂、履带板、空压机活塞、斜盘、铝基复合材料 耐磨件 制动毂 摩托车、电铝合金及镁合金轮毂、上下联板、传动箱壳体、后农架、曲柄、车 动车及自 受力件 架体、把接头、车架接头、方向轴 行车耐压及耐磨件铝活塞、减震简。碟刹泵体 驱动器箱体。电器主轴衬套、电器压紧环、影像磁鼓。声纳壳体， 电器零件 加热板，计算机零件 船刚螺旋浆、气动仪表壳体、光学镜架壳体、压力锅及炊器、军品 其它机械铝合金件 零件 铜合金阀体、洁具、轴套、蜗轮、吹氧喷头件；球铁耙片，生铁锅， 其他材料件 模具钢件：锌合金蜗轮及模具等 6 新i 业 学碗十学位论空 图1 - l 国内外部分挤压铸件 当前生产挤压铸造机的企业主要有几本宇部公司和东芝公司。宇部公司主要有v s c 和h v s c 两类挤压铸造机： v s c 立式挤压铸造机( 立式全模、立式挤压) 系列有合模力为3 1 5 0 3 5 0 0 0 k n 等9 种规 格，4 柱立式结构，合模力直接由油缸活塞实施。 h v s c 卧式挤压铸造机( 卧式全模、卧式挤压) 有合模力为1 4 0 0 - 8 0 0 0 k n 等6 种规格， 其合模力机构是采用曲肘机构。 两类挤铸机均配有自动浇注、自动喷涂、自动取料系统，独立的液压系统可实现模 具的抽芯、分型、2 次补压及冲料饼等操作。采用电脑自动控制，配有完善的冷却系统。 日本东芝公司主要有d x h v 和d x v 两类挤压铸造机： 一是d x h v 卧式台模、立式挤压设备，有锁模力为3 5 0 0 k n 和5 0 0 0 k n 两种机型， 其合模机构均为曲肘式。 另一类是d x v 立式台模立式挤压设备，有合模力分别为1 3 5 0 k n ，2 5 0 0k n ，5 0 0 0 k n ， 1 0 0 0 0 k n 和1 50 0 0 k n 等5 种机型。 东芝公司的挤铸机最大特点是配置了输送金属液的电磁泵装置，它缩短了金属液充 型至开始挤压的时间，减少料缸中因凝固结壳给铸件带来的兴渣、冷隔等缺陷；另一方 面金属液改由管道输送，可减少氧化夹渣的产生，以确保金属液的内在质量。 在我国，挤压铸造技术的研究、学术交流以及新产品的开发均比较活跃，技术理论 水平及所开发产品的品种等方面，与一些先进国家水平是相当的。但是，由于受到挤压 铸造设备研发相对落后的限制，我国挤压铸造的生产批量、铸件的质量档次与日、美等 国还有相当大的差距口”。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 研究的意义 车辆轻量化发展已成为一个必然趋势，而在确保车辆综合性能的前提下，增加镁合 金产品在其中的比重则成为车辆轻量化的重要手段之一。轮毂作为车辆的重要运动部件， 它的轻量化生产有着非常重要的意义。而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首 选材料。但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔 炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善， 特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较 低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产。所以本文基于产品材料替代再设计模型， 研究开发镁合金汽车轮毂。通过该研究，一方面实现汽车的轻量化，另一方面也希望以 此带动其它镁合金产品的开发以及镁合金加工工艺的研究和生产镁合金产品装备的研 发，从而促进镁在各相关行业中的应用。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文提出的背景：车辆轻量化、节能和环保。由于镁合金的众多优 点，增加其在车辆上的应用，成为世界各国实现车辆轻量化目的的主要手段。本章进而 介绍了镁合金应用于车辆的国内外现状，并对镁合金轮毂的应用现状、结构设计、成型 工艺现状做了详细介绍，阐明了本文镁合金汽车轮毂的研究与开发的意义。 浙江工业大学硕七学位论文 第二章镁合金汽车轮毂开发设计方案 产品的开发，通常经过以下几道程序：产品结构设计、工艺方案设计、模具设计、 产品试样、大批生产，对于试样不合格的情况，则需要对模具、工艺方案甚至产品结构 进行修整的工作。而对于一件新产品的开发，若没有经过详细的c a e 预测，则往往容易 因测试的不合格而不断修改，一件产品常常需要经过3 至4 次的试作才能成功进入量产。 基于此产品开发的一般流程及c a e 在产品开发上的巨大的作用，本文所研究的镁合金汽 车轮毂的开发流程，分为以下几个内容： 1 镁合金汽车轮毂的结构设计； 2 挤压铸造工艺方案及轮毂模具设计； 3 镁合金汽车轮毂挤压铸造数值模拟及参数优化。 2 1 镁合金汽车轮毂的结构设计方案 2 1 1 产品的材料替代再设计方法 在产品开发过程中，新材料的替代应用现象非常普遍，如用轻质材料替代高密度材 料，用高强度材料替代低强度材料，用环保材料替代对环境污染严重的材料等。传统的 产品材料替代设计路线为“设计一试制一检测一改进一再试制一再检测一再改进m 】， 是一个不断反复、循环的过程。这一过程开发周期长，所需成本高，在经济全球化的环 境下，非常不利于产品的竞争。 随着现代科学技术的发展，各种产品设计的新理论、新方法的出现，仿真技术的日 益完善，为产品材料替代再设计提供了优质的开发平台，如有限元理论、优化理论、c a e 技术等。利用这些理论和技术，不但可以减少新材料产品开发过程中的试制次数，缩短 开发周期，还可以大大提高所开发产品的性能。所以基于新理论和仿真技术平台，本文 归纳总结了一个产品材料替代设计的通用模型，如图2 1 ，具体内容为： 9 浙江工业人学硕士学位论文 图2 1 产品材料替代再设计模型 1 ) 明确材料替代设计的目的，如环保、提高强度、减重、降低材料成本等； 2 ) 根据所要求的目的，结合产品所需实现的功能，确定替代材料，并对其与原材料 性能进行对比分析，初步确立新材料产品的设计方向； 3 ) 由上述确立的产品设计方向，建立新材料产品的几何模型； 钔模拟产品服役状态，选取零件设计所需满足的准则进行校核； 5 ) 根据校核结果，试制或重新设计新材料产品，直至满足设计要求。 该设计模型与传统的设计路线相比，其中模拟环节取代了反复试制的过程，通过模 拟产品的服役状态，分析产品再设计的合理性，并确定出新材料设计方案，通过一次或 少数几次试制修改就达到要求。这不但减少了开发周期，降低了生产成本，而且还提高 了产品质量，降低了废品率，在很大程度上为企业带来了竞争实力。 2 1 2 轮毂的镁合金材料替代再设计模型 本文以汽车轮毂为研究对象，根据轻量化的要求，以镁合金替代原有的钢材和铝材 轮毂，对其结构进行再设计。按照产品材料替代再设计模型，确定了镁合金汽车轮毂研 发的技术路线，如图2 2 所示。具体实施步骤如下： l o 浙江工业大学硕上学位论文 不 通 过 图2 2 镁合金轮毂材料替代再设计技术路线 1 ) 以轮毂轻量化为目的，选择密度小的镁合金材料替代现有的铝合金和钢制材料。 2 ) 汽车轮毂的主要功能是承载和快速转动，它的强度和刚度要求都比较高，所以在 结构设计时要充分考虑新材料的性能，根据材料性能初步确立轮毂结构设计方案，使其 具有足够的强度和刚度。 3 ) 根据检测标准的条件，模拟分析镁合金轮毂的静负载和动态弯曲疲劳，检验轮毂 的结构强度。 4 ) 根据模拟结果，分析总结规律，进行镁合金轮毂结构的再设计，模拟，强度校核 三个步骤，直到模拟结果满足强度要求为止。 5 ) 试制，对成品按标准进行检测。 浙江t 业大学硕士学位论文 2 2 镁合金汽车轮毂的工艺和模具设计方案 2 2 1 工艺方案的确定 汽车轮毂做为汽车的重要部件，也是唯一( 通过轮胎) 受力于地面的部件，直接承载 了汽车的重量，同时作为高速旋转的运动部件，在汽车行驶的过程中受到地面的冲击力、 振动、拐弯时弯矩、加减速时的扭矩等作用力因素，同时还受到日晒雨淋等环境因素， 服役条件相当恶劣。出于安全及操作性能的考虑，要求汽车轮毂具有以下的特性：较强 的抗冲击性能、较强的抗疲劳性能、较好的减振性能、较大的结构强度以及尽可能小的 质量等【4 1 1 。目前汽车轮毂的成型方法主要有以下几种方式：低压铸造、重力铸造、挤压 铸造、锻造、组装铸造等。各成型方法的特点见表2 1 。 表2 1汽车轮毂各成型方法的特点 成型方法主要特点备注 在较低压力( 2 0 - - 6 0 k p a ) 下浇注，可大批量生产较高质量车轮、生产率 高、合格率较高。铝液利用率较高，成本比重力铸造稍高。为了使铸 低压铸造件表面更光洁、金相组织更致密，海斯公司采用冒口不在中央而在两 目前被广泛 侧的方法，并将浇注压力提高到8 个大气压( 已属高压铸造) ，产品质量 采用的工艺 接近压铸水平 液体金属靠重力作用充填铸造型腔而获得铸件的一种铸造方法，铸模 早期广泛采 重力铸造 可得利使用。历史悠久、工艺简单、成本最低；不足是金属晶粒较大、 用的工艺， 现已趋于淘 强度较低、重量较大、表面处理工作量较大、铝液利用率低 汰 挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的工艺方 式，其中又分为复合挤压铸造、正挤压铸造、两次挤压铸造、反挤压 日本宇部汽 铸造( 金属液流动方向与加压压力方向相反) 等多种形式，共同特点是： 车零件 挤压铸造 除金属模具外，还要有突模冲头、模具顶出杆，一般要在冲上施加7 0 0 k g 左右的压力进行铸造，铸件表面光洁，金相组织、各种机械性能接近 r u b e ) 应用 于锻件，不需复杂的表面加工就可以镀铬，镀铬成本较低，镀铬增加 较成熟 重量少 一般指热模锻。产品质量最好，有高密度的金相组织和良好的机械性 美国铝业公 能，重量最轻、表面最光洁、成本远高于铸造。一般适用于大型车轮 司应用较 锻造 早，有多家 制造。可锻造出花纹和图案。另外，还有铸造锻造法和半固态工艺正 日本公司采 在发展中 用，较成熟 一般只铸造或锻造轮辐，轮辋用成型卷制，然后将轮辐、轮辋焊接成 美国海斯一 组装莱莫斯公司 车轮，可大大减轻重量；工艺较复杂 应用成熟 目前8 0 以上的汽车轮毂通过低压铸造生产，其次是采用工艺简便的重力铸造，约 占2 0 。另外也有少数采用挤压成型方法和锻造成型方法等。与低压铸造和重力铸造相 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 比，挤压铸造有着不可比拟的特点优势：使用材料方面：工艺简便性、经济性、高效性； 力学性能显著提高，接近于变形镁合金，优于重力铸造和低压铸造；成型件缺陷少，可 经t 6 处理；适用合金范围广，由于铸造时实行加压措施，从而削弱了对合金液流动性 的要求；挤压铸造生产工艺容易实现自动化；挤压铸件表面光洁，金相组织、各种机械 性能接近于锻件。采用挤压铸造方式生产汽车轮毂，将使汽车轮毂性能更加优异，增强 汽车的安全性。 挤压铸造是液态金属在机械压力下凝固成型的一种铸造方法。挤压铸造时，将定量 的液态金属浇入铸型型腔中，然后施加较大的机械压力，使其成型、结晶凝固，并伴有 少量塑性变形。 目前，挤压铸造方式主要有以下三种： a 柱塞挤压，合模加压时液态金属基本上不发生充型运动，适用范围是实心或厚 壁( 大于5 m m ) 形状不太复杂的铸件。 b 直接冲头挤压，合模加压时液态金属法充填挤压冲头与凹模组成的封闭型腔中， 挤压冲头直接挤压在铸件上，适于生产形状不太复杂的空心或通孔件，壁厚可至2 3 m m 。 c 间接挤压铸造，冲头加压时液态金属充填己合模的型腔中，冲头通过内浇道将 压力传递到铸件中，适于生产形状较复杂，壁厚较薄的铸件。 本文所研究的对象是汽车轮毂，具有复杂的结构并且轮辋处壁厚较薄，所以采用间 接挤压铸造的方法。 另外，挤压铸造是靠压力进行补缩的，这是该工艺的基本特点【4 2 】。在“压力补缩” 的问题上，要考虑以下3 个因素： a 对厚薄不匀铸件，要考虑顺序凝固的设计原则； b 对壁厚相对均匀的铸件，要考虑“同时凝固”的设计原则； c 为达到更好的挤压效果，有时模具设计还须考虑进行双向挤压、局部的或整体 的再补压( 锻压) 。 问接挤压铸造方式，能使挤压铸造机产生较大的挤压比压，在铸件凝固过程中产生 较大的补缩压力。 镁合金汽车轮毂间接挤压铸造的工艺流程如图2 。3 所示，主要包括合金液浇入压室、 压射筒上升进入模具、压头挤压充型凝固和压头下降开模等几个步骤。其特点是闭式充 型