機加工汽車鎂合金輪轂鑄造工藝設計與研究
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發(fā)表時間：2020-04-03 16:27:19
作為汽車的重要部件，汽車輪轂的輕量化有利于車輛的節(jié)能減排。現(xiàn)有的商用金屬結構中，以鎂合金的密度最小，
且比強度比鋁合金和鋼更高，是現(xiàn)階段理想的輕量化金屬材料。目前生產鋁合金輪轂廣泛使用的鑄造工藝有重力鑄造、低壓鑄造，但其對于鎂合金并不適用，針對此，本文研究鎂合金汽車輪轂鑄造工藝設計，以達到將鎂合金應用于汽車輪轂生產中，實現(xiàn)汽車進一步輕量化的目的。
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鎂合金汽車輪轂結構
1.1 鎂合金工藝特性
針對汽車鎂合金輪轂鑄造工藝過程，研究中所使用的AM60B 鎂合金材料是一種輕量化的材料，其密度在1.74~1.85 g/cm3，約為鋁的2/3，不到鑄鐵的1/4，鑄造過程中采用較大的澆注壓射力；其彈性模量45 GPa，約為鐵的2/3，為鑄鐵的1/4，在外力作用下易產生較大變形， 能夠使受力構件避免過高的應力集中，受力更加均勻；切削阻力約為鑄鐵的1/3，鋁合金的1/2，加工中對模具消耗小，生產效率高。
1.2 輪轂的結構
汽車輪轂作為車輛重要的零部件， 其結構設計中，首先應滿足功能性、工藝性、安全性、經濟性等要求，需具有一定的剛度、強度、精度及壽命等。根據汽車輪轂造型設計的基本原則， 結合鎂合金鑄造工藝特性，設計的鎂合金輪轂如圖1。
按照《GB/T3487 2005 汽車輪輞規(guī)格系列》，本研究汽車輪轂的體積為4 646.97 cm3,輪輞為5°深槽輪輞型輪廓，輪轂厚度5.5 mm，輪芯節(jié)圓直徑為準110mm，螺栓孔形狀選擇錐面，螺栓孔個數為5個，以便于車輪對中；輪輻表面采用弧形，背部有掏料，以提高其強度，減輕質量，并增加美觀度。
1.3 真空高壓鑄造技術
真空壓鑄是采取從模具中直接抽氣或置模具于真空箱中抽氣的方法， 通過快速抽除壓鑄模具型腔內的氣體， 使熔體在相對真空的條件下充型的一種先進壓鑄技術,其工作原理如圖2?？蓧鸿T較薄的鑄件，減少型腔反壓力，對設備的要求更低。本研究采用真空壓鑄可減少氧化、有利于復雜薄壁鑄件的成型，可滿足鎂合金鑄造工藝特性。
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鎂合金汽車輪轂鑄造工藝設計
2.1 工藝數值分析
2.1.1 合金充型過程
鑄件充型過程與液態(tài)金屬的流動、傳熱及傳質過程密切相關， 是一個伴隨著熱量散失以及凝固的非恒溫的流動過程， 可用質量守恒和動量守恒方程來描述， 而充型過程中金屬液與鑄型之間的熱交換可用熱量平衡方程來描述。對具有自由表面的非穩(wěn)定流動計算，關鍵在于確定自由表面的位置及移動，同時需要處理自由表面的邊界問題等。合金充型過程的數值模擬分析是基于有限元方法，采用MAC或VOF 法等處理鑄造型腔中流體流動問題的方法，將充型流體前沿的自由表面位置及形狀計算模擬出來。
2.1.2 合金凝固過程
合金凝固過程是一個包括質量、動量、熱量傳輸、組織相變等一系列過程的復雜的物理化學過程，其數值模擬中一般不考慮質量和動量傳輸，假設充型時間相對凝固時間很短，進行溫度場的模擬，即主要考慮熱量傳輸過程。鑄件 鑄型系統(tǒng)的熱量傳遞方式主要有金屬液與鑄型的熱傳導、金屬液與鑄型及周圍空氣內部對流換熱和金屬液、鑄型輻射散熱。
（1）金屬液與鑄型的熱傳導
金屬液充型結束后， 隨時間改變金屬液與鑄型間的導熱隨之變化， 由文獻4 其變化的導熱控制方程為：
（2）金屬液與鑄型及周圍空氣的對流換熱對流換熱相對較為復雜，在實際中加以簡化，應用Newton 冷卻定律描述：
（3）金屬液、鑄型輻射散熱
輻射散熱作為高溫金屬熔體、鑄型與周圍空氣間的主要換熱方式， 用Stefen Boltsman 定律來描述：
2.2 真空壓鑄輪轂鑄造工藝優(yōu)化
2.2.1 澆注排溢系統(tǒng)
根據真空壓鑄成型的特點，按照輪輞 輪輻 輪芯的順序進行合金液充填，從輪緣進澆， 充填輪輞后，經輪輻充填輪芯。輪轂澆注排溢系統(tǒng)的設計主要包括內澆道、橫澆道、直澆道、溢流槽和排氣道設計。
根據鎂合金輪轂鑄件的體積以及充填時間經驗值（0.06~0.30 s），依據內澆道設計原則，確定內澆道的形狀為扇形，從輪緣側面底部進澆，內澆道厚度為10 mm，根據充型數值分析結果確定內澆道寬度。
本研究所使用壓鑄機為臥式冷室壓鑄機，根據其橫澆道的位置、鎂合金輪轂外形，確定橫澆道形狀為圓弧狀，在料筒內徑2/3 以上部位設橫澆道入口，入口截面直徑大于內澆道， 以入口截面面積的70%~90%確定出口截面面積。直澆道包括壓鑄機的料筒以及模具上的澆口套，根據需要的壓射比壓、壓室充滿度、充填熔體量的多少來選定料筒及澆口套的大??；澆口套及料筒的長度之和小于壓射桿的最大壓射行程，確保沖頭追蹤距離，便于鑄件從澆口套中脫出。
根據本研究中輪轂體積及直澆道設計原則，確定料餅厚度為22 mm，壓射沖頭直徑為120 mm。在輪轂最后充填部位及輪輞上邊緣處設置溢流槽，以有效地排除型腔中的氧化物、殘渣等。溢流槽設置要求： 在不損壞鑄件外觀的前提下便于從壓鑄件上去除，最好不用機械加工，其厚度設為1mm。在輪心集渣包上方模具內設直通式排氣道，直徑為25 mm，以保證型腔在充型短暫時間內實現(xiàn)高度真空。
2.2.2 輪轂充型與凝固過程模擬分析
選擇H13 鋼作為模具型芯， 其與AM60B 鎂合
根據兩種材料參數， 經數值分析確定輪轂真空高壓鑄造工藝參數為：鎂合金熔體澆注溫度680 ，鑄型初始溫度220 ， 沖頭慢壓射速度和快壓射速度分別為0.25 m/s 和6.0 m/s，模具與鑄件間的界面熱交換系數為1 500 W/(m2·K)。
采用模擬仿真軟件對鎂合金輪轂充型過程進行分析，充型過程在0.2 s 內完成，由邊緣內澆道注入鎂合金液，首先進入輪輞，并沿輪輞、輪輻向外填充，0.13 s 時4 個輪輻被填充滿， 見圖3（a)，輪輻與輪芯第一次交匯，0.03 s 后第二次交匯，見圖3（b），鎂合金液繼續(xù)流向輪輞和輪輻，但流入輪輻的量少，因此將溢流槽設置在此處，以改變鎂合金液的流向， 使大量流向輪輞的鎂合金液經溢流槽流向輪輻，從而完成整個充型過程。
分析可知，合金液體前沿到達輪輻中部時由于有凹槽的存在，輪輻中部液體的流動減緩， 凹槽內的氣體可能被兩端的液體所包圍而來不及逃逸，從而在凝固過程中產生氣孔缺陷。
金屬鑄件鑄造過程中的縮孔縮松等缺陷主要是由于凝固過程中產生液相孤立補縮不足而形成的。因此，確定鑄件內可能產生縮孔縮松缺陷的部位，可根據液相孤立區(qū)的位置來判斷， 并據此對結構工藝進行優(yōu)化，以減少缺陷的產生。
從模擬分析結果來看，真空壓鑄鎂合金輪轂鑄造工藝中輪轂的凝固過程依次為溢流槽、輪輞部分如圖5（a）、輪輻和輪芯如圖5（b），澆口套處最后凝固。在開始凝固階段，輪輞部分的凝固不是同步地逐漸進行， 對應各輪輻之間部位的凝固先于對應輪輻部。
由于輪轂輪芯與輪輻的形狀不是完全的軸對稱結構， 其中在輪輞上緣的三個區(qū)域，處于輪輞部分的最后階段凝固，凝固時不能得到液體補償。所以，預計在這三處會產生縮孔缺陷。因鎂合金的容積熱容量比較小， 而輪轂在輪輞、輪輻和它們之間的連接處的厚度差別比較大，因此，在輪輻中部區(qū)域會產生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪輞的連接處產生熱節(jié)， 對應于各個連接區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷。
根據鑄造缺陷分析情況， 采取提高模具預熱溫度和降低快壓射速度的方法對澆注工藝進行改進，不改變輪轂幾何結構， 采用Anycasting 高級鑄造模擬軟件系統(tǒng)對工藝過程進行模擬分析， 確定本工藝最優(yōu)工藝參數： 澆注溫度、模具預熱溫度分為別680和250，快、慢壓射速度分別為3.0、0.2 m/s。
3
結論
汽車輪轂不僅直接影響著車輛的性能， 對于其美觀度也有很大的影響，鎂合金作為一種現(xiàn)階段理想的輕型材料， 利用其鑄造汽車輪轂有利于促進車輛的輕量化。本文介紹了一種利用真空壓鑄技術的鎂合金輪轂鑄造工藝，經模擬分析，驗證了本鑄造工藝的可行性。
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鎂合金汽車輪轂結構
1.1 鎂合金工藝特性
針對汽車鎂合金輪轂鑄造工藝過程，研究中所使用的AM60B 鎂合金材料是一種輕量化的材料，其密度在1.74~1.85 g/cm3，約為鋁的2/3，不到鑄鐵的1/4，鑄造過程中采用較大的澆注壓射力；其彈性模量45 GPa，約為鐵的2/3，為鑄鐵的1/4，在外力作用下易產生較大變形， 能夠使受力構件避免過高的應力集中，受力更加均勻；切削阻力約為鑄鐵的1/3，鋁合金的1/2，加工中對模具消耗小，生產效率高。
1.2 輪轂的結構
汽車輪轂作為車輛重要的零部件， 其結構設計中，首先應滿足功能性、工藝性、安全性、經濟性等要求，需具有一定的剛度、強度、精度及壽命等。根據汽車輪轂造型設計的基本原則， 結合鎂合金鑄造工藝特性，設計的鎂合金輪轂如圖1。
按照《GB/T3487 2005 汽車輪輞規(guī)格系列》，本研究汽車輪轂的體積為4 646.97 cm3,輪輞為5°深槽輪輞型輪廓，輪轂厚度5.5 mm，輪芯節(jié)圓直徑為準110mm，螺栓孔形狀選擇錐面，螺栓孔個數為5個，以便于車輪對中；輪輻表面采用弧形，背部有掏料，以提高其強度，減輕質量，并增加美觀度。
1.3 真空高壓鑄造技術
真空壓鑄是采取從模具中直接抽氣或置模具于真空箱中抽氣的方法， 通過快速抽除壓鑄模具型腔內的氣體， 使熔體在相對真空的條件下充型的一種先進壓鑄技術,其工作原理如圖2?？蓧鸿T較薄的鑄件，減少型腔反壓力，對設備的要求更低。本研究采用真空壓鑄可減少氧化、有利于復雜薄壁鑄件的成型，可滿足鎂合金鑄造工藝特性。
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鎂合金汽車輪轂鑄造工藝設計
2.1 工藝數值分析
2.1.1 合金充型過程
鑄件充型過程與液態(tài)金屬的流動、傳熱及傳質過程密切相關， 是一個伴隨著熱量散失以及凝固的非恒溫的流動過程， 可用質量守恒和動量守恒方程來描述， 而充型過程中金屬液與鑄型之間的熱交換可用熱量平衡方程來描述。對具有自由表面的非穩(wěn)定流動計算，關鍵在于確定自由表面的位置及移動，同時需要處理自由表面的邊界問題等。合金充型過程的數值模擬分析是基于有限元方法，采用MAC或VOF 法等處理鑄造型腔中流體流動問題的方法，將充型流體前沿的自由表面位置及形狀計算模擬出來。
2.1.2 合金凝固過程
合金凝固過程是一個包括質量、動量、熱量傳輸、組織相變等一系列過程的復雜的物理化學過程，其數值模擬中一般不考慮質量和動量傳輸，假設充型時間相對凝固時間很短，進行溫度場的模擬，即主要考慮熱量傳輸過程。鑄件 鑄型系統(tǒng)的熱量傳遞方式主要有金屬液與鑄型的熱傳導、金屬液與鑄型及周圍空氣內部對流換熱和金屬液、鑄型輻射散熱。
（1）金屬液與鑄型的熱傳導
金屬液充型結束后， 隨時間改變金屬液與鑄型間的導熱隨之變化， 由文獻4 其變化的導熱控制方程為：
（2）金屬液與鑄型及周圍空氣的對流換熱對流換熱相對較為復雜，在實際中加以簡化，應用Newton 冷卻定律描述：
（3）金屬液、鑄型輻射散熱
輻射散熱作為高溫金屬熔體、鑄型與周圍空氣間的主要換熱方式， 用Stefen Boltsman 定律來描述：
2.2 真空壓鑄輪轂鑄造工藝優(yōu)化
2.2.1 澆注排溢系統(tǒng)
根據真空壓鑄成型的特點，按照輪輞 輪輻 輪芯的順序進行合金液充填，從輪緣進澆， 充填輪輞后，經輪輻充填輪芯。輪轂澆注排溢系統(tǒng)的設計主要包括內澆道、橫澆道、直澆道、溢流槽和排氣道設計。
根據鎂合金輪轂鑄件的體積以及充填時間經驗值（0.06~0.30 s），依據內澆道設計原則，確定內澆道的形狀為扇形，從輪緣側面底部進澆，內澆道厚度為10 mm，根據充型數值分析結果確定內澆道寬度。
本研究所使用壓鑄機為臥式冷室壓鑄機，根據其橫澆道的位置、鎂合金輪轂外形，確定橫澆道形狀為圓弧狀，在料筒內徑2/3 以上部位設橫澆道入口，入口截面直徑大于內澆道， 以入口截面面積的70%~90%確定出口截面面積。直澆道包括壓鑄機的料筒以及模具上的澆口套，根據需要的壓射比壓、壓室充滿度、充填熔體量的多少來選定料筒及澆口套的大??；澆口套及料筒的長度之和小于壓射桿的最大壓射行程，確保沖頭追蹤距離，便于鑄件從澆口套中脫出。
根據本研究中輪轂體積及直澆道設計原則，確定料餅厚度為22 mm，壓射沖頭直徑為120 mm。在輪轂最后充填部位及輪輞上邊緣處設置溢流槽，以有效地排除型腔中的氧化物、殘渣等。溢流槽設置要求： 在不損壞鑄件外觀的前提下便于從壓鑄件上去除，最好不用機械加工，其厚度設為1mm。在輪心集渣包上方模具內設直通式排氣道，直徑為25 mm，以保證型腔在充型短暫時間內實現(xiàn)高度真空。
2.2.2 輪轂充型與凝固過程模擬分析
選擇H13 鋼作為模具型芯， 其與AM60B 鎂合
根據兩種材料參數， 經數值分析確定輪轂真空高壓鑄造工藝參數為：鎂合金熔體澆注溫度680 ，鑄型初始溫度220 ， 沖頭慢壓射速度和快壓射速度分別為0.25 m/s 和6.0 m/s，模具與鑄件間的界面熱交換系數為1 500 W/(m2·K)。
采用模擬仿真軟件對鎂合金輪轂充型過程進行分析，充型過程在0.2 s 內完成，由邊緣內澆道注入鎂合金液，首先進入輪輞，并沿輪輞、輪輻向外填充，0.13 s 時4 個輪輻被填充滿， 見圖3（a)，輪輻與輪芯第一次交匯，0.03 s 后第二次交匯，見圖3（b），鎂合金液繼續(xù)流向輪輞和輪輻，但流入輪輻的量少，因此將溢流槽設置在此處，以改變鎂合金液的流向， 使大量流向輪輞的鎂合金液經溢流槽流向輪輻，從而完成整個充型過程。
分析可知，合金液體前沿到達輪輻中部時由于有凹槽的存在，輪輻中部液體的流動減緩， 凹槽內的氣體可能被兩端的液體所包圍而來不及逃逸，從而在凝固過程中產生氣孔缺陷。
金屬鑄件鑄造過程中的縮孔縮松等缺陷主要是由于凝固過程中產生液相孤立補縮不足而形成的。因此，確定鑄件內可能產生縮孔縮松缺陷的部位，可根據液相孤立區(qū)的位置來判斷， 并據此對結構工藝進行優(yōu)化，以減少缺陷的產生。
從模擬分析結果來看，真空壓鑄鎂合金輪轂鑄造工藝中輪轂的凝固過程依次為溢流槽、輪輞部分如圖5（a）、輪輻和輪芯如圖5（b），澆口套處最后凝固。在開始凝固階段，輪輞部分的凝固不是同步地逐漸進行， 對應各輪輻之間部位的凝固先于對應輪輻部。
由于輪轂輪芯與輪輻的形狀不是完全的軸對稱結構， 其中在輪輞上緣的三個區(qū)域，處于輪輞部分的最后階段凝固，凝固時不能得到液體補償。所以，預計在這三處會產生縮孔缺陷。因鎂合金的容積熱容量比較小， 而輪轂在輪輞、輪輻和它們之間的連接處的厚度差別比較大，因此，在輪輻中部區(qū)域會產生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪輞的連接處產生熱節(jié)， 對應于各個連接區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷。
根據鑄造缺陷分析情況， 采取提高模具預熱溫度和降低快壓射速度的方法對澆注工藝進行改進，不改變輪轂幾何結構， 采用Anycasting 高級鑄造模擬軟件系統(tǒng)對工藝過程進行模擬分析， 確定本工藝最優(yōu)工藝參數： 澆注溫度、模具預熱溫度分為別680和250，快、慢壓射速度分別為3.0、0.2 m/s。
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結論
汽車輪轂不僅直接影響著車輛的性能， 對于其美觀度也有很大的影響，鎂合金作為一種現(xiàn)階段理想的輕型材料， 利用其鑄造汽車輪轂有利于促進車輛的輕量化。本文介紹了一種利用真空壓鑄技術的鎂合金輪轂鑄造工藝，經模擬分析，驗證了本鑄造工藝的可行性。
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此文關鍵字：機加工,汽車,鎂合金,輪轂,鑄造,工藝,設計,研究
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