機加工汽車鎂合金輪轂鑄造工藝設(shè)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?，F(xiàn)有的商用金屬結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)計，以達到將鎂合金應(yīng)用于汽車輪轂生產(chǎn)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(jié)構(gòu)
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(chǎn)生較大變形， 能夠使受力構(gòu)件避免過高的應(yīng)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(chǎn)效率高。
1.2 輪轂的結(jié)構(gòu)
汽車輪轂作為車輛重要的零部件， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先應(yīng)滿足功能性、工藝性、安全性、經(jīng)濟性等要求，需具有一定的剛度、強度、精度及壽命等。根據(jù)汽車輪轂造型設(shè)計的基本原則， 結(jié)合鎂合金鑄造工藝特性，設(shè)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(shù)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(zhì)量，并增加美觀度。
1.3 真空高壓鑄造技術(shù)
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(nèi)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(shù),其工作原理如圖2。可壓鑄較薄的鑄件，減少型腔反壓力，對設(shè)備的要求更低。本研究采用真空壓鑄可減少氧化、有利于復(fù)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(shè)計
2.1 工藝數(shù)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(zhì)過程密切相關(guān)， 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(zhì)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(guān)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(shù)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(zhì)量、動量、熱量傳輸、組織相變等一系列過程的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其數(shù)值模擬中一般不考慮質(zhì)量和動量傳輸，假設(shè)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(dǎo)、金屬液與鑄型及周圍空氣內(nèi)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(dǎo)
金屬液充型結(jié)束后， 隨時間改變金屬液與鑄型間的導(dǎo)熱隨之變化， 由文獻4 其變化的導(dǎo)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(fù)雜，在實際中加以簡化，應(yīng)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(jù)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(jīng)輪輻充填輪芯。輪轂澆注排溢系統(tǒng)的設(shè)計主要包括內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道、溢流槽和排氣道設(shè)計。
根據(jù)鎂合金輪轂鑄件的體積以及充填時間經(jīng)驗值（0.06~0.30 s），依據(jù)內(nèi)澆道設(shè)計原則，確定內(nèi)澆道的形狀為扇形，從輪緣側(cè)面底部進澆，內(nèi)澆道厚度為10 mm，根據(jù)充型數(shù)值分析結(jié)果確定內(nèi)澆道寬度。
本研究所使用壓鑄機為臥式冷室壓鑄機，根據(jù)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(nèi)徑2/3 以上部位設(shè)橫澆道入口，入口截面直徑大于內(nèi)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(jù)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?。粷部谔准傲贤驳拈L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(jù)本研究中輪轂體積及直澆道設(shè)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(shè)置溢流槽，以有效地排除型腔中的氧化物、殘渣等。溢流槽設(shè)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(shè)為1mm。在輪心集渣包上方模具內(nèi)設(shè)直通式排氣道，直徑為25 mm，以保證型腔在充型短暫時間內(nèi)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(jù)兩種材料參數(shù)， 經(jīng)數(shù)值分析確定輪轂真空高壓鑄造工藝參數(shù)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(shù)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(nèi)完成，由邊緣內(nèi)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(shè)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(jīng)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生液相孤立補縮不足而形成的。因此，確定鑄件內(nèi)可能產(chǎn)生縮孔縮松缺陷的部位，可根據(jù)液相孤立區(qū)的位置來判斷， 并據(jù)此對結(jié)構(gòu)工藝進行優(yōu)化，以減少缺陷的產(chǎn)生。
從模擬分析結(jié)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(yīng)各輪輻之間部位的凝固先于對應(yīng)輪輻部。
由于輪轂輪芯與輪輻的形狀不是完全的軸對稱結(jié)構(gòu)， 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(yù)計在這三處會產(chǎn)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(chǎn)生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪輞的連接處產(chǎn)生熱節(jié)， 對應(yīng)于各個連接區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷。
根據(jù)鑄造缺陷分析情況， 采取提高模具預(yù)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(jié)構(gòu)， 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(shù)： 澆注溫度、模具預(yù)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(jié)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(shù)的鎂合金輪轂鑄造工藝，經(jīng)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(jié)構(gòu)
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(chǎn)生較大變形， 能夠使受力構(gòu)件避免過高的應(yīng)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(chǎn)效率高。
1.2 輪轂的結(jié)構(gòu)
汽車輪轂作為車輛重要的零部件， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先應(yīng)滿足功能性、工藝性、安全性、經(jīng)濟性等要求，需具有一定的剛度、強度、精度及壽命等。根據(jù)汽車輪轂造型設(shè)計的基本原則， 結(jié)合鎂合金鑄造工藝特性，設(shè)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(shù)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(zhì)量，并增加美觀度。
1.3 真空高壓鑄造技術(shù)
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(nèi)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(shù),其工作原理如圖2。可壓鑄較薄的鑄件，減少型腔反壓力，對設(shè)備的要求更低。本研究采用真空壓鑄可減少氧化、有利于復(fù)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(shè)計
2.1 工藝數(shù)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(zhì)過程密切相關(guān)， 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(zhì)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(guān)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(shù)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(zhì)量、動量、熱量傳輸、組織相變等一系列過程的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其數(shù)值模擬中一般不考慮質(zhì)量和動量傳輸，假設(shè)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(dǎo)、金屬液與鑄型及周圍空氣內(nèi)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(dǎo)
金屬液充型結(jié)束后， 隨時間改變金屬液與鑄型間的導(dǎo)熱隨之變化， 由文獻4 其變化的導(dǎo)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(fù)雜，在實際中加以簡化，應(yīng)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(jù)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(jīng)輪輻充填輪芯。輪轂澆注排溢系統(tǒng)的設(shè)計主要包括內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道、溢流槽和排氣道設(shè)計。
根據(jù)鎂合金輪轂鑄件的體積以及充填時間經(jīng)驗值（0.06~0.30 s），依據(jù)內(nèi)澆道設(shè)計原則，確定內(nèi)澆道的形狀為扇形，從輪緣側(cè)面底部進澆，內(nèi)澆道厚度為10 mm，根據(jù)充型數(shù)值分析結(jié)果確定內(nèi)澆道寬度。
本研究所使用壓鑄機為臥式冷室壓鑄機，根據(jù)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(nèi)徑2/3 以上部位設(shè)橫澆道入口，入口截面直徑大于內(nèi)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(jù)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?。粷部谔准傲贤驳拈L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(jù)本研究中輪轂體積及直澆道設(shè)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(shè)置溢流槽，以有效地排除型腔中的氧化物、殘渣等。溢流槽設(shè)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(shè)為1mm。在輪心集渣包上方模具內(nèi)設(shè)直通式排氣道，直徑為25 mm，以保證型腔在充型短暫時間內(nèi)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(jù)兩種材料參數(shù)， 經(jīng)數(shù)值分析確定輪轂真空高壓鑄造工藝參數(shù)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(shù)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(nèi)完成，由邊緣內(nèi)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(shè)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(jīng)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生液相孤立補縮不足而形成的。因此，確定鑄件內(nèi)可能產(chǎn)生縮孔縮松缺陷的部位，可根據(jù)液相孤立區(qū)的位置來判斷， 并據(jù)此對結(jié)構(gòu)工藝進行優(yōu)化，以減少缺陷的產(chǎn)生。
從模擬分析結(jié)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(yīng)各輪輻之間部位的凝固先于對應(yīng)輪輻部。
由于輪轂輪芯與輪輻的形狀不是完全的軸對稱結(jié)構(gòu)， 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(yù)計在這三處會產(chǎn)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(chǎn)生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪輞的連接處產(chǎn)生熱節(jié)， 對應(yīng)于各個連接區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷。
根據(jù)鑄造缺陷分析情況， 采取提高模具預(yù)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(jié)構(gòu)， 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(shù)： 澆注溫度、模具預(yù)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(jié)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(shù)的鎂合金輪轂鑄造工藝，經(jīng)模擬分析，驗證了本鑄造工藝的可行性。
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