机加工汽车镁合金轮毂铸造工艺设计与研究

作为汽车的重要部件，汽车轮毂的轻量化有利于车辆的节能减排。现有的商用金属结构中，以镁合金的密度最小， 且比强度比铝合金和钢更高，是现阶段理想的轻量化金属材料。目前生产铝合金轮毂广泛使用的铸造工艺有重力铸造、低压铸造，但其对于镁合金并不适用，针对此，本文研究镁合金汽车轮毂铸造工艺设计，以达到将镁合金应用于汽车轮毂生产中，实现汽车进一步轻量化的目的。

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镁合金汽车轮毂结构
1.1 镁合金工艺特性

针对汽车镁合金轮毂铸造工艺过程，研究中所使用的AM60B 镁合金材料是一种轻量化的材料，其密度在1.74~1.85 g/cm3，约为铝的2/3，不到铸铁的1/4，铸造过程中采用较大的浇注压射力；其弹性模量45 GPa，约为铁的2/3，为铸铁的1/4，在外力作用下易产生较大变形， 能够使受力构件避免过高的应力集中，受力更加均匀；切削阻力约为铸铁的1/3，铝合金的1/2，加工中对模具消耗小，生产效率高。

1.2 轮毂的结构

汽车轮毂作为车辆重要的零部件， 其结构设计中，首先应满足功能性、工艺性、安全性、经济性等要求，需具有一定的刚度、强度、精度及寿命等。根据汽车轮毂造型设计的基本原则， 结合镁合金铸造工艺特性，设计的镁合金轮毂如图1。

按照《GB/T3487 2005 汽车轮辋规格系列》，本研究汽车轮毂的体积为4 646.97 cm3,轮辋为5°深槽轮辋型轮廓，轮毂厚度5.5 mm，轮芯节圆直径为准110mm，螺栓孔形状选择锥面，螺栓孔个数为5个，以便于车轮对中；轮辐表面采用弧形，背部有掏料，以提高其强度，减轻质量，并增加美观度。

1.3 真空高压铸造技术

真空压铸是采取从模具中直接抽气或置模具于真空箱中抽气的方法， 通过快速抽除压铸模具型腔内的气体， 使熔体在相对真空的条件下充型的一种先进压铸技术,其工作原理如图2。可压铸较薄的铸件，减少型腔反压力，对设备的要求更低。本研究采用真空压铸可减少氧化、有利于复杂薄壁铸件的成型，可满足镁合金铸造工艺特性。

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镁合金汽车轮毂铸造工艺设计
2.1 工艺数值分析

2.1.1 合金充型过程

铸件充型过程与液态金属的流动、传热及传质过程密切相关， 是一个伴随着热量散失以及凝固的非恒温的流动过程， 可用质量守恒和动量守恒方程来描述， 而充型过程中金属液与铸型之间的热交换可用热量平衡方程来描述。对具有自由表面的非稳定流动计算，关键在于确定自由表面的位置及移动，同时需要处理自由表面的边界问题等。合金充型过程的数值模拟分析是基于有限元方法，采用MAC或VOF 法等处理铸造型腔中流体流动问题的方法，将充型流体前沿的自由表面位置及形状计算模拟出来。

2.1.2 合金凝固过程

合金凝固过程是一个包括质量、动量、热量传输、组织相变等一系列过程的复杂的物理化学过程，其数值模拟中一般不考虑质量和动量传输，假设充型时间相对凝固时间很短，进行温度场的模拟，即主要考虑热量传输过程。铸件 铸型系统的热量传递方式主要有金属液与铸型的热传导、金属液与铸型及周围空气内部对流换热和金属液、铸型辐射散热。

（1）金属液与铸型的热传导

金属液充型结束后， 随时间改变金属液与铸型间的导热随之变化， 由文献4 其变化的导热控制方程为：

（2）金属液与铸型及周围空气的对流换热对流换热相对较为复杂，在实际中加以简化，应用Newton 冷却定律描述：

（3）金属液、铸型辐射散热

辐射散热作为高温金属熔体、铸型与周围空气间的主要换热方式， 用Stefen Boltsman 定律来描述：

2.2 真空压铸轮毂铸造工艺优化

2.2.1 浇注排溢系统

根据真空压铸成型的特点，按照轮辋 轮辐 轮芯的顺序进行合金液充填，从轮缘进浇， 充填轮辋后，经轮辐充填轮芯。轮毂浇注排溢系统的设计主要包括内浇道、横浇道、直浇道、溢流槽和排气道设计。

根据镁合金轮毂铸件的体积以及充填时间经验值（0.06~0.30 s），依据内浇道设计原则，确定内浇道的形状为扇形，从轮缘侧面底部进浇，内浇道厚度为10 mm，根据充型数值分析结果确定内浇道宽度。

本研究所使用压铸机为卧式冷室压铸机，根据其横浇道的位置、镁合金轮毂外形，确定横浇道形状为圆弧状，在料筒内径2/3 以上部位设横浇道入口，入口截面直径大于内浇道， 以入口截面面积的70%~90%确定出口截面面积。直浇道包括压铸机的料筒以及模具上的浇口套，根据需要的压射比压、压室充满度、充填熔体量的多少来选定料筒及浇口套的大小；浇口套及料筒的长度之和小于压射杆的最大压射行程，确保冲头追踪距离，便于铸件从浇口套中脱出。

根据本研究中轮毂体积及直浇道设计原则，确定料饼厚度为22 mm，压射冲头直径为120 mm。在轮毂最后充填部位及轮辋上边缘处设置溢流槽，以有效地排除型腔中的氧化物、残渣等。溢流槽设置要求： 在不损坏铸件外观的前提下便于从压铸件上去除，最好不用机械加工，其厚度设为1mm。在轮心集渣包上方模具内设直通式排气道，直径为25 mm，以保证型腔在充型短暂时间内实现高度真空。

2.2.2 轮毂充型与凝固过程模拟分析

选择H13 钢作为模具型芯， 其与AM60B 镁合

根据两种材料参数， 经数值分析确定轮毂真空高压铸造工艺参数为：镁合金熔体浇注温度680 ，铸型初始温度220 ， 冲头慢压射速度和快压射速度分别为0.25 m/s 和6.0 m/s，模具与铸件间的界面热交换系数为1 500 W/(m2·K)。

采用模拟仿真软件对镁合金轮毂充型过程进行分析，充型过程在0.2 s 内完成，由边缘内浇道注入镁合金液，首先进入轮辋，并沿轮辋、轮辐向外填充，0.13 s 时4 个轮辐被填充满， 见图3（a)，轮辐与轮芯第一次交汇，0.03 s 后第二次交汇，见图3（b），镁合金液继续流向轮辋和轮辐，但流入轮辐的量少，因此将溢流槽设置在此处，以改变镁合金液的流向， 使大量流向轮辋的镁合金液经溢流槽流向轮辐，从而完成整个充型过程。

分析可知，合金液体前沿到达轮辐中部时由于有凹槽的存在，轮辐中部液体的流动减缓， 凹槽内的气体可能被两端的液体所包围而来不及逃逸，从而在凝固过程中产生气孔缺陷。

金属铸件铸造过程中的缩孔缩松等缺陷主要是由于凝固过程中产生液相孤立补缩不足而形成的。因此，确定铸件内可能产生缩孔缩松缺陷的部位，可根据液相孤立区的位置来判断， 并据此对结构工艺进行优化，以减少缺陷的产生。

从模拟分析结果来看，真空压铸镁合金轮毂铸造工艺中轮毂的凝固过程依次为溢流槽、轮辋部分如图5（a）、轮辐和轮芯如图5（b），浇口套处最后凝固。在开始凝固阶段，轮辋部分的凝固不是同步地逐渐进行， 对应各轮辐之间部位的凝固先于对应轮辐部。

由于轮毂轮芯与轮辐的形状不是完全的轴对称结构， 其中在轮辋上缘的三个区域，处于轮辋部分的最后阶段凝固，凝固时不能得到液体补偿。所以，预计在这三处会产生缩孔缺陷。因镁合金的容积热容量比较小， 而轮毂在轮辋、轮辐和它们之间的连接处的厚度差别比较大，因此，在轮辐中部区域会产生早期凝固现象，而在轮辐与轮辋的连接处产生热节， 对应于各个连接区域存在潜在的缩孔缺陷。

根据铸造缺陷分析情况， 采取提高模具预热温度和降低快压射速度的方法对浇注工艺进行改进，不改变轮毂几何结构， 采用Anycasting 高级铸造模拟软件系统对工艺过程进行模拟分析， 确定本工艺最优工艺参数： 浇注温度、模具预热温度分为别680和250，快、慢压射速度分别为3.0、0.2 m/s。

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结论
汽车轮毂不仅直接影响着车辆的性能， 对于其美观度也有很大的影响，镁合金作为一种现阶段理想的轻型材料， 利用其铸造汽车轮毂有利于促进车辆的轻量化。本文介绍了一种利用真空压铸技术的镁合金轮毂铸造工艺，经模拟分析，验证了本铸造工艺的可行性。

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