節能逐漸作為摩托車(che)及汽(qi)(qi)車(che)技術發(fa)(fa)展(zhan)的(de)核(he)心(xin)部分。為此近些年來(lai)全球各(ge)大汽(qi)(qi)車(che)集團(tuan)公司為了爭取(qu)市(shi)場，不但(dan)越來(lai)越美化外觀，而且著重降低燃油消耗(hao)量及提高(gao)汽(qi)(qi)車(che)的(de)性價比，這是現代汽(qi)(qi)車(che)技術發(fa)(fa)展(zhan)的(de)趨勢。

利用鎂合金輪轂(gu)設(she)計有(you)如下優勢：①降低(di)汽車自(zi)身(shen)重量，以達(da)降低(di)能源(yuan)消耗，提升(sheng)環保(bao)的效果(guo)；②增強(qiang)剎(cha)車、加速等車輛(liang)操控(kong)性(xing)能；③阻尼性(xing)好(hao)，增強(qiang)車輛(liang)平穩性(xing)；④導熱(re)性(xing)好(hao)，以免長時行駛產生爆胎現(xian)象。

本文(wen)使(shi)用(yong)鎂鋁合金使(shi)輪轂輕量化，利用(yong)pro/E 軟件對輪轂結構(gou)重新設(she)計，使(shi)用(yong)擠壓鑄(zhu)造(zao)技術。利用(yong)有限(xian)元分析并模(mo)擬(ni)鎂合金工藝(yi)數值，改進鑄(zhu)造(zao)工藝(yi)和模(mo)具設(she)計，規避太多的模(mo)具修(xiu)改，使(shi)新品研發(fa)周期(qi)縮短，試模(mo)經費(fei)降(jiang)低。

1 、汽車輪轂模型實體設計

使用Pro/E 軟件對(dui)實體(ti)(ti)完(wan)成圖1（a）旋轉截面的設計并(bing)建立了回轉中(zhong)心線，圖1（b）為設計的實體(ti)(ti)模型。

2、擠壓鑄造鎂合金輪轂的數值模擬

2.1 模擬前期處理(li)

輪轂材料(liao)使用(yong)AZ91D，模具(ju)材料(liao)使用(yong)H13 鋼，在(zai)材料(liao)參考中可查出這兩種材料(liao)具(ju)體的物(wu)理參數(shu)。通過反復模擬分析(xi)結果對比擬定各工藝參數(shu)如下：鑄型起初溫度(du)(du)是(shi)300℃，澆注(zhu)溫度(du)(du)是(shi)680 ℃，沖頭壓射速率(lv)是(shi)0.7 m/s，保(bao)壓壓力為80 MPa，在(zai)金(jin)屬徹底充滿(man)型腔后，將壓力在(zai)85 ms 內快(kuai)速增(zeng)大(da)到100MPa。

2.2 有限(xian)元分析

ANSYS 包含多種的網格劃(hua)分方式，劃(hua)分精度(du)屬于8 級。總共包含了4 988 040 個單元(yuan)。AZ91D 物理(li)性(xing)能參(can)數分別為(wei)(wei)密度(du)ρ=1 680 kg/m3， 比熱(re)容c=1.3kJ/kg·k，液相線(xian)溫度(du)θ=595℃, 固相線(xian)溫度(du)θs=470℃,潛熱(re)H=373 kJ/kg，熱(re)傳(chuan)導系數k=90 W2/m.k。計(ji)算中采用(yong)的鎂合(he)金(jin)液澆注(zhu)溫度(du)為(wei)(wei)700℃，模具初始溫度(du)為(wei)(wei)300℃，澆注(zhu)速(su)度(du)為(wei)(wei)0.7 m/s,保壓(ya)時間(jian)(jian)為(wei)(wei)40 s。鎂合(he)金(jin)輪轂(gu)的整個填充過程在(zai)5 s 內完成各(ge)時間(jian)(jian)的填充狀態和溫度(du)場分布如圖(tu)2。

從(cong)圖2可看(kan)到，先(xian)是(shi)鎂(mei)合(he)(he)(he)金(jin)液(ye)穩定(ding)地從(cong)澆(jiao)口進入且填充輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)輪(lun)(lun)(lun)(lun)芯(xin)部分，再慢(man)慢(man)地注入至(zhi)每個輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)中。于1.03 s 時合(he)(he)(he)金(jin)液(ye)抵達(da)輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)和輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)交接處(chu)，于2.52 s 時處(chu)于各輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)頂端(duan)(duan)間的(de)鎂(mei)合(he)(he)(he)金(jin)液(ye)匯(hui)合(he)(he)(he)一起，此(ci)刻溫度(du)(du)處(chu)于640℃上(shang)下(xia)(xia)，鎂(mei)合(he)(he)(he)金(jin)前端(duan)(duan)部分屬于完全流動狀(zhuang)況。于3.95 s 的(de)時候(hou)鎂(mei)合(he)(he)(he)金(jin)液(ye)前端(duan)(duan)抵達(da)輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)頂端(duan)(duan)位置，而(er)且輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)被完全充型(xing)，這(zhe)時候(hou)上(shang)端(duan)(duan)合(he)(he)(he)金(jin)液(ye)溫度(du)(du)是(shi)590℃上(shang)下(xia)(xia)，處(chu)在可流動狀(zhuang)況故不會出(chu)現冷隔缺陷和欠鑄，輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)下(xia)(xia)端(duan)(duan)位置合(he)(he)(he)金(jin)溫度(du)(du)是(shi)630 ℃上(shang)下(xia)(xia)，上(shang)下(xia)(xia)端(duan)(duan)溫度(du)(du)差大概(gai)50℃，當(dang)填充結束尾段，輪(lun)(lun)(lun)(lun)芯(xin)上(shang)方的(de)合(he)(he)(he)金(jin)溫度(du)(du)依然與(yu)澆(jiao)注溫度(du)(du)（690 ℃） 相接近。

從輪(lun)(lun)轂填充分析過程總(zong)可看到：因為存(cun)在有(you)凹(ao)槽，所以當合金(jin)液(ye)體前端抵達輪(lun)(lun)輻中(zhong)央(yang)處(chu)的(de)時候，導致輪(lun)(lun)輻中(zhong)部液(ye)體流動速度變慢，處(chu)于凹(ao)槽里的(de)氣(qi)體或許會受到兩端的(de)液(ye)體包圍，未能及時逃逸以致凝固過程中(zhong)出(chu)現氣(qi)孔缺陷。

3、輪轂壓鑄缺陷分析及消除

3.1 缺陷分析

根據以上(shang)鎂合金(jin)(jin)通(tong)過低壓(ya)條件下鑄(zhu)造過程，結合模擬分析，可(ke)看出(chu)存在可(ke)能產(chan)生縮(suo)孔(kong)(kong)及氣(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)缺陷。氣(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)成(cheng)因通(tong)常包(bao)括兩種，**種是處于填充過程時氣(qi)體(ti)(ti)被卷入而產(chan)生外形比(bi)較規則(ze)且內表(biao)面光滑光亮的(de)(de)空洞(dong)(dong)；第二種則(ze)是合金(jin)(jin)精(jing)煉不夠(gou)抑或熔煉錯誤(wu)，氣(qi)體(ti)(ti)在合金(jin)(jin)當中(zhong)溶(rong)解(jie)，壓(ya)鑄(zhu)的(de)(de)時候很快凝固，而溶(rong)解(jie)在金(jin)(jin)屬內部的(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)不能及時析出(chu)，導(dao)致金(jin)(jin)屬內的(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)滯留于鑄(zhu)件內最終形成(cheng)了(le)空洞(dong)(dong)。解(jie)決(jue)方法(fa)為：改變輪輻的(de)(de)結構(gou)及降低澆(jiao)注速(su)度。

從(cong)整體(ti)上(shang)看(kan)輪(lun)輞部位依舊不屬于(yu)同(tong)步凝(ning)(ning)固(gu)，每(mei)個輪(lun)輻(fu)(fu)(fu)之間的(de)凝(ning)(ning)固(gu)要(yao)比對應(ying)(ying)的(de)輪(lun)輻(fu)(fu)(fu)的(de)凝(ning)(ning)固(gu)要(yao)早，不過(guo)由于(yu)澆注速度(du)的(de)減低，對應(ying)(ying)每(mei)個輪(lun)輻(fu)(fu)(fu)的(de)部位卻能(neng)同(tong)步凝(ning)(ning)固(gu)，未(wei)能(neng)產生液體(ti)孤(gu)島，則(ze)避免了在(zai)輪(lun)轂處(chu)出現縮孔(kong)缺陷，而各自輪(lun)輻(fu)(fu)(fu)和(he)輪(lun)轂會接處(chu)出現的(de)熱節仍然(ran)存在(zai)，因此模具此處(chu)的(de)冷卻性還要(yao)逐(zhu)步改良，以免出現縮孔(kong)缺陷。

3.2 缺陷消除優化

依(yi)據以(yi)上(shang)分析缺(que)陷消(xiao)除優化方(fang)法如下：增(zeng)(zeng)加(jia)冷卻(que)系(xi)(xi)統：為(wei)使輪輞端(duan)(duan)部實現同步降(jiang)溫避免(mian)產(chan)生縮孔缺(que)陷，在輪輞端(duan)(duan)部增(zeng)(zeng)設(she)(she)冷卻(que)系(xi)(xi)統。延緩注(zhu)射(she)速度：把原來注(zhu)射(she)速度延緩到0.5 m/s。合理提(ti)(ti)升模具溫度，確保導熱均勻。提(ti)(ti)升合金液溫度：把合金液原始溫度增(zeng)(zeng)加(jia)至850℃。調整澆口尺寸(cun)。這里(li)設(she)(she)置充(chong)型速度為(wei)0.5 m/s，鑄液溫度850℃，模溫400℃；優化工藝后充(chong)型過(guo)程

從上面模擬(ni)程(cheng)序(xu)對比可(ke)知，充(chong)(chong)(chong)型速度(du)是0.5 m/s時金屬液體充(chong)(chong)(chong)型都相對平穩。速度(du)均勻時，于充(chong)(chong)(chong)型全過程(cheng)中，會接處液體速率差(cha)別小，避免(mian)互相沖擊出(chu)(chu)現(xian)紊(wen)流，并且穩定(ding)的變化率小，鑄件(jian)溫度(du)隨著溫度(du)梯度(du)及冷卻率降低而分布(bu)越均勻，則在結晶(jing)形成過程(cheng)中形成粗大晶(jing)粒機會降低，對提高鑄件(jian)質量(liang)有良好作用。從充(chong)(chong)(chong)型速度(du)場得出(chu)(chu)，合金熔液能(neng)平穩進行充(chong)(chong)(chong)型，所以(yi)說(shuo)**充(chong)(chong)(chong)型速度(du)是0.5 m/s。

3.3 充(chong)型溫度場和凝固過程優化分析

通(tong)(tong)過擠壓澆注(zhu)充(chong)(chong)型(xing)鑄(zhu)造鎂合金輪轂(gu)的過程可知,金屬液(ye)通(tong)(tong)過中(zhong)心澆道(dao)注(zhu)入輪輻，再(zai)隨(sui)著(zhu)輪輻對型(xing)腔開展填充(chong)(chong)。合金液(ye)起初(chu)于輪轂(gu)下方會接處融(rong)匯，在(zai)此處開設溢流(liu)(liu)槽，能將(jiang)前(qian)沿(yan)含氣多(duo)、雜質(zhi)多(duo)、質(zhi)量差和溫(wen)度(du)(du)低的合金液(ye)流(liu)(liu)充(chong)(chong)分收集(ji)，再(zai)通(tong)(tong)過層疊法進行充(chong)(chong)型(xing)，將(jiang)氣體不斷(duan)向上趕(gan)，而后進入輪轂(gu)邊(bian)的溢流(liu)(liu)槽。在(zai)充(chong)(chong)型(xing)的全(quan)過程中(zhong)，充(chong)(chong)型(xing)狀(zhuang)態佳，合金液(ye)體速率穩(wen)，溫(wen)度(du)(du)變(bian)化小，當型(xing)腔完全(quan)充(chong)(chong)滿后，鑄(zhu)件(jian)溫(wen)度(du)(du)仍然均勻分布。

從圖(tu)4 可以看出(chu)，在固定(ding)壓(ya)力條(tiao)件(jian)下(xia)將鑄件(jian)保壓(ya)凝(ning)(ning)固，鑄件(jian)快(kuai)速(su)凝(ning)(ning)固且平(ping)穩，同時溫度均(jun)勻分布(bu)。鑄件(jian)的(de)凝(ning)(ning)固過(guo)程最(zui)初是澆(jiao)(jiao)道，于(yu)填充過(guo)程未段合金液體前(qian)端(duan)部(bu)分的(de)溫度處(chu)于(yu)600℃上(shang)(shang)下(xia)，還(huan)屬(shu)于(yu)流動狀(zhuang)態(tai)，雖然澆(jiao)(jiao)注(zhu)速(su)度漸漸下(xia)降但(dan)輪(lun)轂上(shang)(shang)端(duan)并未出(chu)現欠鑄及(ji)冷隔現象，大體上(shang)(shang)完成了輪(lun)緣、輪(lun)輻和輪(lun)轂澆(jiao)(jiao)口的(de)依次凝(ning)(ning)固，有助于(yu)傳遞壓(ya)力，很好地對(dui)鑄件(jian)進行(xing)補(bu)縮，令鑄件(jian)關(guan)鍵部(bu)位免于(yu)出(chu)現澆(jiao)(jiao)不足、縮孔或(huo)縮松等(deng)缺陷，生(sheng)產出(chu)致密、組織(zhi)均(jun)勻且偏析少的(de)鑄件(jian)。

4、結論

應用(yong)pro/e 軟件完(wan)(wan)(wan)成了汽車輪(lun)轂模(mo)(mo)具的實(shi)體設計(ji)，對其(qi)進(jin)行(xing)了三維造型(xing)(xing)檢(jian)測，確定采用(yong)層切面(mian)法，設置(zhi)層數10 和(he)偏距20 mm， 建(jian)立了鎂合金(jin)輪(lun)轂鑄造模(mo)(mo)具的有(you)限(xian)元(yuan)(yuan)模(mo)(mo)型(xing)(xing)，完(wan)(wan)(wan)成各時(shi)間的填充狀態和(he)溫(wen)度場分布模(mo)(mo)擬，對卷(juan)氣缺陷(xian)、凝固缺陷(xian)進(jin)行(xing)了有(you)限(xian)元(yuan)(yuan)分析完(wan)(wan)(wan)成了初始冷(leng)卻(que)水(shui)道設計(ji)、冷(leng)卻(que)水(shui)道改進(jin)設計(ji)，實(shi)現了澆口尺寸修(xiu)改和(he)充型(xing)(xing)速度后充型(xing)(xing)速度場有(you)限(xian)元(yuan)(yuan)分析。

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