AZ91D鎂合金汽車輪轂澆鑄工藝方案

段少勇

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712100）

輪轂是汽車重量的重要組成部分，盡可能減少輪轂重量有助于降低車輛的能耗。當(dāng)前制造輪轂常用的材料有鋁合金、鋼、鎂合金等，其中鎂合金的密度最小而且強(qiáng)度最高，所以成為了目前最受歡迎的輪轂材料。由于市面上的鋁合金輪轂仍占多數(shù)，并且其傳統(tǒng)的鑄造方式對(duì)鎂合金進(jìn)行鑄造時(shí)卻效果較差。也正因此，本文研究一種新型的鎂合金輪轂的鑄造方法，提高輪轂的各種性能，從而進(jìn)一步減輕汽車的重量。

1 鎂合金汽車輪轂結(jié)構(gòu)

1.1 鎂合金工藝特性

本文所選取的輕量化AZ91D 鎂合金材料，其密度在1.74～1.85 g/cm3，彈性模量45 GPa，以及切削阻力等方面相比于鋁和鑄鐵都有巨大的優(yōu)勢(shì)，鑄造過(guò)程中可以選取較大的澆注壓射力，而且受外力易變性，能夠有效分散應(yīng)力，確保材料均勻受力，還可以在一定程度上提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 輪轂的結(jié)構(gòu)

汽車輪轂作為汽車的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)性能除了滿足功能上的需求外，還應(yīng)該滿足汽車安全以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，因此其應(yīng)該具有較理想的剛度、強(qiáng)度以確保較長(zhǎng)的使用壽命。為滿足這些要求，結(jié)合鎂合金的特性，將輪轂進(jìn)行如圖1 的設(shè)計(jì)。

圖1 鎂合金輪轂?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)《GB/T3487—2017 汽車輪輞規(guī)格系列》所設(shè)計(jì)的輪轂體積為4 646.97 cm3，輪輞為5o深槽輪輞J 型輪廓，輪轂厚度5.5 mm，輪芯節(jié)圓直徑為110 mm，設(shè)計(jì)5個(gè)錐面的螺栓孔，確保車輪的對(duì)稱；弧形輪輻其背部有掏料，這種型式能夠在一定程度上增加輪轂的強(qiáng)度，降低輪轂的質(zhì)量，還比較美觀。

1.3 真空高壓鑄造技術(shù)

真空壓鑄技術(shù)可以是在模具中直接抽氣至真空狀態(tài)，還可以將模具放置在特殊的真空箱中進(jìn)行抽氣，這樣模具腔內(nèi)為真空狀態(tài)，有利于熔體的壓鑄操作，圖2展示了該技術(shù)的工作原理。這種技術(shù)適用于厚度較小的鑄件，能夠有效降低型腔的反壓力，普通設(shè)備就能滿足工藝的要求[1]。本文中選取真空壓鑄的技術(shù)能夠有效降低金屬的氧化程度，即使薄壁鑄件也能夠完美成型，該技術(shù)適用于對(duì)鎂合金的鑄造。

圖2 真空高壓鑄造工作原理

2 擠壓鑄造輪轂所需的工藝參數(shù)

2.1 模具預(yù)熱溫度

合理的模具溫度有助于提升鑄件的質(zhì)量并延長(zhǎng)其使用壽命。如果模具的預(yù)熱溫度尚未達(dá)到規(guī)定值就進(jìn)行合金液的澆注，那么就會(huì)在型腔內(nèi)迅速凝固形成較厚的結(jié)晶，嚴(yán)重降低了加壓的質(zhì)量；不僅如此，隨著溫度梯度的增大，往往會(huì)造成鑄件產(chǎn)生比較大的柱狀晶，在一定程度上影響了鑄件的質(zhì)量[2]；另外，預(yù)熱溫度低還容易導(dǎo)致冷隔、冷痘和涂料夾雜等瑕疵的出現(xiàn)。

如果對(duì)模具預(yù)熱時(shí)溫度過(guò)高，就會(huì)使鑄型受到過(guò)大的熱應(yīng)力，高溫的作用使得金屬緊緊黏結(jié)在型腔的內(nèi)表面，這樣鑄件不僅很難與模具有效脫離，還會(huì)影響其基本性能從而縮短鑄件的使用壽命；另外，高溫還會(huì)在一定程度上增加保壓時(shí)間，這不僅在無(wú)形中延長(zhǎng)了生產(chǎn)工期，并且還會(huì)導(dǎo)致噴涂潤(rùn)滑劑的效果不佳。

2.2 合金澆注溫度

合金的澆注溫度直接關(guān)系到金屬的成型效果。在進(jìn)行擠壓鑄造作業(yè)時(shí)一定要合理控制合金的澆注溫度，盡可能的取溫度范圍的下限。這是由于當(dāng)選取較低溫度澆注時(shí)，合金中產(chǎn)生的溫度梯度較小，這樣也相應(yīng)的減少了氣體的產(chǎn)生，在鑄件凝固的過(guò)程中有效避免了縮孔、縮松的情況發(fā)生。另外，當(dāng)溫度較低時(shí)有利于延長(zhǎng)鑄型的使用壽命，還有助于液態(tài)金屬發(fā)生噴濺、披縫，有助于形成更加細(xì)化的晶粒組織，很大程度上上改善并提升鑄件的質(zhì)量。因?yàn)閿D壓鑄造的過(guò)程需要在高壓下進(jìn)行凝固，所以低溫澆注的方式能夠在這種環(huán)境下進(jìn)行[3]。但是澆注溫度不能過(guò)低，因?yàn)槟踢^(guò)快的合金很容易出現(xiàn)鑄型未充滿的現(xiàn)象。如果澆注的溫度過(guò)高，凝固過(guò)程中就經(jīng)常發(fā)生縮孔的現(xiàn)象，大大降低了模具的使用周期。

澆注溫度的合理取值應(yīng)當(dāng)綜合液相線溫度以及其結(jié)晶溫度區(qū)間的實(shí)際情況進(jìn)行確定。如果合金的結(jié)晶溫度區(qū)間相對(duì)較小，那么澆注溫度的選擇就需要大于其液相線溫度；相對(duì)的如果區(qū)間較大，那么澆注溫度的選擇就應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄湟合嗑€溫度。

2.3 合金充型速度

如果鑄件的造型已初步形成，那么合金的充型速度就受到?jīng)_頭移動(dòng)速度的影響。如果沖頭在移動(dòng)時(shí)的速度較快，合金液就容易在形成渦流的同時(shí)吸入氣體，最終造成鑄件中出現(xiàn)氣泡；如果沖頭移動(dòng)較慢，合金液就會(huì)提前凝固，而不能將型腔充分填滿。

3 鎂合金汽車輪轂鑄造工藝

3.1 合金充型過(guò)程

鑄件充型過(guò)程涉及合金液的流動(dòng)、溫度的傳遞，該過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱量的消耗，但是整個(gè)過(guò)程保持質(zhì)量和能量的守恒，所發(fā)生的熱交換則遵守?zé)崃科胶夥匠?。?duì)合金充型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)依據(jù)有限元的理論，通過(guò)MAC或VOF法等解決鑄造型腔中流體流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題，從而科學(xué)合理地模擬出充型流體最前端所處的位置及相應(yīng)的形狀。

3.2 合金凝固過(guò)程

合金凝固過(guò)程涉及質(zhì)量、能量、熱量、相變等一系列物理化學(xué)變化，在對(duì)該過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)著重考慮熱量的傳遞過(guò)程，進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬。該過(guò)程中包含的熱量傳遞方式有三種，一是合金液與鑄型之間發(fā)生的熱傳導(dǎo)作用，二是合金液與鑄型、周圍空氣發(fā)生的熱對(duì)流，三是金屬液、鑄型發(fā)生的熱輻射[4]。

3.3 真空壓鑄輪轂鑄造工藝優(yōu)化

結(jié)合真空壓鑄成型的相關(guān)情況，合金液充填時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循輪輞-輪輻-輪芯的順序，以輪轂的邊緣為起點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。輪轂澆注時(shí)還要注意其排溢系統(tǒng)的相關(guān)功能，主要構(gòu)造有內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道、溢流槽和排氣道。

按照鎂合金輪轂鑄件的體積、充填時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，最終將內(nèi)澆道設(shè)置為扇形，然后在輪緣側(cè)面的下緣開(kāi)始逐步澆注。另外內(nèi)澆道厚度一般設(shè)置為10 mm，其寬度應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況研究確定。

本研究選取臥式冷室壓鑄機(jī)，對(duì)圓弧狀的橫澆道進(jìn)行澆注時(shí)，澆注液的入口應(yīng)當(dāng)設(shè)置在料筒內(nèi)徑2/3以上的位置，并且要確保入口截面直徑超過(guò)其內(nèi)澆道的直徑，另外還要確保出口直徑為入口的70%～90%。

直澆道有壓鑄機(jī)的料筒、模具的澆口套，需要按照一定的參數(shù)來(lái)確定二者的大小，其中二者的長(zhǎng)度之和不能超過(guò)壓射桿的最大壓射行程，有利于沖頭具有合適的追蹤距離，也有利于鑄件快速脫離澆口套。根據(jù)這一特性，本研究中最終確定料餅厚度為22 mm，壓射沖頭直徑為120 mm，這一參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

3.4 輪轂充型與凝固過(guò)程模擬分析

本研究中選取H13 鋼作為模具型芯、AZ91D 鎂合金相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。按照這一對(duì)比最終確定真空高壓技術(shù)的技術(shù)參數(shù)值有：合金液澆注溫度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)1 500 W/（m2·K）。

表1 H13鋼與AZ91D鎂合金相關(guān)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬軟件研究輪轂沖型的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該操作只需0.2 s 即可完成。從邊緣處著手澆注配置好的合金液，按照從輪輞到輪輻、輪芯的順序逐漸注入，當(dāng)輪輻與輪芯中的合金液完全交匯時(shí)，合金液會(huì)繼續(xù)流向輪輞和輪輻，因此要設(shè)置合適的溢流槽，確保合金液能夠充滿整個(gè)輪輻，進(jìn)而完成整個(gè)輪轂的充型。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件能夠看出，當(dāng)合金液開(kāi)始流至輪輻的中部位置時(shí)，由于模具中設(shè)置了凹槽，所以液體的流動(dòng)速度有所降低，同時(shí)凹槽內(nèi)的氣體不能及時(shí)被排除而包裹在液體中，當(dāng)合金液凝固時(shí)也就會(huì)有氣孔的存在。

金屬鑄件在進(jìn)行鑄造時(shí)還會(huì)經(jīng)常遇到縮孔縮松的問(wèn)題，這往往是由于合金液在凝固時(shí)不能及時(shí)補(bǔ)縮導(dǎo)致的。因此，在施工前要分析出最可能發(fā)生縮孔縮松情況的部位，該部位可以通過(guò)液相孤立區(qū)的范圍而進(jìn)行確定，然后提出有針對(duì)性的優(yōu)化措施，盡可能的避免縮孔等現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)計(jì)算機(jī)的模擬過(guò)程分析，該工藝下輪轂結(jié)構(gòu)的凝固順序是從溢流槽開(kāi)始的，然后依次是輪輞、輪輻和輪芯，最后部位是澆口套[5]。值得注意的是，在凝固的過(guò)程中，并不是一個(gè)構(gòu)件凝固完全后再進(jìn)行下一構(gòu)件的凝固，這是因?yàn)檩嗇灥妮喰九c輪輻并不是呈現(xiàn)典型的軸對(duì)稱關(guān)系，位于輪輞上部的三個(gè)點(diǎn)凝固時(shí)間最晚，而且凝固時(shí)也無(wú)法補(bǔ)充合金液，根據(jù)這一特點(diǎn)可以判定輪輞上緣的這三個(gè)區(qū)域是容易出現(xiàn)縮孔的部位。由于鎂合金具有相對(duì)較小的容積熱容量，但是在輪轂各部位連接處往往存在較大的厚度差異，所以輪輻的中間位置容易發(fā)生過(guò)早凝固的情況，各連接處又容易受到熱應(yīng)力的影響在凝固時(shí)也容易出現(xiàn)縮孔的問(wèn)題。

通過(guò)以上對(duì)真空高壓技術(shù)進(jìn)行鑄造時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，可以通過(guò)增加預(yù)熱溫度以及降低壓射速度的方式有針對(duì)性的優(yōu)化工藝技術(shù)，在不改變輪轂幾何的前提下，通過(guò)Anycasting 高級(jí)鑄造模擬軟件系統(tǒng)對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行科學(xué)模擬，為保證輪轂的性能最佳，確定相關(guān)參數(shù)為：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，以滿足鑄造工藝的要求。

4 結(jié) 論

汽車輪轂的重量、壽命等性能不僅影響了車輛的整體性能，而且其造型也對(duì)車輛的美觀產(chǎn)生一定的影響，鎂合金作為目前性能最佳的一種新型材料，其科學(xué)合理的鑄造有利于減輕汽車的重量，減少對(duì)能源的消耗，也符合當(dāng)前提倡的節(jié)能環(huán)保的要求。因此，選取真空高壓技術(shù)進(jìn)行鎂合金輪轂的鑄造，并通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)的研究確定其價(jià)值，也希望為汽車輪轂的進(jìn)一步改進(jìn)提供更多的參考信息。