1、本科学生毕业设计汽车轮毂的结构与模具设计院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 实验师 The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Structure of Automobile hub With Mold designCandidate：Specialty：Vehicle EngineeringClass：07-9Supervisor：Experimental division. Heilongjiang Institute of TechnologyI摘 要本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究
2、开发的一般流程，制定了产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线。借助CAD等工具，对汽车轮毂结构设计与性能分析、并对模具造型、铸造工艺等进行了设计。首先介绍了我国轮毂模具的现状、发展趋势及我国模具发展的新技术，其次围绕轿车轮毂模具进行设计，针对轮毂的结构特点，确定模具的型腔数目、分型面以及脱模机构。汽车轮毂的成型工艺方法较多，以挤压铸造生产轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。本文根据挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂挤压铸造模具设计进行了分析总结，并对模具型腔进行了结构设计，查阅模具设计手册，完成模具的总体设计。同时充分利用计算机绘图软件对零件进行设计, 利用Pro/E对零件进行三维造型, 并
3、实现零件的三维装配和模具设计。通过本次设计，对模具整个设计过程有了较好的了解。关键词：模具；镁合金；汽车轮毂；挤压铸造 ；模具设计；低压铸造全套图纸，加ABSTRACTThis paper mainly research on automobile wheelBased on the general process of product development，the technical route is made including product structure，processscheme and mouldUsing the software of CAD， such as the
4、structure design of automobile hub with performance analysis, mould modelling, casting process design, etc.China introduced the aluminum mold wheel status quo first time, development trends and Chinas development of new technologies die, followed aroundthe family car aluminum wheel design tool for t
5、he structural characteristics of wheel, the mold cavity to determine the number of surface as well as from mode institutions. The method about molding process of magnesium alloy wheel is multipleThe way ofmanufacturing automobile wheel wim squeeze casting is not ripe on its research stageThispaper s
6、ummarized main points of the squeeze casting mould，Check the manual mold design, mold choice to determine the structure of mold size, mold designcompleted. At the same time make full use of computer graphics software to design parts using Pro / E sional modeling of parts and components to achieve th
7、ethree-dimensional assembly and mold design, Through this design, the entire design process of the mold with a better understanding.Key words: Mold；Magnesium Alloy；Automobile Wheel ；Squeeze Casting；Mold IIIDesigning；Low Pessure Csting目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 引言 11.2 轮毂国内外研究现状 11.2.1 国内研究现状
8、11.2.2 国外研究现状 21.3 研究的目的和意义 .31.4 设计的主要内容 .5第 2 章 轮毂零件 的结构设计 .72.1 轮毂模具设计的基本术语 .92.2 汽车轮毂模具方案的设计标准 92.3 轮毂零件的 3D 设计 102.3.1 主要外形尺寸的确定 102.3.2 设计原则 .102.3.3 汽车轮毂轮廓三维实体生成 102.3.4 汽车轮毂风孔的生成 112.4 本章小结 .13第 3 章 轮毂成形工艺介绍 143.1 轮毂成形的工艺特点 143.2 现行的轮毂主要成形方法及其优缺点 143.2.1 金属型重力铸造 153.2.2 低压铸造 .153.2.3 压铸 153.
9、2.4 挤压铸造 .173.3 其他成形方法 183.4 本章小 结 .19第 4 章 轮毂成 形工 艺分析 .204.1 轮毂材料及性能特点 204.2 低压铸造的性能特点 204.3 工艺方案的确定 .214.4 挤压铸造工艺参数 .234.5 模具设计方案 264.6 本章小结 .27第 5 章 轮毂铸造模具 的设计 .285.1 挤压模具设计的基本原则 .285.2 挤压铸造模具的工艺参数 .295.2.1 汽车轮毂模具分模面的确定 295.2.2 凹模设计 .345.2.3 凸模设计 .345.2.4 模板设计 .355.3 模具装配 .365.4 本章 小结 .37结论 38参考文
10、献39致谢 41附录 421第 1 章 绪 论1.1 引言能源、环境和安全是当今备受关注的三大问题，也正是这三大问题制约了汽车工业的发展和汽车的普及。而汽车的安全性和可靠很大程度上取决于所用轮毂的性能和使用寿命。随着产品更新换代越来越快，新产品不断涌现，新技术日新月异，模具的使用范围已越来越广，对模具的要求也越来越高，使模具技术及制造方式发生了根本性的变化，已经从传统的手工设计，从有经验的钳工师傅为主导的技艺型生产方式转变到了以数字化、信息化、自动化生产为特征的现代模具工业生产时代。轮毂是一个承受随机疲劳载荷的旋转薄壳结构，上面开有孔洞，附有加强筋，形状复杂，轿车在行驶中所受到的各种载荷向轮毂
11、的传递也十分复杂。因此，轮毂的几何形状和力学特征的复杂性给研究工作带来很大的困难。轮毂模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及制造方法很难满足要求。而采用 Pro/E 对汽车轮毂模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。然而在当今汽车技术高速发展的时代，欧美、日本等国家基本垄断了发达的汽车技术，我国在先进的汽车技术中处于落后与被动地位，因此，我国必须加大对汽车技术研发的力度，发明出更新更先进的技术，跟上世界各个汽车大国的技术水平。1.2 轮毂国内外研究现状1.2.1 国内研究现状 为了节能降耗，减少废气排放
12、，提高驾乘舒适度和车辆动力学性能。现代汽车正在向轻量化方向发展，从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主要手段是采用具有高比性能的轻质材料替代传统材料，目前广泛应用于汽车轮毂的材料主要是铝合金和镁合金。随着我们国家公路设施的迅猛发展，铝合金轮毂开始在全国范围内得到推广，并且发展迅速。2002年，我国轿车铝合金轮毂的装车率已接近45%。伴随着中国汽车工业的快速发展，我国铝合金轮毂行业出现强劲增长势头。经过十几年的艰苦努力，年生产能力已超过了6500万件。已成为了世界铝合金轮毂生产大国。与世界先进水平相比，国内企业在铝合金轮毂的设计开发和制造技术方面尚存在较大的差距，总体的生产技术和装备水平、产品
13、的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步的提高 1。镁合金是最轻的金属结构材料，具有低价格，高比性能、比强度和比刚度。突出的阻尼减振性能等特点，将镁合金用于汽车，摩托车结构，特别是高速运动构件能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度 2。在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达 2000t以上。东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为 3.3kg，取代了 4.8kg 的铝合金壳体，年产量达到
14、 6 万件。长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等 7 种零件已通过台架试验和道路试验，2004 年已大批量装车进入市场。我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用和产业化”重大项目。轮毂的铸造工艺有低压铸造法、重力铸造法、压力铸造法、挤压铸造法、轮毂的成形工艺主要有挤压铸造和低压铸造。我国从20世纪六七十年代开始发展挤压铸造，20世纪九十年代，运用于摩托车行业，使挤压铸造得到了飞跃发展，已形成年生产300千万只摩托车铝轮毂的能力。目前国内外生产的大型受力零件有：重25.50kg的坦克铝合金负重轮以及大型载重汽车铝轮毂等。我国低压铸造工艺发展得较晚，1955年
15、天津拖拉机制造厂采用压缩空气紧密制造铝合金型板，1958年上海邮电器材厂应用了低压铸造工艺，六十年代这一工艺在北京、天津、上海、辽宁等地得到了一定程度的发展。1978年以来，一机部、六机部、八机部等相继召开低压铸造经验交流会，介绍了国内先进的低压铸造设备和工艺 3。1.2.2 国外研究现状国外对轮毂材料的研究发展的比较迅速。20世纪初，当钢铁制汽车轮毂已经运用的很成熟的时候，一些赛车爱好者，为了追求速度与灵活性，而把汽车变得更加“轻量化”，就将钢制辐条式轮毂与铝质轧制轮辋相结合的车轮装上汽车。从此，汽车轮毂进入了另一个时代铝合金轮毂时代。1945年以后，汽车厂商纷纷开展批量生产铝合金轮毂的研究
16、。德国是世界上最早开始制造铝合金轮毂的国家早在20世纪20年代就开始用砂型铸造赛车用铝合金轮毂，其设计与制造技术一直走在世界的前列。20世纪50年代末，联邦德国还只能少量的生产铝合金轮毂，到了70年代后，他们开始在小汽车上大量使用铸造铝合金轮毂，开创了新的局面。3世界各国近年来都高度重视对镁合金的研究与开发，加强镁合金在汽车等交通工具上的应用开发和产业化研究。自1990年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划，把镁合金列为21世纪研究与开发的重点项目。北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上，镁合金用量大约为5.8-26.3kg/辆，
17、美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上， 镁合金用量大约为 9.3-20.3kg/辆 4。国外的挤压铸造工艺是1937年由前苏联发明的，20世纪五六十年代，先后传入我国和世界各地。挤压铸造技术的发展与挤压铸造机技术的发展密切相关。20世纪80年代，日本宇部公司开发成功HCSC和VSC系列挤压铸造机，日前已销售300多台；日本丰田公司的轮毂厂拥有14台VSCl500VSCl800挤压铸造设备，年产400多万只高档汽车铝轮；日本的日产汽车、马自达、Art、Umold 和Tosei 等公司和美国SPX、Amcast等大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间 5。低压铸
18、造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。其目的是解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。低压铸造真正被推广应用时在“二战”以后，由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。1950年以后由于汽车工业的发展，使抵押铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展 6。1.3 研究的目的和意义轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计
19、的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。汽车轮毂的成形工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用 Pro/E、CAD 等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。资源和环境是己成为世界各国越来越突出的问题，为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆动力学的性能，现代汽车、摩托车等交通工具正在向轻量化方向发展。镁合金是现已知的最轻
20、金属结构材料之一，具有多方面结构和性能的优势，越来越受到各国的青睐。轮毂作为车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义。而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首选材料。但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产 7。铸造模具市场异常活跃，铸造产业的高速增长带来了铸造模具制造工业的一片兴旺。根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的全国模具专业厂基本情况 统计，铸造模具约
21、占各类模具总产值 5%，每年增长速度高达 25%。模具是工业产品生产用的重要工艺装备，在现代工业生产中，60%-90%的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、摩托车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，根据国际生产技术协会的预测，21 世纪机械；制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的 50%都将依靠模具完成，因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。模具工业发展的关键是模具技术的进步 8。模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及
22、制造方法很难满足要求。而采用 Pro/E 对汽车铝轮模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。挤压铸造也称为液态模锻,是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺,该工艺是将一定量的熔融金属液直接注入敞口的金属模腔,随后合模，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上,使之充填、成形和结晶凝固,并在结晶过程中产生一定量的塑性变形，从而获得毛坯或零件的一种金属加工方法。挤压铸造充型平稳,没有湍流和不包卷气体,金属直接在压力下结晶凝固,所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷,且组织致密、晶粒细化,机械性能比低压铸造件高 9。产品既有接近锻件的优良机械性能,又有精铸件一次精密成
23、形的高效率、高精度,且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件,汽车轮毂是一种要求较高的保安件,金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求,但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。日本已有相当部分的汽车轮毂采用挤压铸造工艺生产,丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备,每台设备不到 2min 即可生产一件轮毂,从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制,自动化程度非常高。国内也在广东建造了一个现代化的挤压铸造汽车轮毂厂,已生产多种规格和型号的汽车铝轮毂,经鉴定产品质量达到了国外同类产品先进水平。目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮毂生产的方
24、向之一。51.4 设计的主要内容产品的开发，通常经过以下几道程序：产品结构设计、工艺方案设计、模具设计、产品试样、大批生产，对于试样不合格的情况，则需要对模具、工艺方案甚至产品结构进行修整的工作。本文所研究的汽车轮毂的开发流程，分为以下几个内容：（1）轮毂结构设计（2）轮毂成形工艺研究现状（3）轮毂成形工艺方案的确定（4）轮毂模具的设计轮毂挤压铸造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、浇注速度等组成。由于挤压铸造技术是使液态金属在压力作用下充型，并在高压下凝固和产生塑性变形，所以能挤压出各种形状复杂的零件，本设计为了充分发挥挤压铸造技术的优点，综合考虑了各种因素，尤其是挤压铸造工艺参数、
25、模具结构设计和零件设计，挤压铸造工艺包括涂料、模具温度、浇注温度、充型速度、浇注速度、加压压力、加压开始时间、保压时间、脱模、热处理工艺参数等。轮毂模具设计的流程图如图 1.1 所示实体设计建立模具工件设置收缩率模型检测满足要求?设计浇注系统创建分型面创建体积块创建铸模设置模具进料孔开模模拟、干涉检测生成模座系统生成装配图和零件工程图修改零件图 1.1 Pro/E 模具设计流程图7第 2 章 轮毂零件的结构设计汽车轮毂主要由轮芯、轮辋、轮辐三部分构成由于轮辋按照国家标准(GB-T 3487- 2005汽车轮辋规格系列)规定的尺寸设计，对轮毂的结构再设计而言，就是通过调整辐板结构及其与外轮圈的过
26、渡圆角。轮毂结构的基本知识：1、轮辋：与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。2、轮辐：与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。3、偏距：轮辋中心面到轮辐安装面间的距离。有正偏距、零偏距、负偏距之分。4、轮缘：保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。5、胎圈座：与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。6、槽底：为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。7、气门孔：安装轮胎气门嘴的孔。详细的轮毂结构可见图 2.1 所示整体式车轮结构。 图 2.1 整体式车轮 表 2.1 轮毂结构的基本知识1 轮辋宽度 10 螺栓孔节圆直径2 轮辋名义直径 11 螺栓孔直径3 轮缘 12 轮辐安装面4 胎圈座
27、 13 安装面直径5 凸峰 14 后距6 槽底 15 轮辐7 气门孔 16 轮辋8 偏距 17 轮辋中心线9 中心孔LB 型轮辋轮毂应符合图 2.2图 2.2 轮辋 LB 型轮廓A 轮辋标定宽度 153B 轮缘宽度 13D 轮辋标定直径 358G 轮缘高度 17H 槽底深度 25L 槽底宽度 22M 槽的位置尺寸 39P 胎圈座宽度 22轮缘接合半径 R11.81R胎圈座角度 692.1 轮毂模具设计的基本术语（1）参考模型：设计模型中的最终产品，本文中为汽车轮毂的最终三维实体模型。（2）工件：在工程上为毛坯，即为加工对象，其几何形状由设计者对整个模具的数控加工的可行性以及成本等因素决定。（3
28、）制造模型：由参考模具和工件组成，为后面的模具的生成提供模板。2.2 汽车轮毂模具方案的设计标准Pro/E提供的设计理念将设计、制造、装配以及生产管理融为一体 , 赋予“设计”完整的概念。它提供的强大功能尤其是曲面造型和模具设计功能为工程技术人员和生产管理人员在短期内完成高质量的产品开发提供了强有力的工具。本论文以Pro/E 为开发平台, 以并行工程为思想, 最终完成对挤压铸造模具智能设计系统的开发,实现模具设计的自动化, 智能化, 大大缩短了设计、数控编程的时间, 从而缩短了模具设计周期 10。另外, Pro/E软件具有的单一数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。
29、轮毂模具设计可分为两步： 设计出符合要求的轮毂三维实体模型。根据轮毂的三维模型设计出轮毂模具。其中，轮毂实体设计是关键，直接涉及到模具的结构及尺寸精度。然后利用Pro/E软件提供的功能，在实体的基础上进行三维造型，并设计出相应的轮毂模具。汽车轮毂由钢圈，轮辐，风孔等组成。其主要结构如图2.3所示：图2.3 汽车轮毂结构外形图2.3 轮毂零件的 3D 设计由于汽车轮毂外形表面的不规则，所以在进行铸造时应充分考虑设计过程中轮毂主要外形尺寸确定的合理性以及一般原则。2.3.1 主要外形尺寸的确定铸件的最小壁厚：=5-7mm，其平均壁厚为6mm。铸造内外圆角：R=2mm汽车轮毂的受阻收缩率：0.5%-
30、1%铸造斜度(拔模斜度)：=530 2.3.2 设计原则起模方便，在起模方向上留有结构斜度。铸件的壁厚尽可能均匀，减少和消除应力，防止缩孔和裂纹缺陷的产生。零件的转角处要留有铸造圆角，以防止裂纹，缩孔。要有合理的铸件壁厚，其最薄的部分应保证液体金属充满。2.3.3 汽车轮毂轮廓三维实体生成Pro/E三维实体建模是利用其强大三维造型功能中的零件模块实体特性，遵循由线-面-实体的方式进行的，汽车轮毂的外形三维实体的生成，其关键在于外形尺寸在Pro/E中的实现。通过绘制直线，圆弧，自由曲线等基本因素，并做拉伸、旋转、镜像、等距、剪切等操作最终生成所需的曲线外形，如图2.4所示。设计中出现的偏差或数据
31、不精确造成曲线，曲面不光滑或曲面结合不好的现象可以通过【特征/编辑定义】命令对其进行外形尺寸的修改 11。11图2.4 轮毂实体建模2.3.4 汽车轮毂风孔的生成风孔的三个侧面均为不规则曲面，其中一个侧面为汽车轮毂的内壁圆周面，另外的两个曲面的尺寸确定是要考虑风孔的分布及拔模斜度因素的影响。在钢圈的两端和中间适当位置各建立一平面，根据风孔的尺寸和拔模斜度定出三条曲线，使用【插入基准曲线/边界混合工具】生成风孔的外形轮廓曲面，并与汽车轮毂的内壁圆周面组合(merge )，然后用 【实体化 】命令移除曲组内侧的材料，得到风孔的外形结构,如图2.5所示，轮毂内侧图如图2.6所示。图2.5 生成风孔曲
32、面图 2.6 轮毂内侧13图 2.7 轮毂实体2.4 本章小结本章主要介绍了轮毂零件的基本知识、结构设计和轮毂零件的三维建模，引出了轮毂模具的方案。根据国家标准(GB-T 3487- 2005 汽车轮辋规格系列)规定的尺寸设计轮毂的基本尺寸，根据轮毂的尺寸利用 Pro/E 进行三维实体建模。第 3 章 轮毂成形工艺介绍轮毂是汽车上极为重要的安全性能结构件。早期轮毂均为钢板冲压加工成型,后随制造技术的进步及汽车摩托车轻量化的要求逐渐发展为铸造铝合金轮毂。目前的市场上铸造铝合金轮毂占据着主导地位。随着汽车轻量化和节能环保要求的逐步提高,现已有铸造和锻压成形的镁合金轮毂面世。3.1 轮毂成形的工艺特
33、点在轮毂的铸造生产过程中,主要生产工序包括:铸造成形、热处理、机加工和检验涂装等几个步骤。其中,浇注系统、铸型温度、充型速度和冷却速度均为关键控制要素。要得到质量优良的轮毂铸件,必须严格控制其工艺过程中的上述各参数。由于轮毂的铸造工艺主要采用中心浇注方式进行,因此以下 4 点在轮毂的生产工艺过程中较为关键：（1）轮毂的轮辐是主要受力区域,属于重要部位,该部位必须达到轮毂性能使用要求。（2）外轮缘在浇注过程中要防止卷气,与轮辐连接部位需要防止产生缩孔、缩松,以保证无内胎轮毂的气密性。（3）轮毂的中心厚大部位需要防止缩孔和缩松的产生，以保证轮毂连接性能。（4）整个轮毂铸件应采用工艺手段消除构件内部
34、疲劳缺陷(如渣孔、气孔、缩孔、疏松、宏观偏析等)。除合金熔体冶金质量外,在铸件的浇注和凝固过程中,充型流动场、温度场与应力场是控制铸件内部工艺质量和力学性能的关键,凝固压力场、温度场及其分布则更直接关系到铸件中缩孔、缩松、气孔等缺陷的消除。因此,必须要有合理的充型模式、理想的凝固压力和温度场才能获得高质量的轮毂铸件。3.2 现行的轮毂主要成形方法及其优缺点目前,国内外生产轮毂的主要铸造成形方法有金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造 12。下面结合轮毂的成形过程中的关键工艺要素对现行各种主要轮毂铸造成形方法进行论述与比较。153.2.1 金属型重力铸造在轮毂的金属型重力铸造中,铸件的凝固
35、收缩补偿只能通过建立顺序凝固必需的温度梯度来保证,因此必须在轮辐轮缘交接的热结处及中心厚大部位设置冒口,导致金属熔体工艺收得率较低,只有 40%60%。同时,由于补缩所需的温度梯度及压力均较低,该方法的工艺过程必须严格控制,否则容易产生缩孔、缩松、夹渣、气孔等缺陷。相比于其他几种利用压力进行充型和凝固的铸造方法,该方法得到的轮毂铸件外部和内部质量都较差。但是由于工序简单、设备投资较少、生产成本较低等因素,国内摩托车轮毂基本上全部用该工艺生产,也有不少汽车轮毂生产厂在使用此工艺生产廉价汽车轮毂 13。3.2.2 低压铸造在低压铸造中,金属熔体在数倍于大气压的压力下进行充型和保压凝固,铸件的致密度
36、较高,缩孔缩松较少,产品内部质量较好。并且由于该方法利用压力进行充型和补缩,一般不需在轮辐上设置冒口,并简化了浇注系统,因此大大提高了金属熔体的工艺收得率(一般可达 90%)。低压铸造法的缺点主要是铸造时间较长,加料、换模具的时间长,设备投资大,低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但由于凝固压力偏低,铸件内部组织较粗大、外表面质量改进不显著,成品轮毂的壁厚较大,铸造后机加工量较大。另外,在低压铸造法的基础上,衍生出一种差压铸造法。该方法是先在铸型内预抽真空,再用气压将金属熔体驱入充填铸型,并保压凝固成形的工艺方法。该工艺的优点是: 可获得较佳的充型速度； 可避免充型熔体吸气和卷气,获得无气
37、孔和少针孔的铸件 铸件尺寸精度与表面质量改善; 与低压铸造相比,差压铸造轮毂的抗拉强度可提高 10%30%,伸长率可提高 5%20%。采用该工艺生产出来的轮毂铸件具有优良的力学性能,是制造高品质轮毂的工艺方法之一 14。但该工艺最大的缺点就是生产效率太低,设备购置和使用成本较高,致使其推广应用受到较大的限制。目前使用该工艺进行轮毂生产的报道在国内外均少见。3.2.3 压铸用压铸工艺生产的铸件尺寸精确、表面光洁,但由于金属熔体充型速度极快,型腔中的气体很难完全排除,以高度压缩的气孔形式存留在铸件中,因此,用传统压铸工艺生产出来的轮毂的最大缺点是内部含有大量的气体,降低了轮毂的疲劳抗力,且因内含气
38、体在热处理过程中会发生膨胀而使得铸件“起泡”,故无法用热处理来改善和提高轮毂的性能。同时,由于压铸缺乏长程补缩能力,轮毂轮辐一般不宜深加工(只限 1 mm),且轮毂的气密性也较差。针对上述问题,近年来开发了一些无气孔压铸新工艺,具有代表性的就是充氧压铸法和真空压铸法。图 3.1 和图 3.2 均为采用压铸方法生产的轮毂。图 3.1 压铸铝合金轮毂 图 3.2 压铸镁合金轮毂充氧压铸法是在充型前将氧气或其他反应性气体充入型腔以置换型腔内的空气,当金属熔体充填时,部分反应性气体通过排气槽排出,未排出的反应性气体与喷散的金属熔体发生反应,形成弥散在铸件内部的反应物颗粒,达到在消除气孔隐患的同时进一步
39、强化材料的目的。用充氧压铸法生产的铸件,内部含气量只有普通压铸法的 1/10,可进行固溶热处理和焊接。与传统压铸法相比,充氧压铸的铸件具有气孔报废率低、内部组织致密、抗拉强度和耐疲劳性能良好等优点,生产的汽车轮毂的气孔率较原来减少 15%,并可热处理强化。国外现已将该方法广泛用于铝轮毂的生产中。日本轻金属株式会社于 1983 年开始用此方法大批量生产轿车铝合金轮毂,较采用其他铸造方法生产的同类产品质量减少了 15%,机加工切削量由原来的 23 mm 减少到 0.75 mm,轮毂价格降低了 10%。美国铸锻公司于 1982 年开始用充氧压铸法生产汽车铝合金轮毂,代替了原来的低压铸造法,并使铝轮毂
40、的质量减轻了 18%。由于有较高的力学性能和较轻的质量,用充氧压铸法生产的铝轮毂用于紧急救援车和高速车辆是十分理想的。真空压力铸造方法在普通压力铸造的基础上,利用辅助真空设备将压铸型腔预抽真空,然后将金属熔体压铸成形。该方法可以消除铸件内部气孔,提高压铸件的力学性能和表面品质,并且铸件可以进行热处理强化,获得较好的力学性能。其缺点是机械密封结构复杂,制造及安装困难,使用成本较高,而且难以控制。真空压铸镁合金件与普17通压力铸件相比,铸件强度可提高 10%以上，韧度提高 20%50%,伸长率由 8%提高到16%。3.2.4 挤压铸造由于挤压铸造充型过程较为平稳,并且金属熔体在高压作用下以较高速度
41、凝固,获得的铸件内部组织致密、晶粒细小、外表光洁,可进行 T4,T5,T6 或 T7 等多种热处理,力学性能远高于低压铸造件(见表 3.1) 15。在铝合金轮毂生产中,挤压铸造设备投资略低于低压铸造,但由于采用高压,模具制造费用较高且使用寿命较短。表 3.1 挤压铸造与低压铸造铝合金轮毂的力学性能比较铸造方法 b/Mpa /% HB挤压铸造 321 7.2 109低压铸造 245 2.5 90目前,日本已经有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产。如丰田汽车公司拥有的全自动挤压铸造设备已超过 10 台,从浇注金属熔体到取出铸件的整个过程都由计算机来控制完成,自动化程度非常高,每台设备不到 2
42、 min 就可以生产出一件铝轮毂。现在挤压铸造在世界上是汽车轮毂的重要生产工艺之一。国内的挤压铸造摩托车铝合金轮毂首先由五二研究所在 20 世纪 90 年代初研制成功,并迅速在我国轮毂企业推广应用,但由于生产成本偏高及质量不稳定,在剧烈的价格竞争面前,采用挤压铸造工艺生产铝轮毂的企业正在逐渐减少。但是,就镁合金轮毂生产而言,由于镁合金较大的凝固收缩,挤压铸造不失为一种理想的轮毂成形工艺。图 3.3 为武汉理工大学与广东某企业开发的挤压铸造铝合金轮毂。图 3.4 为挤压铸造摩托车镁合金轮毂。采用这种新型挤压铸造工艺,不仅能够利用流动压力梯度实现熔体受控充型,防止熔体流与铸型型腔内存空气混合,实现
43、轮毂的无气孔、可热处理生产;还能在充型完成后建立从充型远端的轮辐向加压中心浇道的温度梯度,实现顺序凝固,消除镁合金轮毂中的凝固缩孔缩松和裂纹倾向 16。图3.3 挤压铸造汽车铝合金轮毂 图3.4 挤压铸造摩托车镁合金轮毂3.3 其他成形方法轮毂还可以用锻造、半固态模锻和半固态压铸成形。由于这两种方法不在本文讨论范围之内,故只简介如下。锻造法是轮毂应用较早的成形工艺之一,其最大的缺陷是生产工序多、生产效率较低、成本远高于铸造成形法。由于成本过高,用锻造工艺生产的轮毂一直限于小批量生产特殊用途轮毂(如高性能铝合金赛车轮毂和镁合金轮毂)的生产。半固态模锻是将半固态坯料加热到50%左右体积比液相的半固
44、态状态后一次模锻成形,以获得所需的接近成品零件尺寸的工艺。半固态锻件近净成形,机械加工量少,表面平整、内部组织致密、成形温度低、模具寿命长,力学性能高于低压铸造件。轮毂作为汽车摩托车上最为重要的安全性能部件之一,其生产方法多种多样且各具优缺点。但无论选择哪一种工艺方法,都要在保证其产品满足相关品质要求的前提下,用最少的投入换来最大的收益。表3.2给出了各种铸造方法经济指标的比较,表3.3则列出了以镁合金铸件为例的几种不同的铸造成形方法所生产的铸件品质的比较。表3.2 各种铸造方法经济指标的比较经济指标 金属型铸造 低压铸造 差压铸造 压力铸造 挤压铸造生产批量 小批成批 成批大量 成批 成批大
45、量 成批大量生产率 高 高 较高 最高 高准备周期 较长 较长 长 长 较长设备费用 中 中 较高 高 高工装费用 中 中 中 高 中造型费用 低 低 低 不需 不需19表3.3 几种不同铸造成型方法生产的镁合金铸件质量的比较注:A-好;B-良;C-中;D-差.3.4 本章小结本章主要介绍了轮毂成形的工艺特点，以及轮毂的几个主要成形方法和他们的优缺点。通过对本章的学习我知道了更多关于轮毂成形工艺的方法为后面的轮毂成形工艺打下了牢固的基础。对比指标造 金属型重力铸造 低压铸造 压力铸造 真空铸造 挤压铸造 半固态铸造循环时间 C C B C B D表面精度 B C A C A A卷入气体 D C
46、 D C A B缩孔 D D D D A A可热处理性 A A D A A A可焊性 A A D A A A第 4 章 轮毂成形工艺分析轮毂的铸造工艺有很多，最常见的有挤压铸造与低压铸造工艺。本章主要介绍两种工艺的性能特点及工艺参数。选择轮毂的铸造工艺方式，工艺方案的确定及模具的设计方案。轮毂生产的主要工序包括: 铸造、热处理、机加工及检验涂装。生产流程为:铸造固溶时效处理非加工表面清理机加工检验清洗和涂装。4.1 轮毂材料及性能特点现今的小轿车轮毂多为钢制和铝合金制，06年至08年国内汽车销量前三位的企业上海通用、一汽大众和上海大众，销量前三位的车型分别是一汽大众捷达、上海大众桑塔纳和上海通
47、用别克凯越，其中凯越车型的轮毂均为铝合金轮毂，捷达和桑塔纳部分车型为铝合金轮毂。由于AM91D镁合会具有优良的韧性和塑性，适合用于经受冲击载荷和安全性较高的场合。其力学性能及常用汽车轮毂材料的力学性能见表4-1。表4.1 轮毂材料的相荚力学性能对比合金牌号密度gcm 3弹性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比/MPab/MPa2.0/AM91D 1.8 45 17 0.35 250 160 7A356 2.7 72.4 26.9 0.33 262 179 3钢 7.86 200 83 0.30 517 400 2221由表可知，镁合金的抗拉强度、屈服点比钢低很多，与铝合金较接近，只略低于铝合金。
48、4.2 低压铸造的性能特点1、 主机机械结构 合型机构为四立柱导向，采用快速合型、慢速到位的合型方式，提高工作效率并减少对模具的冲击。静模板与机架采用刚性连接。上模板下部装有四根顶出杆，开型到位时，可将铸件从模具中顶出；合型缸座上部设置由气缸驱动的安全限位装置，在动模板行程范围内可防止动模板下滑；四个静模抽芯机构安装在静模板上，由四只油缸驱动，实现模具四侧垂直分型；机架采用焊接件式框架结构，直接与静模板刚性连接；自动安全防护门与光电保护装置设置在设备操作面，防止人体在设备运行时进入，确保操作者安全工作；取件机械手具有 X 轴、Y 轴及旋转三个运动自由度，保证取件时铸件不受损伤，并可正确判断铸件
49、是否落下； 2、 液压系统 液压泵、阀均采用进口产品，保证系统的可靠性；液压泵采用变量柱塞泵，保证系统恒压，流量自动调节，节约能源；各油缸运行速度均可单独手动调节；所有油缸的密封件均采用进口耐高温密封件； 3、 模具冷却系统机器可设置多路气冷、水冷冷却回路，可进行时间方式的冷却自动控制；冷却参数可在上位机设置修改。4、 保温炉采用熔池式保温炉。辐射加热，PID 控制。额定温度范围：680750，控温精度：5；保温炉固定在传动小车上，通过举升机构完成炉体的升降，由液压马达驱动完成小车的前后平稳移动； 5、 电气控制系统 电气控制系统采用上下位机的监控方式。采用进口 PLC 作为下位控制机，完成低压铸造机的主机顺序动作、液面加压及模具冷却等控制。采用进口人机界面或工控计算机作为上位机，完成低压铸造机的参数设置与修改，压力数据与曲线及机器工作状态与故障报警等信息的监控显示。上下位机的监控方式保证即使在上位机出现故障时，下位控制系统仍然能够根据预设的工艺参数自动运行，从而进一步提高了系统稳定
