1、镁合金汽车轮毂压铸模毕业设计 机电与车辆工程学院毕业设计 题 目： 镁合金汽车轮毂压铸模设计专 业： 车辆工程 班 级：姓 名：学 号：指导教师：日 期：镁合金汽车轮毂压铸模设计车辆工程专业 指导教师 摘要：本设计首先分析了汽车轮毂外形较大，深度较深的轮毂结构及工艺要求，通过pro/E软件对轮毂结构进行再设计，并采用挤压铸造成型技术，并详细说明了模具的分型面、浇注系统、冷却系统、推出机构的设计，以及压铸机型号的选择。利用镁合金材料AZ91D可以降低轮毂的重量，有利于整车的轻量化，可以一定程度上降低能耗，改善整车的加速及制动性能等优点。 关键词：镁合金轮毂;压铸模;pro/E;分型面;浇注系统;
2、推出机构引言当前汽车轮毂外形较大，深度深，中间孔径大，结构圆形对称，铸件强度和外观要求都很高，因此，铸件要求无气孔及不允许有疏松及裂纹等缺陷呢，而且产量大，采用传统的侧浇口或缝隙浇口所需压射比压较大，上下轮辐强度不一致，且残留的浇口影响外观。先采用中心进料系统，不仅减小了模具外形，而且铸件再充型、强度及外观等方面均取得了很好的效果。为推动镁合金在轮毂上的合理应用，本研究对镁合金材料的轮毂进行了工艺分析，优化轮毂结构，提高轮毂的使用安全性。1.压铸成型基础1.1压铸原理与金属填充理论高压和高速是压铸时金属液填充成型过程中的两大特点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。1.1.1压铸原理压铸是
3、将液态货半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在运动中的压射冲头作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法1。压铸时作用在金属液上的压射比压从几兆帕至几十兆帕不等，有事甚至高达500兆帕。金属液充填型腔时，浇口处的线速度达0.5-70m/s。充填的时间极短，一般为0.01-0.03s。铸造生产过程如图1-1所示。成品质检入库开模取样铸造成型合模模具预热模具设计制造模具试模安装产品工艺设计图1-1压铸过程是由压铸机来实现的，压铸机分热压式室铸机和冷压室压铸机两大类。 （1）热压室压铸机工作的基本原理热压室压铸机的压室通常浸没在坩埚的金属液中，如图1-2所示。压铸
4、过程中，金属液在压射冲头上升时通过进口进入压室，压射冲头下压时，金属液沿着通道经喷嘴充填压铸模型腔，待金属液冷却凝固成型后，压射冲头上升，此时开模取出铸件，完成一个压铸循环4。图1-2热压室压铸机压铸过程示意图1金属液 2坩埚 3压射冲头 4压室5进口 6通道 7喷嘴 8压铸模（2）冷压室压铸机工作的基本原理 冷压室压铸机的压室与保温坩埚是分开的，压铸时由人工用料勺从保温坩埚内勺取金属液浇入压室后在进行压铸。根据压铸模与压室的相对位置不同，冷压室压铸机又可以分为立式、卧式、全立式三种4。 立式冷压室压铸机的基本原理。压室与压射机构处于垂直位置，浇入压室的金属液被返料冲头托住，以防止金属液流入型
5、腔。当压射冲头下压快要接触金属液面时，返料冲头突然下降让出喷嘴入口，金属液在压射冲头的作用下充填型腔并使压铸件在压力下冷却凝固。压射冲头在完成金属液充填型腔并保压后返回。返料冲头上升切断余料并将其推至压室的上沿，以便去除余料。最后返料冲头返回，动定模分开，取出压铸件，完成一个压铸循环。卧式冷压室压铸机的基本原理。压室与压射机构处于水平位置，压铸过程中，金属液从加料口浇入压室，压射冲头向前运动，推动金属液使之经浇道充填模具型腔。金属液在压力下冷却凝固，然后开模，取出带着浇注系统和余料的压铸件，完成一个压铸循环。全立式冷压室压铸机的基本原理。全立式冷压室压铸机的合模机构和压射机构垂直布置。它又分上
6、压式和下压式两种。上压式压铸机的压铸过程是先加料后合模，然后压射冲头由下向上运动将金属液通过浇注系统压入型腔。下压式压铸机的压铸过程是合模后，将金属液浇注入压室中，依靠下冲头底部弹簧弹力，由下冲头托住金属液，防止其在重力的作用下流入型腔。当上冲头下压时，通过金属液推动下冲头，下冲头下降，让出浇道，金属液在上冲头的压力作用下充填型腔。1.1.2金属充填理论 当金属液在压力作用下进入型腔，喷射的金属流未撞击对面型壁之前，其保持初始的方向及截面形状。撞击型壁后，该处金属液将形成扰动的聚集区。继续充填，则扰动明显增加。先期撞击型壁的金属液流束从聚集区沿型壁向浇口方向折回，折回的金属液量与金属流束的截面
7、大小、速度及金属液的黏度有关。在折回的过程中由于与型壁摩擦及热量损失，损耗了能量，从而使流束减慢下来，以致聚集区的金属液超过了往回折的金属液。因此在返回充填型腔的过程中，产生剧烈的涡流现象。三阶段充填理论是1994年由巴顿提出来的。巴顿认为：充填过程是包括力学、热力学和流体力学因素在内的复杂过程。充填过程可分为三个阶段。第一阶段：金属液以接近内浇口横截面的形状进入型腔，首先撞击到对面的型壁，在该处沿型壁向型腔四周扩展后返回浇口，在金属液流过的型壁上形成铸件的外壳。第二阶段：随后进入的金属液沉积薄壳层内，并继续充填，直至充满。第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过余料中心部分尚未凝固的金属液的
8、传递而起作用在铸件上。巴顿还认为，充填过程的三个阶段对铸件质量所起到的作用是不同的。第一阶段是影响铸件的表面质量，第二阶段是影响铸件的硬度，第三阶段是影响铸件的强度1,4。1.2压铸的特点与其他金属成型工艺相比压铸有其自身的特点。1.2.1压铸的优点 （1）压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度较低。尺寸精度可达IT11-IT13级，有时可达IT9级。表面粗糙度达Ra0.8-3.2um，有时达Ra0.4um，产品互换性好。 （2）材料利用率高。由于压铸件具有尺寸精确、表面粗糙度值低等优点，一般不再进行机械加工而直接装配使用，获加工量很小，只需经过少量机械加工即可装配使用，所以既提高了技术利用率又减少了
9、大量的加工设备和工时，其材料利用率约为60%-80%，毛坯利用率达90%。 （3）可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。因为熔融金属在高压高速下保持高的流动性，因而能够获得其他工艺方法难以加工的金属零件。 （4）在铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件，以节省贵重材料和加工工时。这样既满足了使用要求，扩大产品用途，又减少了装配工作量，使制造工艺简化。 （5）压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。因为液态金属是在压力下凝固的又因充填时间极短，冷却速度极快，所以在铸件上靠近表面的一层金属晶粒较细，组织致密，不仅使表面硬度提高，并具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。压铸件抗拉强度一般比砂型铸造提高25%
10、-30%，但伸缩率有所下降。表1-3给出了不同铸造方法时铝合金和镁合金的力学性能。表1-3不同铸造方法铝镁合金的力学性能合金力学性能压力铸造金属型铸造砂型铸造抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度铝合金200-2201.5-2.286140-1700.5-1.065120-1501.0-2.060镁合金1901.5-150-1701.0-2.0- （6）生产率极高。因为压铸生产易实现机械化和自动化操作，生产周期短，效率高，可适合大批量生产。在所有的铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法3。1.2.2压铸的缺点 （1）压铸件常有气孔
11、及氧化夹杂物存在。这是由于压铸时液体金属充填速度极快，型腔中气体很难完全排除所致，从而降低了压铸件质量。另外，高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡，因此，压铸件一般不能进行热处理，也不宜在高温下工作。 （2）不适合小批量生产。其主要原因是压铸机和压铸模费用昂贵，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。 （3）压铸件尺寸受到限制。因受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制而不能压铸大型压铸件，对内凹复杂的铸件，压铸生产也较为困难。 （4）压铸合金种类受到限制。由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点合金（如黑色金属）压铸模寿命较低，难于用于实际生产。目前，用来压铸的合金主要是锌合金、铝合金、镁合金及铜合金
12、3,4。1.3压铸的应用范围及发展前景1.3.1压铸的应用范围压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造方法。由于上述压铸的优点，这种工艺方法已广泛地应用在国民经济的各行各业中。压铸件除用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外，还广泛应用于家用电器、农机、无线电、通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机、纺织机械等行业。其中汽车和摩托车制造业是最主要的应用领域，汽车约占70%，摩托车约占10%。目前生产的一些压铸零件最小的只有几克，最大的铝合金铸件达50kg，最大的直径可达2m。1镁合金压铸件过去应用很少，曾用于林业机械中，不到1%。但近年来随着汽车工业、电子通信工
13、业的发展和产品轻量化的要求，加之近期镁合金压铸技术日趋完善，从而使镁合金压铸件市场受到关注9。目前在世界范围内已经形成有一定规模的汽车行业、IT行业、基础机构件的镁合金生产群体，镁合金压铸件的应用逐渐增多，其产量有明显增加，并且预计将来还会有较大发展。1.3.2压铸的应用前景及发展我国压铸生产从压铸机质量和先进技术的综合水平以及生产效率来看，与压铸生产先进国家相比还有一定的距离，不过随着汽车、航空、仪表等制造业的发展，压铸生产技术将随之有一个大发展。目前，国内压铸机厂正致力于20000KN和28000KN压铸设备的研制、完善和投产工作，这标志着我国大型压铸机的设计、制造技术已具备国际水平10。
14、同时，对压铸工艺参数测试技术与装置进行了探讨和研制，开展了压铸基础工艺参数对合金性能的影响的研究，建立了新的压铸合金系列并扩展了新牌号的压铸合金11。今年来，压铸的飞速发展得力与汽车和摩托车、电子通信、家用电器等行业的高速发展，这几个行业是压铸件的主要用户。迄今，压铸技术已经在我国形成了自己的体系，并正在稳步发展之中10。今后发展的主要趋势应该是：（1）进一步提高压铸模寿命，降低成本，以解决黑色金属压铸问题。（2）镁合金是近几年国际比较关注的合金材料。对镁合金研究开发特别是镁合金压铸、挤压铸造、半固态加工等技术将得到进一步的研究和应用。（3）计算机在压铸中的应用是提高压铸技术水平的重要途径。计
15、算机技术将在压铸中得到多方面的应用，例如金属液充型的计算机模拟研究由高压住在转向半固态压铸过程；低压铸造过程的冲型模拟研究；利用CAD进行压铸模具设计，提高设计速度和设计精度；开发具有压铸模浇注系统的CAD设计软件等。（4）研究开发新型压铸机，生产更大的压铸件。41.4压铸合金 压铸合金、压铸模、压铸机是压铸生产的三要素12。要获得优质的压铸件出了要求压铸件的结构合理，压铸模设计合理、制造精确，压铸机性能优良之外，还要有压铸工艺性能的合金。1.4.1压铸合金的性能要求并非任何性能的合金都能用来生产压铸件，用于压铸生产的合金其性能有两方面的要求，一是在压铸件成型时有良好的成型工艺性，二是成型后的
16、压铸件能满足产品的使用要求。因此，用于压铸生产的合金应具有一下性能:(1)结晶温度范围小，以防止压铸件产生缩孔和疏松缺陷。(2)具有良好的流动性，有利于成型结构复杂、表面质量好的压铸件。(3)线收缩率小，可降低铸件产生热裂的倾向并易于获得尺寸精度较高的铸件。(4)高温时有足够的热强度和可塑性，高温脆性和热裂倾向小，防止推出铸件时产生变形和开裂。(5)在常温下有较高的强度，以适应大型薄壁复杂压铸件的使用要求。(6)具有良好的加工性能和一定的抗腐蚀性能。(7)成型过程中型壁产生物理-化学反应的倾向小，防止黏膜及相互合金化以延长模具寿命。1,4在满足使用性能的前提下，选用压铸合金时尽可能考虑工艺性能
17、优良的合金。目前得到广泛应用的压铸合金是有色金属,通常有色压铸合金分高熔点压铸合金和低熔点压铸合金两大类,前者有铝合金、镁合金和铜合金，后者有铅合金、锡合金和锌合金12。1.4.2镁合金镁合金的比重是各种压铸合金中最小的（仅为1.76-1.83g/cm3),是铝合金的2/3左右。镁合金的强度高，屈服极限低于铝合金，承受载荷的能力稍差。但在承受冲击载荷时有较大的冲击韧性3。镁合金在常温和低温下（-196）都有良好的力学性能。镁合金与铁的亲和力小，故发生粘模现象较少，模具寿命长。铸件尺寸稳定，且有良好的切削加工性能。镁是一种非常活泼的元素，易燃烧，镁合金在熔炼和压铸过程中易被氧化，给生产带来较大的
18、困难，并且镁合金压铸件易产生缩松和热裂缺陷，抗蚀性能较低15。由于镁有以上的特点，故常用于重量要求轻，但又有一定强度的零件。如航空工业、汽车发动机零部件、室外移动设备的零部件以及在低温下工作的零件。当前我国用于压铸的镁合金只有5号铸造用镁合金，其化学成分及力学性能见表1-4。表1-4 压铸镁合金化学成分及力学性能合金牌号合金代号主要化学成分杂质（不大于）热处理状态力学性能用途AlZlMnMgFeSiNiCu杂质总量抗拉强度延伸率5号铸镁ZM57.5-9.00.2-0.80.15-0.5其余0.080.250.010.10.5淬火和完全时效150/230/240252制造动载荷零件 另外，镁合金
19、又具有熔点低，凝固快、凝固收缩小、不腐蚀钢质模具等特点，这决定了其良好的压铸性能，故镁合金压铸件的应用正在逐渐扩大。1.5镁合金轮毂的应用近二十年来，世界汽车、摩托车工业面临着越来越严重的三大问题，即能源、公害和安全。汽车、摩托车技术的发展主要围绕这三大问题进行，各国政府也先后制订了能源保护、废气排放、降低噪音及安全保障的法规。其中能源问题最为突出，近两年来汽油价格不断上涨，极大的暴露了我国石油能源的紧缺，节能成为汽车、摩托车工业发展的核心问题。因此近年来世界各主要汽车公司从争夺市场的战略考虑，在注意美化外观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源需求的紧张状况，减
20、轻环境污染、降低综合费用、这是现代汽车工业的发展趋势。1.5.1汽车上使用镁合金有以下优点： （1）减小轮毂力矩，提高车辆操控性、加速性能及刹车性能； （2）减轻汽车重量，达到降低能源消耗，保护环境的目的； （3）优良的导热性能，避免长时间行驶时发生爆胎； （4）弹性模量较低，受力时应力分布较均匀，适宜在高低不平的路面行驶； （5）良好的阻尼性，增加车辆行驶的平稳性；161.5.2国内外镁合金轮毂的应用 （1）国外镁合金轮毂的应用目前在汽车业中，镁合金轮毂除了在赛车上应用较多外，在各大汽车厂推出的概念车上也配备镁合金轮毂，但是在批量生产的车型中应用却不多。目前使用镁合金轮毂的汽车公司及其车型。
21、其中通用的CorvetteC5车型标配为铝合金轮毂，但同时也提供Dymag公司生产的铸造镁合金轮毂给消费者选用。除此之外，在轮毂的零售市场上有适合Hyundai、Citroen、Mazda、MitsubishiBMW、Audi、Mercedes、Volvo等车型的镁合金轮毂供用户选用，但目前其价格比铝合金轮毂高约一倍10。汽车上的应用固然是镁合金轮毂的一个重要领域，但不能忽视其在摩托车和自行车上的应用。在摩托车行业，将近九成的赛车用摩托车都采用镁合金轮毂，不仅如此，镁合金轮毂的应用车型还扩展到运动型摩托车、轻便型摩托车、概念型摩托车，覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌，其中仅英国的Dymag轮毂就
22、应用多达400种车型11。 （2）国内镁合金轮毂的应用 镁合金轮毂用于汽车、摩托车、自行车有其独到的优点，因此镁合金轮毂在车辆工业的应用量必然会迅猛增长。研究开发适合镁合金轮毂的成形工艺势在必行。随着汽车轻量化、节能和环保的要求的日益增强、及原镁价格的日趋合理，镁合金压铸汽车零部件在欧美、日本等发达国家汽车工业中的应用出现了持续快速增长势头。在欧美国家中，各国的汽车厂商正以汽车镁合金用量来作为车辆技术水平的标志。各国汽车生产厂纷纷投资入股镁原料生产企业，目的是控制稳定的价格和数量供应，这将进一步推动镁合金在汽车业的扩大应用。在我国，重庆镁业开发出了LX150镁合金绿色概念摩托车，其中有12个零
23、部件采用镁合金材料，包括摩托车前后轮毂、发动机曲轴箱体、箱盖、尾盖及后扶手等。整台摩托车镁合金用量是12公斤，总减重6公斤左右。在2003年9月同铝合金摩托车对比进行路况试验，结果表明，镁合金摩托车百公里耗油2.827L，铝合金摩托车百公里耗油3.243L，两车相比前者百公里节油约0.416L，油耗降低10%左右。同时，CO、HC和NOx的排放限值可达到并超过欧洲号排放标准。另外，从颠簸损坏的程度来看，镁合金摩托车也较铝合金摩托车损坏少，这同镁合金材料的轻量化特点以及镁合金轮毂优良的减振性能有密切的联系。11我国台湾也有不少厂商从事镁合金轮毂的开发研究，如仪铭东工业股份有限公司于2000年开发
24、出了适用于自行车及电动自行车的镁合金焊接轮毂、远东机械则有三种规格的镁合金轮毂。北京首特钢远东镁合金制品有限公司推出近20款采用镁合金材料的自行车。自行车轮毂占整车重量比重较大，因此在自行车上采用镁合金轮毂前景广阔。目前，镁合金压铸件已在通用、奔驰、福特、大众、克莱斯勒、菲亚特阿尔法等公司生产的汽车上投入实际应用。1.5.3我国未来镁合金轮毂市场镁是地球上储量最丰富、最轻的金属元素之一，是地球上第八富有的元素，其在地壳中的含量大约为1.93%，海水中的含量约为0.13%，排在C和Na之后居第3位10。镁的主要矿藏形式白云石、菱镁矿、盐湖卤水等资源，我国的蕴藏量世界第一，据测算可开采数千年。海水
25、镁更是名副其实的无限资源。镁铝合金轮毂使汽车质量减轻、油耗量减少，排出废气减少，且能降低噪音减轻振动和铸造精度高等优点，综合经济效益好。国际上把单车用镁合金量作为汽车先进性的重要标志之一，欧美发达国家镁合金用量已由3-6公斤向6-15公斤升级。与此相比，我国差距就显得很大。为此，加快镁合金轮毂的产业化，已成为国家的资源优势转化为技术、经济和竞争优势的重大战略需求。2.轮毂压铸模设计2.1镁合金汽车轮毂三维造型2.1.1汽车轮毂设计的一般原则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。（1）起模方便，在起模方向上留有结构斜度。主要铸
26、造斜度（拔模斜度）。（2）铸件的壁厚尽可能均匀，以减少和消除应力，防止缩孔和裂纹缺陷的产生。外形尺寸的确定铸件的最小壁厚=57mm，其平均壁厚为6mm，汽车轮毂的受阻收缩比例0.8%1%。（3）铸件的转角处要留有铸造圆角，以防止裂纹、缩孔。铸造内外圆角R=2mm。（4）要有合理的铸件壁厚，其最薄的部分应保证金属液体充满。1,42.1.2汽车轮毂的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。根据下图2-1汽车轮毂的实体模型确定轮毂的尺寸参数，利用pro/E
27、软件绘制出轮毂的三维实体图形。汽车轮毂由轮圈、轮辐、风孔等组成。 图2-1汽车轮毂实体模型的剖视图2.1.3基于pro/E轮毂实体建模运用pro/E 4.0绘图软件，选择右边工具栏的草绘命令，选择绘制平面和参考平面，按照轮毂实际模型的测得尺寸绘制图2-2所示的轮毂草绘图，绘制好后，点击右下角的完成按钮，再左击旋转命令，选择一个旋转轴线作为旋转轴，输入旋转角度3600，得到图2-3所示的轮毂三维模型。图2-2轮毂草绘图图2-3轮毂三维模型2.2对汽车轮毂进行结构分析和选择分型面2.2.1对汽车轮毂进行结构分析在设计汽车轮毂压铸模之前，首先应该对汽车轮毂进行结构分析，在可能的情况下，使汽车轮毂更加
28、符合压铸工艺要求。在满足轮毂结构强度的条件下，宜采用薄壁结构。这样不仅可减轻轮毂的重量，也减少了模具的热载荷。轮毂壁厚应均匀，避免热节，较少局部热量集中，降低模具材料的热疲劳。压铸件的最小壁厚和适宜壁厚见表2-4。轮毂的所有转角处，都应当有适当的铸造圆角，以避免相应部位形成棱角，使该处产生裂纹和塌角。如此，我所设计的轮毂最小壁厚是8mm，最大壁厚为16mm。在需要铸造圆角的边缘都有相应的圆角，有效地避免了热量集中。表2-4正常壁厚及最小壁厚 (单位：mm)壁的单面面积锌合金铝合金镁合金铜合金壁厚h最小正常最小正常最小正常最小正常250.51.50.820.820.81.525-10011.81
29、.22.51.22.51.52100-5001.52.21.831.8322.550022.52.542.542.53轮毂上应尽量避免窄而深的凹穴，以免使模具的相应的部分出现尖辟，使散热条件恶化而产生断裂。最后，分析轮毂上的尺寸精度用压铸方法加工能否达到，若不能达到，则应留加工余量以便后加工。压铸件能达到的尺寸精度见表2-51。机械加工余量见表2-64。根据下表，轮毂的精度选为12级，在结构设计上没有窄而深得凹穴。同时，轮毂上的精度等级用压铸方法能够达到，故不用留相应的加工余量。表2-5压铸件的尺寸精度压铸件的材料压铸件空间对角线长度/mm0-5050-180180-5005000-5050-
30、180180-500500可能达到的公差等级（GB/T1800-1997)配合尺寸公差等级（GB/T1800-1997)锌合金891011121310111213-铝合金1011121312131112131414镁合金1011121312131112131414铜合金111213141213121314-表2-6机械加工余量 （单位：mm） 尺寸0-3030-5050-8080-120120-180180-260260-360360-500加工余量0.30.40.50.60.70.81.01.22.2.2选择轮毂模具的分型面 压铸模的动模与定模的结合表面称为分型面。分型面的选择是压铸模设计中一项重要内容。分型面的确定对压铸模结构和压铸件质量将产生很大的影响。按照分型面的形状，分型面一般可分为平直分型面、倾斜
