镁合金轮毂真空高压铸造工艺 - 图文

重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

将超过10亿辆，中国创下了1927万辆的生产记录，占世界汽车生产总量的22.8%，如图1.4所示，预计到2015年全球轮毂的需求量在3亿左右。

当前汽摩铝轮毂正朝着高强度、大直径、轻量化、美观化的方向发展，目前我国已成为世界铝轮毂最大生产国，产量在1.3亿只-1.5亿只。摩托车铝合金轮毂产量占总产量的80%以上，近10年摩托车车轮产量及铝合金车轮产量情况如图1.5所示。

江苏荣镁轮毂有限公司自主研发的先进镁合金超塑模锻生产工艺生产了镁合

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图1.4 近5年中国汽车及汽车轮毂产量

Fig. 1.4 Auto production and car wheel production in the last five years

图1.5 近10年中国摩托车车轮产量及铝合金车轮产量

Fig. 1.5 Production of motorcycle wheels and aluminum alloy wheels in the last ten years

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金轮毂，经重庆新材料工程中心、国家机动车质量检测中心等国家检测部门检测，各项性能均合格，且单只轮毂同比铝轮毂减重40%，四只18寸的轮毂减重了26.4kg，经长城公司试用，该轮毂油耗比铝轮毂节油14%。

宁夏镁及镁合金研究设计院在DCC630压铸机上成功试制了镁合金电动自行车轮毂，并于2012年上半年，首批生产的4000件自行车赛车轮毂已装车运行。山西闻喜银光集团已在6000T锻压机上进行了16*6.5、17*6.5、18*6.5镁合金轮毂的试生产，并且按照国家标准检验合格。

2011年，重庆大学与广东宜安科技股份有限公司合作开发的运用抽真空技术和局部补压技术生产的镁合金摩托车轮毂，和原铝轮毂相比，服役安全系数从1.8提高到2.3，且减重了38%。

1.2.3轮毂有限元分析研究现状

七十年代开始，随着计算机的加速发展，有限元法得以广泛运用，尤其八九十年代开始迅猛发展，有限元分析根据试验标准进行静强度、弯曲疲劳分析、疲劳寿命模拟以及动力学分析，使轮毂结构分析步入到新的发展阶段[14]。

K.A.Ridha[15] 首次提出利用有限元法模拟分析轮毂，模拟整个轮毂结构的应力分布，并在此基础上确定了材料的优化分布。Miloslav、Riesner 等人[16]利用MSC/NASTRAN 对轮毂进行服役分析和结构优化分析。Fuchs 、Karandikar[17]给予疲劳寿命开发了一款名为FLIPS的轮毂疲劳寿命软件，通过此软件获得轮毂的疲劳寿命预计下限值，明确了轮毂高应力区部位。Stearns.J[18]分析了轮毂在径向疲劳载荷下轮胎与轮辋接触部位的应力分布云，根据分析可知应力分布基本服从余弦函数，将胎压分布于轮辋表面节点上。Konishi[19]利用有限元模拟轮毂在 30°冲击载荷下的破坏情况。

清华大学王霄锋等人[20]根据车轮动态弯曲疲劳试验所建立的汽车车轮静态加载的有限元模型，利用I-DEAS软件分析模拟出轮毂的Von Mises应力值及高应力区，并和静态加载试验的结果进行了对比，验证分析轮毂的有限元静态模拟对轮毂的结构性能分析是有效的。

浙江大学闫胜昝等人[21]针对车轮动态弯曲疲劳试验建立车轮结构在三种作用力(螺栓预紧力、离心力和试验弯矩)下的有限元模型,模拟出作用力对车轮结构应力分布的影响,以及动态弯矩作用下车轮结构的危险点和应力分布的变化情况。

重庆大学的龙思远教授等人[22]利用ANSYS软件分析出轮毂服役应力集中在轮辐与轮辋过渡圆角处，进一步分析出最大应力值和应力集中在一定范围内随过渡圆角半径的增大而减小,应力分布更趋平稳,提高轮毂的疲劳安全系数。

华南理工的臧孟炎等人[23]建立铝合金车轮 13°冲击试验的数值模型，使用非线性有限元动力分析软件 LS-DYNA 对铝合金车轮冲击过程进行仿真分析。该分

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析对车轮的前期设计开发具有重要的指导意义。

1.3 课题研究意义和内容

1.3.1 研究意义

随着时代发展，交通轻量化已成为降低环境污染、提高能源利用率发展趋势。车辆上应用如铝镁合金、复合材料等轻量化材料来减轻自重，这对于交通工具很是关键。目前，镁合金材料在政府的大力支持下迅猛发展着，在满足零部件基本功能及其强刚度要求的前提下车辆零部件越来越多地采用镁合金材料，充分发挥轻质、减振、抗疲劳等性能。

轮毂，作为汽车高速惯性运动部件，实现轻量化显著降低行驶能耗，达到节能减排目的，同时也推动镁合金的市场应用，但目前镁合金在市场的应用还有限，技术问题还需解决，尤其是铸造成型中存在的耐腐蚀性能差、高温强度低、抗蠕变能力低等问题，这些都已严重阻碍镁合金铸造产品的应用。因此，本课题基于镁合金的材料特性，通过三维造型及结构优化，利用有限元模拟出轮毂在不同工况下的应力分布，确定轮毂最终结构，基于卧式压铸机的真空高压铸造成型，设计模拟优化轮毂铸造工艺。

1.3.2 研究内容

本文以长安汽车某款轮毂为主要研究对象，在满足装配的前提下利用CATIA进行镁合金轮毂三维造型，根据乘用车车轮性能要求和试验方法建立有限元模型，对轮毂进行径向、弯曲疲劳分析以及冲击模拟。本文研究流程图如图1.6所示，具体内容如下：

① 镁合金轮毂实体造型设计：在不改变其形状和装配工艺的基础上，在满足铸造工艺的前提下，利用CATIA对镁合金轮毂进行三维造型；

② 建立轮毂在径向载荷作用下的有限元模型，分析得出轮毂在径向疲劳载荷作用下的应力分布云图，且将分析的最大应力与材料的屈服强度进行比较； ③ 以GB/T5334-2005的乘用车车轮试验方法为标准，建立轮毂在弯曲疲劳作用下的有限元模型，对车轮进行弯曲疲劳分析，动力学模拟仿真分析及其疲劳寿命预测；

④ 在GB/T 15704-1995轿车车轮冲击试验标准的指导下，将冲击块、轮毂及轮胎的三维模型导入到 ANSYS/LS-DYNA 中，模拟镁合金汽车轮毂的冲击过程，得出轮毂在冲击瞬态下的应力分布、冲击系统的速度、位移、动能变化曲线； ⑤ 根据各有限元分析结果，对不合理的局部结构进行结构优化，并进行数值模拟，使其满足各试验标准。

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轮毂三维造型 结 构 优化

汽车轮毂铸造工艺模拟 图1.6 本课题研究流程图 Fig. 1.6 Project flow chart

建立有限元模型 以径向疲劳试验为 准则进行静强度分析 弯曲疲劳分析 及疲劳寿命预测 不合格 合格 冲击系统的三维造型 结构优化 建立冲击系统有限元模型 不合格 以车轮冲击试验为准则进行动力学分析 合格 输出结果 8