節(jié)能逐漸作為摩托車及汽車技術(shù)發(fā)展的核心部分,。為此近些年來全球各大汽車集團(tuán)公司為了爭(zhēng)取市場(chǎng)，不但越來越美化外觀,，而且著重降低燃油消耗量及提高汽車的性價(jià)比,，這是現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

利用鎂合金輪轂設(shè)計(jì)有如下優(yōu)勢(shì)：①降低汽車自身重量,，以達(dá)降低能源消耗,，提升環(huán)保的效果；②增強(qiáng)剎車,、加速等車輛操控性能,；③阻尼性好,，增強(qiáng)車輛平穩(wěn)性；④導(dǎo)熱性好,，以免長時(shí)行駛產(chǎn)生爆胎現(xiàn)象,。

本文使用鎂鋁合金使輪轂輕量化，利用pro/E 軟件對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì),，使用擠壓鑄造技術(shù),。利用有限元分析并模擬鎂合金工藝數(shù)值，改進(jìn)鑄造工藝和模具設(shè)計(jì),，規(guī)避太多的模具修改,，使新品研發(fā)周期縮短，試模經(jīng)費(fèi)降低,。

1 ,、汽車輪轂?zāi)Ｐ蛯?shí)體設(shè)計(jì)

使用Pro/E 軟件對(duì)實(shí)體完成圖1（a）旋轉(zhuǎn)截面的設(shè)計(jì)并建立了回轉(zhuǎn)中心線，圖1（b）為設(shè)計(jì)的實(shí)體模型,。

2,、擠壓鑄造鎂合金輪轂的數(shù)值模擬

2.1 模擬前期處理

輪轂材料使用AZ91D，模具材料使用H13 鋼,，在材料參考中可查出這兩種材料具體的物理參數(shù)。通過反復(fù)模擬分析結(jié)果對(duì)比擬定各工藝參數(shù)如下：鑄型起初溫度是300℃,，澆注溫度是680 ℃,，沖頭壓射速率是0.7 m/s，保壓壓力為80 MPa,，在金屬徹底充滿型腔后,，將壓力在85 ms 內(nèi)快速增大到100MPa。

2.2 有限元分析

ANSYS 包含多種的網(wǎng)格劃分方式,，劃分精度屬于8 級(jí),。總共包含了4 988 040 個(gè)單元,。AZ91D 物理性能參數(shù)分別為密度ρ=1 680 kg/m3,， 比熱容c=1.3kJ/kg·k，液相線溫度θ=595℃, 固相線溫度θs=470℃,潛熱H=373 kJ/kg,，熱傳導(dǎo)系數(shù)k=90 W2/m.k,。計(jì)算中采用的鎂合金液澆注溫度為700℃，模具初始溫度為300℃,，澆注速度為0.7 m/s,保壓時(shí)間為40 s,。鎂合金輪轂的整個(gè)填充過程在5 s 內(nèi)完成各時(shí)間的填充狀態(tài)和溫度場(chǎng)分布如圖2。

從圖2可看到,，先是鎂合金液穩(wěn)定地從澆口進(jìn)入且填充輪轂輪芯部分,，再慢慢地注入至每個(gè)輪輻中,。于1.03 s 時(shí)合金液抵達(dá)輪轂和輪輻交接處，于2.52 s 時(shí)處于各輪輻頂端間的鎂合金液匯合一起,，此刻溫度處于640℃上下,，鎂合金前端部分屬于完全流動(dòng)狀況。于3.95 s 的時(shí)候鎂合金液前端抵達(dá)輪轂頂端位置,，而且輪轂被完全充型,，這時(shí)候上端合金液溫度是590℃上下，處在可流動(dòng)狀況故不會(huì)出現(xiàn)冷隔缺陷和欠鑄,，輪轂下端位置合金溫度是630 ℃上下,，上下端溫度差大概50℃，當(dāng)填充結(jié)束尾段,，輪芯上方的合金溫度依然與澆注溫度（690 ℃） 相接近,。

從輪轂填充分析過程總可看到：因?yàn)榇嬖谟邪疾郏援?dāng)合金液體前端抵達(dá)輪輻中央處的時(shí)候,，導(dǎo)致輪輻中部液體流動(dòng)速度變慢,，處于凹槽里的氣體或許會(huì)受到兩端的液體包圍，未能及時(shí)逃逸以致凝固過程中出現(xiàn)氣孔缺陷,。

3,、輪轂壓鑄缺陷分析及消除

3.1 缺陷分析

根據(jù)以上鎂合金通過低壓條件下鑄造過程，結(jié)合模擬分析,，可看出存在可能產(chǎn)生縮孔及氣孔的缺陷,。氣孔的成因通常包括兩種，第一種是處于填充過程時(shí)氣體被卷入而產(chǎn)生外形比較規(guī)則且內(nèi)表面光滑光亮的空洞,；第二種則是合金精煉不夠抑或熔煉錯(cuò)誤,，氣體在合金當(dāng)中溶解，壓鑄的時(shí)候很快凝固,，而溶解在金屬內(nèi)部的氣體不能及時(shí)析出,，導(dǎo)致金屬內(nèi)的氣體滯留于鑄件內(nèi)最終形成了空洞。解決方法為：改變輪輻的結(jié)構(gòu)及降低澆注速度,。

從整體上看輪輞部位依舊不屬于同步凝固,，每個(gè)輪輻之間的凝固要比對(duì)應(yīng)的輪輻的凝固要早，不過由于澆注速度的減低,，對(duì)應(yīng)每個(gè)輪輻的部位卻能同步凝固,，未能產(chǎn)生液體孤島，則避免了在輪轂處出現(xiàn)縮孔缺陷,，而各自輪輻和輪轂會(huì)接處出現(xiàn)的熱節(jié)仍然存在,，因此模具此處的冷卻性還要逐步改良，以免出現(xiàn)縮孔缺陷,。

3.2 缺陷消除優(yōu)化

依據(jù)以上分析缺陷消除優(yōu)化方法如下：增加冷卻系統(tǒng)：為使輪輞端部實(shí)現(xiàn)同步降溫避免產(chǎn)生縮孔缺陷,，在輪輞端部增設(shè)冷卻系統(tǒng),。延緩注射速度：把原來注射速度延緩到0.5 m/s。合理提升模具溫度,，確保導(dǎo)熱均勻,。提升合金液溫度：把合金液原始溫度增加至850℃。調(diào)整澆口尺寸,。這里設(shè)置充型速度為0.5 m/s,，鑄液溫度850℃，模溫400℃,；優(yōu)化工藝后充型過程如圖3,。

從上面模擬程序?qū)Ρ瓤芍湫退俣仁?.5 m/s時(shí)金屬液體充型都相對(duì)平穩(wěn),。速度均勻時(shí),，于充型全過程中，會(huì)接處液體速率差別小,，避免互相沖擊出現(xiàn)紊流,，并且穩(wěn)定的變化率小，鑄件溫度隨著溫度梯度及冷卻率降低而分布越均勻,，則在結(jié)晶形成過程中形成粗大晶粒機(jī)會(huì)降低,，對(duì)提高鑄件質(zhì)量有良好作用。從充型速度場(chǎng)得出,，合金熔液能平穩(wěn)進(jìn)行充型,，所以說最佳充型速度是0.5 m/s。

3.3 充型溫度場(chǎng)和凝固過程優(yōu)化分析

通過擠壓澆注充型鑄造鎂合金輪轂的過程可知,金屬液通過中心澆道注入輪輻,，再隨著輪輻對(duì)型腔開展填充。合金液起初于輪轂下方會(huì)接處融匯,，在此處開設(shè)溢流槽,，能將前沿含氣多、雜質(zhì)多,、質(zhì)量差和溫度低的合金液流充分收集,，再通過層疊法進(jìn)行充型，將氣體不斷向上趕,，而后進(jìn)入輪轂邊的溢流槽,。在充型的全過程中，充型狀態(tài)佳,，合金液體速率穩(wěn),，溫度變化小，當(dāng)型腔完全充滿后,，鑄件溫度仍然均勻分布,。

從圖4 可以看出,，在固定壓力條件下將鑄件保壓凝固，鑄件快速凝固且平穩(wěn),，同時(shí)溫度均勻分布,。鑄件的凝固過程最初是澆道，于填充過程未段合金液體前端部分的溫度處于600℃上下,，還屬于流動(dòng)狀態(tài),，雖然澆注速度漸漸下降但輪轂上端并未出現(xiàn)欠鑄及冷隔現(xiàn)象，大體上完成了輪緣,、輪輻和輪轂澆口的依次凝固,，有助于傳遞壓力，很好地對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,，令鑄件關(guān)鍵部位免于出現(xiàn)澆不足,、縮孔或縮松等缺陷，生產(chǎn)出致密,、組織均勻且偏析少的鑄件,。

4、結(jié)論

應(yīng)用pro/e 軟件完成了汽車輪轂?zāi)＞叩膶?shí)體設(shè)計(jì),，對(duì)其進(jìn)行了三維造型檢測(cè),，確定采用層切面法，設(shè)置層數(shù)10 和偏距20 mm,， 建立了鎂合金輪轂鑄造模具的有限元模型,，完成各時(shí)間的填充狀態(tài)和溫度場(chǎng)分布模擬，對(duì)卷氣缺陷,、凝固缺陷進(jìn)行了有限元分析完成了初始冷卻水道設(shè)計(jì),、冷卻水道改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了澆口尺寸修改和充型速度后充型速度場(chǎng)有限元分析,。