镁合金轮毂铸造工艺分析及低压铸造模具设计

曹志娟

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨150066

摘要：本文通过分析镁合金轮毂主要成形工艺以及拟试制的镁合金轮毂特点，确定了采取低压铸造工艺试制镁合金轮毂。其中试制的镁合金轮毂低压铸造模具设计主要包含金属外形、覆膜砂芯等，根据分析结果表明，增加模具壁厚可以提升镁合金轮毂的冷却速度。

关键词：镁合金轮毂；铸造工艺来分析；低压铸造模型设计

轮毂是保证行车安全的主要结构部件，其质量和稳定性不仅关系着车辆人员和物资安全，同时对于车辆行驶期间的稳定性和舒适度有着一定的影响，面对这一现状，就要求轮毂具备强度性能好、尺寸形状精度性高，阻尼降噪等一系列优点，而铝合金也恰恰具备这一优点，因此，可以将其作为轮毂材料。

1镁合金轮毂铸造工艺分析

1.1重力铸造

采取重力铸造工艺生产轮毂，具备制造工艺简单、生产效率高以及投资成本少等优点，但是由于外加压力，为了获得致密铸件，一般需要利用冒口补缩，所以重力铸造轮毂的浇冒口比较大，工艺出品效率低。再加上镁合金材料密度比较小，自身重力轻，无法获取较好的强度，所以使用的金属质量是铸件质量的多倍左右，这样一来就相当于很大一部分金属遭到浪费，所以，从实际情况来看，砂型重力铸造比较贵重，仅仅适合进行小批量生产。金属型重力铸造适合批量生产。

1.2压铸

采取压铸工艺生产轮毂，具备生产效率高，尺寸精度好以及表面粗糙度低等一系列优点。可是因为高压射流卷入的气体和夹杂弥散分布在铸件中，所以压铸轮毂无法通过热处理来提升强度，而且伸长率较低，在使用期间经常受到一些因素的影响，自身可靠性有待提升。要想提升轮毂的使用性能，减少生产成本输出，可以采取AM60B铸造镁合金和压铸工艺研制轮毂等运动部件。轮毂自身的尺寸比较大，模具型腔采取一模一样，浇注系统是中心浇注，只有主流道，没有分流道。

1.3低压铸造

低压铸造由于可以采取顺序凝固或者顺序凝固以及同时凝固共同使用，所以比较适合应用于制造壁厚不均匀的轮毂中。和压铸相比较而言，低压铸造的缓慢充型能够消除铸件内部的气孔。和金属型铸造相比较而言，低压铸造的压力下结晶能够获得良好的补缩效果。采取低压铸造工艺生产轮毂，充型速度和凝固过程中的压力得到了有效调整，金属材料利用效率逐渐上升，一般高于90%，铸件组织致密，力学性能较好。低压铸造工艺被广泛应用到了生产铝合金轮毂中，同时也适合应用到生产镁合金轮毂中。从上个世纪80年代开展，国外相继开发出了先进的镁合金金属型低压铸造装置，这一装置主要是由熔炼炉、铸造炉以及压铸机三种结构组建而成，通过采取虹吸管输送金属液来工作。其中采取低压铸造工艺制造镁合金轮毂具有很大的优点，主要体现在以下几点：

镁合金液在压力下充型，从而增加了流动性，能够防止镁合金液的冲击，充型良好。

在较大压力作用下，镁合金液才会结晶和凝固，轮毂力学性能良好。

防止镁液氧化的措施便于实施，可以将防止氧化的覆盖剂洒到镁液面上面。因为镁液是依靠升液管进行输送的，所以覆盖剂或者其它类型的杂物不会进入铸型中去，同时，也可以在浇注前期阶段，向模具中充填惰性气体，以免模具中的镁合金液出现氧化情况。

自身具备较高的工艺出品率。

可以实现自动化发展方向。

1.4挤压铸造

采取挤压铸造工艺生产轮毂，效果明显，这一工艺具备铸造简单方便、成本低以及安全性能好等一系列优点。我国挤压铸造铝合金轮毂，一般是使用液压缸的顶出缸，将其当做压射缸使用，它的充型速度位于压铸和低压铸造两者中间，但是从实际情况来看，比压还是无法满足挤压铸造要求，和国外采取的挤压铸造相比较有很大的不一致性。不管是国内，还是国外，都针对挤压铸造镁合金轮毂方面的工作加大了研究力度，比如在日本某机器公司LEOMACS系统中，特点是将挤压铸造和低压铸造相互联系在一起，从而生产出形态复杂的薄壁镁合金铸件，利用挤压铸造和电磁传输技术生产出镁合金轮毂，进而将其良好的应用到轿车里去。国内研制了一种新型工艺，是镁合金轮毂的挤压铸造技术，特点是通过采取加热浇管封闭定量浇注，将镁合金液和外界有效隔离起来，从一定程度上解决了镁合金液浇筑期间出现的氧化和降温等现象。采取低压充型和高压凝固分离方式，可以有效提升工艺出品率。国内根据镁合金汽车轮毂生产品的结构特征，在遵循铸造工艺要求的基础上，设计出浇注式挤压铸造工艺。镁合金液是从中心浇注口进去，然后进到轮辐中，在分流锥作用力因素下逐渐朝着周围轮辐扩散，以层叠的方式展开重型，将气体慢慢向上赶，最后进入溢流环。

当前，采取挤压铸造工艺制造镁合金轮毂，镁合金液一般是从模具底部低速、平缓的充入到型腔中去，随后进行增压。结果表明，采取挤压铸造工艺和AM60B合金制造的镁合金轮毂抗拉强度处于218~227MP之间，伸长率是9.8%-10.7%，和铝合金轮毂相比较而言，少了许多。

拟试制的镁合金轮毂应用重点对象是履带式工程车辆，它是双轮缘结构，在双轮缘内侧镶上耐磨钢圈，目的在于承受磨损力度。在借鉴国内外镁合金轮毂形成工艺的基础上，从拟试制镁合金轮毂的结构特点入手，采取低压铸造工艺成形镁合金轮毂。

2镁合金轮毂低压铸造模具设计

在进行低压铸造镁合金轮毂模具设计期间，要从以下几个方面出发：

镁合金液在模具中可以形成自上而下缓慢上升的温度梯度；

进行铸件脱模的时候，不会出现粘模现象。

镁合金液充型稳定性好，没有卷气情况。

过滤网防治位置较为合理。

砂芯装配便利。

各个分型面不会产生较大的飞边；

模具定位极为准确。

下图是镁合金轮毂低压铸造模具结构图：

图一拟试制的镁合金轮毂低压铸造模具结构

①底板；②下砂芯；③金属外型；④螺栓；⑤；耐磨钢圈；⑥砂芯；⑦；上砂芯

从上图可以看出，镁合金轮毂低压铸造模具主要包含模具系统、浇注以及排气系统、组装模具流程是：首先，将下砂芯放到底板中心位置，然后把金属外型放置在下砂芯外侧，将耐磨钢圈放在金属外型中，利用螺栓将其固定住，最后按照顺序放置砂芯、耐磨钢圈以及上砂芯。在模具顶部放置和模具采取螺栓固定的十字架，以免上砂芯出现上浮情况。

2.1模具系统

模具系统，一般是从铸件的结构特点和精度要求等方面考虑，镁合金轮毂采取金属外型，中间呈现马鞍形结构，外形简便。

一方面模具壁厚对模具强度和使用时间有着一些影响，另一方面影响着铸件的冷却速度，所以要合理考虑模具壁厚。如果模具壁厚过厚，会过度浪费材料，过薄的话，会影响模具寿命。因此要合理选择模具材料，尽量保证模具具备良好的和高温强度、硬度性能。

2.2浇注系统

低压铸造镁合金轮毂的金属液自上而下充型，其结构简单，一般采取中心浇注，金属液通过升液管进入模具中。另外由于镁合金经常发生氧化情况，可以使用开放式浇注系统来避免这一现象的出现，同时在金属液入口加置过滤网，可以起到良好的挡渣作用。

2.3取件方式

镁合金轮毂的取件方式为：将左右金属移开，使用耐磨钢圈将铸件吊离模具。因为覆膜砂芯具有很大的强度，所以一般不会出现砂型顺升液落到保温炉中的现象。

3、结语

镁合金轮毂采取低压铸造工艺成型，通过增加模具壁厚可以提升镁合金轮毂的冷却速度，保证轮毂的安全性。

参考文献

[1]郑顺奇.镁合金轮毂模态分析与铸—挤复合成形技术研究[D].中北大学,2016.