镁合金轮毂挤压铸造技术研究

论文摘要

节能降耗、提高性能已经成为当今汽车、摩托车发展的一种必然趋势。轮毂作为车辆上的高速运动部件,重量减轻可以有效的降低能耗、改善整车的加速及制动性能、提高驾乘舒适性及安全性。采用轻量化材料实现轮毂的更新换代是实现这一目的有效途径。镁合金作为最轻的商用金属结构材料之一,具有比重小、价格低、比强度高、阻尼减振性能突出等优点,在轮毂上拥有诱人的应用前景。但是,现有轮毂的结构都是针对钢和铝合金设计的、采用与镁合金不同的生产工艺。要将镁合金用于轮毂,必须对原钢、铝合金轮毂的服役要求,对轮毂结构进行材料替代在设计,确保服役性能;并针对镁合金工艺特性开发新成形工艺,确保产品工艺质量。为推动镁合金在轮毂上的合理应用,本研究应用有限元法,对嘉陵摩托车铝、镁两种材料的轮毂进行了服役应力分析,优化轮毂结构,降低服役应力峰值,提高轮毂使用安全性。同时还采用数值模拟软件对镁合金轮毂挤压铸造过程的液气两相充型流、充型速度场、温度场、凝固固液相分布、凝固时间与铸件缺陷形成的关系进行研究,确定最佳挤压铸造工艺参数。根据上述分析模拟的结果,确定了轮毂的最佳结构形式及浇注系统,进行挤压铸造模具设计。研究结果如下:①嘉陵轮毂采用的倾角式辐条结构、辐条与轮圈的过渡圆角较小,导致服役峰值应力集中出现在轮辐与轮圈的过渡部位;②针对镁合金疲劳强度较低的现实,对轮毂结构进行再设计,增大轮辐与轮圈之间的过渡圆角,将服役应力峰值从37.9 MPa降到23.68 MPa,确保轮毂的服役可靠性。③在浇注温度680℃,模具预热温度250℃,冲头压射速度0.15m/s,保压压力80 MPa的条件下,充型液流速度均匀,充型状态良好,完成充型后的铸件温度分布均匀;铸件凝固平稳迅速,按照设计的顺序完成凝固;铸件内部质量较好,产生的少量缺陷集中在浇注系统,可机械加工去除。④完成了模具的模架、动定模镶块、动定模套板、分流锥等构件和抽芯机构、推出复位机构的设计,并完成虚拟装配,形成完整的三维模具装配图,确保设计的挤压铸造模具的使用价值。目前,该副模具正在重庆硕龙科技有限公司进行制作。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁合金在汽车、摩托车上的应用及其成型工艺的现状
• 1.2.1 汽车、摩托车的轻量化发展趋势
• 1.2.2 镁合金的应用
• 1.2.3 当前镁合金的成型状况
• 1.3 镁合金轮毂的应用
• 1.3.1 镁合金轮毂的研究概况
• 1.3.2 镁合金轮毂的优点
• 1.4 本课题研究意义和内容
• 1.4.1 研究的意义
• 1.4.2 研究的内容
• 2 挤压铸造理论
• 2.1 挤压铸造工艺方法及特点
• 2.2 挤压铸造工艺的分类
• 2.3 挤压铸造原理
• 2.3.1 挤压铸造的物理过程
• 2.3.2 挤压铸造的凝固
• 2.3.3 挤压铸造的压力分布
• 2.3.4 挤压铸造的收缩与补缩
• 2.4 挤压铸造设备
• 2.5 挤压铸造生产镁合金轮毂的可行性
• 3 轮毂3－D 模型及有限元分析
• 3.1 有限元法的发展概况
• 3.2 有限元法简介
• 3.3 有限元法的优缺点
• 3.4 有限元法理论
• 3.4.1 离散化基础
• 3.4.2 主要分析步骤
• 3.5 有限元法在材料替代中的应用
• 3.6 轮毂造型特点及作用
• 3.7 铝、镁轮毂的有限元分析
• 3.7.1 轮毂结构服役应力分析的意义和进展
• 3.7.2 轮毂有限元模型的建立
• 3.7.3 轮毂有限元求解
• 3.7.4 有限元结果分析
• 4 镁合金轮毂结构再设计
• 4.1 机械结构基本设计原则及要求
• 4.1.1 基本设计原则
• 4.1.2 基本设计要求
• 4.2 镁合金轮毂再设计的原则
• 4.3 再设计轮毂的有限元分析
• 4.3.1 载荷
• 4.3.2 网格
• 4.4 有限元求解及结果分析
• 5 镁合金挤压铸造轮毂的数值模拟应用
• 5.1 合金充型过程的数值模拟
• 5.1.1 充型过程数值模拟特点
• 5.1.2 充型过程的数值模拟方法
• 5.2 合金凝固过程的数值模拟
• 5.2.1 传热的基本方式
• 5.2.2 传热方程的离散化
• 5.2.3 差分格式的稳定性讨论
• 5.2.4 凝固过程数值方程的求解条件
• 5.3 挤压铸造轮毂所需的工艺参数
• 5.3.1 模具预热温度
• 5.3.2 合金浇注温度
• 5.3.3 压力大小
• 5.3.4 加压时间
• 5.3.5 合金充型速度
• 5.3.6 保压时间
• 5.3.7 铸型用涂料
• 5.4 挤压铸造镁合金轮毂的数值模拟
• 5.4.1 模拟前期处理
• 5.4.2 轮毂充型过程及分析
• 5.4.3 凝固过程模拟分析
• 5.4.4 缺陷分析
• 6 模具设计
• 6.1 挤压铸造模设计
• 6.1.1 设计的基本原则
• 6.1.2 提高挤压铸造模具使用寿命的途径
• 6.2 挤压铸造模具材料的选择及热处理
• 6.2.1 模具材料的基本性能
• 6.2.2 模具材料
• 6.2.3 非成型零件的材料选用及热处理要求
• 6.3 分型面的选择
• 6.3.1 分型面选择的原则
• 6.3.2 分型面的类型
• 6.3.3 轮毂的分型面
• 6.4 成型零件的设计
• 6.4.1 镶块的设计
• 6.5 侧抽芯机构设计
• 6.5.1 侧抽芯机构的分类
• 6.5.2 侧抽芯机构设计要点
• 6.5.3 抽芯力
• 6.5.4 抽芯距离
• 6.5.5 轮毂抽芯机构设计
• 6.6 模架及其它附件的设计
• 6.6.1 模板的设计
• 6.6.2 顶针板和顶针底板设计
• 6.6.3 模座的设计
• 6.6.4 其它附件的设计
• 6.6.5 模具总装图
• 6.7 模具校核
• 6.7.1 模具厚度核算
• 6.7.2 动模座板行程核算
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录