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   作者：張毅                

   鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、鑄造和切削加工性能好、熱穩(wěn)定性高、阻尼降噪等優(yōu)點(diǎn)，可作為輪轂材料。本課題在對(duì)國(guó)內(nèi)外鎂合金輪轂主要鑄造工藝進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，確定采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)ZM5鎂合金輪轂。

1鎂合金輪轂鑄造工藝分析

1.1重力鑄造

    采用重力鑄造工藝生產(chǎn)輪轂，具有制造工藝簡(jiǎn)單、成熟、生產(chǎn)效率高、投資少等優(yōu)點(diǎn)。但由于沒(méi)有外加壓力，為了獲得致密鑄件，往往需要利用冒口補(bǔ)縮，所以重力鑄造輪轂的澆冒口較大，工藝出品率低。由于鎂合金材料密度較小，自身重力不足以保證獲得高強(qiáng)度，所以使用的金屬質(zhì)量是鑄件質(zhì)量的10倍，相當(dāng)一部分金屬被浪費(fèi)，因此砂型重力鑄造較昂貴，只適合單件小批量生產(chǎn)。金屬型重力鑄造適合批量生產(chǎn)，如陜西華興航空機(jī)輪公司采用金屬型重力鑄造試制了鎂合金輪轂[1]。

1.2壓鑄

    采用壓鑄工藝生產(chǎn)輪轂，具有生產(chǎn)速度快、尺寸精度高、表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn)。但由于高壓射流卷入的氣體和夾雜彌散分布在鑄件中，所以壓鑄輪轂不能通過(guò)熱處理提高強(qiáng)度，并且伸長(zhǎng)率低，使用過(guò)程中可靠性差。為了提高輪轂的使用性能，降低生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)采用

AM60B鑄造鎂合金和壓鑄工藝研制摩托車輪轂等運(yùn)動(dòng)部件。輪轂尺寸較大，模具型腔采用一模一件，澆注系統(tǒng)為中心澆注，只有主流道，無(wú)分流道[2]。近期，國(guó)內(nèi)對(duì)鎂合金摩托車輪轂的真空壓鑄工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用底注式真空壓鑄制備鎂合金輪轂，不但可以通過(guò)熱處理提高材料的力學(xué)性能，而且可以避免中心澆注頂部抽真空存在的效率較低的問(wèn)題[3]。

1.3低壓鑄造

    低壓鑄造由于可采用順序凝固或順序凝固和同時(shí)凝固并用，所以適于制造壁厚不均的輪轂。與壓鑄相比，低壓鑄造的“緩慢充型”可消除鑄件內(nèi)部的氣孔和夾雜。與金屬型鑄造相比，低壓鑄造的“低速充型”和“壓力下結(jié)晶”可獲得較好的充型和補(bǔ)縮效果。采用低壓鑄

造工藝生產(chǎn)輪轂，充型速度和凝固期間的壓力可以調(diào)整，金屬材料利用率較高（一般大于90%），鑄件組織致密，力學(xué)性能較好[4]。低壓鑄造工藝廣泛用于生產(chǎn)鋁合金輪轂，也適用于生產(chǎn)鎂合金輪轂。20世紀(jì)80年代末期，日本開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的鎂合金金屬型低壓鑄造裝置，該

裝置由熔煉爐、鑄造爐和壓鑄機(jī)3部分組成，采用虹吸管輸送金屬液。豐田汽車公司采用低壓鑄造工藝制造出鎂合金汽車輪轂等零部件[1]。采用低壓鑄造工藝制造鎂合金輪轂的主要優(yōu)點(diǎn)如下：①鎂合金液在壓力下充型，流動(dòng)性增加，可以避免鎂合金液的沖擊和紊流，充型

良好；②防止鎂液氧化的措施易于實(shí)施，可在鎂液面上方撒布防止其氧化的覆蓋劑，由于鎂液靠升液管輸送，所以覆蓋劑及其他夾雜物不會(huì)進(jìn)入鑄型內(nèi)，也可在澆注前向模具內(nèi)充填惰性氣體，防止模具內(nèi)的鎂合金液發(fā)生氧化；③鎂合金液始終在一個(gè)較大壓力作用下結(jié)晶和凝

固，輪轂力學(xué)性能較高；④工藝出品率高；⑤易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。

1.4擠壓鑄造

    采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)輪轂，具有鑄造工藝簡(jiǎn)單、成本低，鍛造的品質(zhì)可靠、性能高等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)擠壓鑄造鋁合金輪轂是利用液壓機(jī)的頂出缸充當(dāng)壓射缸，其充型速度介于壓鑄和低壓鑄造之間，但比壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到擠壓鑄造要求，與國(guó)外采用的擠壓鑄造不同[5]。國(guó)內(nèi)外在擠壓鑄造鎂合金輪轂的研究和應(yīng)用方面開(kāi)展了大量工作[6~9]，如日本東芝機(jī)器公司的LEOMACS系統(tǒng)，其特點(diǎn)是將擠壓鑄造與低壓鑄造及電磁定量澆注結(jié)合為一體，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金鑄件，利用擠壓鑄造與電磁傳輸技術(shù)生產(chǎn)的鎂合金輪轂已成功應(yīng)用于豐田轎車。國(guó)內(nèi)研發(fā)了一種鎂合金輪轂的新型擠壓鑄造工藝，其特點(diǎn)為：采用加熱澆管封閉定量澆注將鎂合金液與外界隔絕，解決了鎂合金液澆注過(guò)程中的氧化和降溫問(wèn)題；采用低壓充型和高壓凝固分離的模式有效減小了料頭、提高了工藝出品率；國(guó)內(nèi)根據(jù)鎂合金汽車輪轂產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄造工藝要求，設(shè)計(jì)中心澆注式擠壓鑄造工藝。鎂合金液先由中心澆口進(jìn)入輪輻，然后在分流錐的作用下向周圍輪輻充填，在輪輞下邊緣交匯后，再逐層向上運(yùn)動(dòng)，以層疊的方式進(jìn)行充型，把氣體一直往上趕，進(jìn)入輪輞上邊緣的溢流環(huán)。目前，采用擠壓鑄造工藝制造鎂合金輪轂，鎂合金液基本是從模具底部低速、大流量、平穩(wěn)地充入型腔，再進(jìn)行增壓和保壓。采用擠壓鑄造工藝和AM60B合金制造的鎂合金輪轂的抗拉強(qiáng)度為218～227 M Pa、伸長(zhǎng)率為9.8%～10.7%，與鋁合金輪轂相比質(zhì)量減少了46%。

    擬試制的鎂合金輪轂的應(yīng)用對(duì)象是履帶式工程車輛，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為雙輪緣結(jié)構(gòu)，在雙輪緣內(nèi)側(cè)需鑲鑄耐磨鋼圈來(lái)承受履帶板誘導(dǎo)齒的磨損。借鑒國(guó)內(nèi)外廣泛采用的汽車、摩托車鎂合金輪轂的主要成形工藝，根據(jù)擬試制的鎂合金輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定采用低壓鑄造工藝成形鎂合金輪轂。

2  鎂合金輪轂低壓鑄造模具設(shè)計(jì)

    低壓鑄造鎂合金輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則[10]：①鎂合金液在模具中能形成自上而下逐漸增加的溫度梯度；②鎂合金液充型平穩(wěn)，無(wú)紊流和卷氣現(xiàn)象；③鑄件脫模時(shí)不產(chǎn)生粘模；④各分型面不產(chǎn)生較厚大的飛邊、毛刺；⑤砂芯裝配方便；⑥過(guò)濾網(wǎng)放置合理；⑦模

具定位準(zhǔn)確。

    擬試制的鎂合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

    由圖1可見(jiàn)，鎂合金輪轂低壓鑄造模具主要包括模具系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)。組裝模具的步驟為：首先把下砂芯2放置在底板1中心處；然后在下砂芯2外側(cè)放置金屬外型3；接著把耐磨鋼圈5放置在金屬外型的臺(tái)階上，通過(guò)金屬外型上的螺栓4進(jìn)行緊固；最后依次放置砂芯6、耐磨鋼圈5（“矩形缺口”朝上）、上砂芯7，并在模具頂部放置與模具采用螺栓固定的十字架，以防止上砂芯7在鎂合金液充型過(guò)程中上浮。

2.1模具系統(tǒng)

    模具系統(tǒng)主要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度要求和批量等綜合考慮。鎂合金輪轂外形簡(jiǎn)單，采用金屬外形。中間部位為“馬鞍形”結(jié)構(gòu)，采用覆膜砂芯。模具主體由  左、右半型組成。

    模具壁厚一方面影響模具的強(qiáng)度、剛度、品質(zhì)以及壽命，另一方面影響模具的蓄熱量和鑄件的冷卻速度，因此模具壁厚要綜合考慮。模具壁厚太厚，造成材料浪費(fèi)；模具壁厚太薄，在交互的熱應(yīng)力作用下，模具易變形，縮短模具壽命。對(duì)于一次性使用的模具，型壁越厚，吸熱能力越強(qiáng)；型壁越薄，吸熱能力越差。對(duì)于反復(fù)使用的模具，型壁越厚，導(dǎo)熱能力越差，型壁越薄，導(dǎo)熱能力越高。鎂合金輪轂的輪緣設(shè)計(jì)中通過(guò)增加模具的壁厚來(lái)提高鎂合金輪轂的冷卻速度。

    合理選擇模具材料，是決定模具壽命及制造成本的主要因素之一。為了保證模具具有足夠的高溫強(qiáng)度、硬度及良好的綜合熱物性，在高溫下不易被軟化或產(chǎn)生變形；具有一定的熱穩(wěn)定性，在高溫下抗氧化性、抗腐蝕性，以及不與金屬液發(fā)生熔接；具有一定的熱疲勞性，在交變溫度作用下內(nèi)應(yīng)力要小，不易產(chǎn)生翹曲、變形及裂紋。H13鋼適于做鎂合金輪轂的模具材料。

  2.2澆注系統(tǒng)

    低壓鑄造鎂合金輪轂的金屬液自下而上充型，鑄件的凝固是自上而下，澆口最后凝固。鎂合金輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用中心澆注的澆注系統(tǒng)，升液管位于鑄件底部，金屬液通過(guò)升液管注入模具。由于鎂合金易發(fā)生氧化，所以采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。另外，在金屬液入口處加置過(guò) 濾網(wǎng)，可以起到擋渣作用。

    升液管相當(dāng)于直澆道，升液管出口面積即為直澆道面積，應(yīng)大于鑄件的最大熱節(jié)面積，保證鑄件得到充分補(bǔ)縮。為保證金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，加壓面積比（即有效加壓面積與升液管內(nèi)圓面積之比）以20～50為宜[11]。鎂合金輪轂升液管的內(nèi)徑為70 mm。

  2.3排氣系統(tǒng)

    低壓鑄造鎂合金輪轂澆注過(guò)程中，從金屬液開(kāi)始進(jìn)入模具起，型腔內(nèi)的氣體必須不斷地排出型腔，以便于金屬液順利地充滿型腔，同時(shí)不產(chǎn)生氣孔缺陷。由于低壓鑄造鎂合金輪轂采用金屬外型，不具備透氣性，而且未設(shè)置出氣冒口，所以在澆注過(guò)程中，型腔中的氣體除通過(guò)分型面之間的間隙排出一部分外，其余的氣體靠設(shè)置的排氣系統(tǒng)排出型腔。低壓鑄造鎂合金輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在頂部砂型上預(yù)置通氣孔。

  2.4取件方式

    鎂合金輪轂的取件方式是左、右金屬半型移開(kāi)后，利用耐磨鋼圈下方的凸臺(tái)將鑄件平穩(wěn)地吊離模具。由于覆膜砂芯具有一定的強(qiáng)度及鎂合金液人口處形成“澆口”的作用，所以不會(huì)發(fā)生型砂順升液管落人保溫爐的情況。

  3  結(jié)  語(yǔ)

擬試制的鎂合金輪轂采用低壓鑄造工藝成形。其模具采用金屬外型、覆膜砂芯；通過(guò)增加模具壁厚提高鎂合金輪轂的冷卻速度；模具材料為H13鋼；升液管內(nèi)r徑為70 mm；在頂部砂型上預(yù)置通氣孔。

4摘要在分析鎂合金輪轂主要成形工藝及擬試制的鎂合金輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定采用低壓鑄造工藝試制鎂合金輪轂。試制的鎂合金輪轂低壓鑄造模具設(shè)計(jì)主要包括：采用金屬外形、覆膜砂芯；通過(guò)增加模具壁厚提高鎂合金輪轂的冷卻速度；模具材料為H13;升液管內(nèi)徑為70 mm;在頂部砂型上預(yù)置通氣孔。