輪轂是汽車(chē)和摩托車(chē)上極為重要的安全性能結(jié)構(gòu)件。隨著汽車(chē)摩托車(chē)輕量化和節(jié)能環(huán)保要求的逐步提高，現(xiàn)已有鑄造和鍛壓成形的鎂合金輪轂面世。輪轂的品質(zhì)和可靠性不但關(guān)系到車(chē)輛和車(chē)上人員物資的安全性，還影響到車(chē)輛在行駛中的平穩(wěn)性、操縱性、舒適性等性能，這就要求輪轂具有疲勞強(qiáng)度高、剛度和彈性好、尺寸和形狀精度高、質(zhì)輕等性能，而鎂合金輪轂以其良好的綜合性能滿足了上述要求，在減震性、安全性和輕量化等方面表現(xiàn)突出，贏得了市場(chǎng)青睞。
 

一、輪轂的成形工藝

　　目前，摩托車(chē)輪轂多用重力鑄造和低壓鑄造工藝成形，為了提高其性能，也有采用擠壓鑄造(液態(tài)模鍛)、半固態(tài)成形的工藝。但由于鎂合金的收縮比較大，采用生產(chǎn)鋁合金輪轂的低壓鑄造工藝生產(chǎn)鎂合金輪轂，問(wèn)題很多!鎂合金鑄件多以壓鑄的方式生產(chǎn)，然而壓鑄過(guò)程中氣體的卷入又導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。與傳統(tǒng)的金屬型重力鑄造相比，壓鑄時(shí)金屬液體在澆口的高速?lài)娚浔戎亓ψ匀涣魅氲母邷匾簯B(tài)金屬有著更好的充型效果，但也正是由于高溫、高壓、高速的金屬?lài)娚?，使金屬液體與型腔內(nèi)的空氣和熱金屬與型腔內(nèi)殘留潤(rùn)滑劑所產(chǎn)生的煙氣有更大可能的結(jié)合，這些氣體來(lái)不及排出，從而形成氣孔缺陷。為解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，研究者研究開(kāi)發(fā)了真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態(tài)壓鑄等新工藝。鎂合金輪轂真空壓鑄工藝，即是在傳統(tǒng)壓鑄工藝的基礎(chǔ)上，輔以抽真空技術(shù)，在輪心處局部補(bǔ)壓而獲得高性能輪轂的工藝方法。

二、真空壓鑄的現(xiàn)狀

　　真空壓鑄尤其是高真空壓鑄技術(shù)的瓶頸及難點(diǎn)之一是真空截止閥的結(jié)構(gòu)及真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。真空截止閥的主要作用有二，一是給型腔中的氣體提供一個(gè)排出的通道;二是在抽出氣體后及時(shí)關(guān)閉，阻止金屬液體進(jìn)入真空通道。圖1為不同結(jié)構(gòu)的真空閥。按其工作原理主要可分為3類(lèi)：①改變通道的截面積，使金屬液的流動(dòng)性逐步下降(如果需要，可以通水冷卻使其流動(dòng)性下降)，而在進(jìn)入真空管道前金屬液的流動(dòng)自然停止，如“Z”形槽(鋸齒型)的真空閥(見(jiàn)圖1a)；②通過(guò)檢測(cè)型腔中金屬液的充填位置，利用液壓或氣壓使真空閥關(guān)閉；③利用金屬液的慣性沖擊力使真空閥的排氣通道關(guān)閉，如瑞士方達(dá)瑞公司和趙蕓蕓等設(shè)計(jì)的真空閥(見(jiàn)圖1b、圖1c)等。

　　以上3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)“Z”形槽槽真空閥金屬液在充型過(guò)程中浸入波浪形通道因激冷凝固而迅速堵塞排氣通道，終止抽真空過(guò)程，但排氣槽的薄片形通道截面小，導(dǎo)致其抽氣速度慢，型腔真空度低，且其薄片的充填程度變化不定，影響壓射比壓最終建立的作用時(shí)間，更重要的是其型腔內(nèi)真空度低且波動(dòng)大而不能應(yīng)用于高真空壓鑄，而且這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鑄件投影面積增大，提高了鑄件對(duì)設(shè)備的要求，造成資源的浪費(fèi)；第2種方法在金屬液剛充入型腔的時(shí)候可以有較高的真空度，但隨著金屬液的充型型腔的壓力增大，甚至可以達(dá)到0.3~0.4MPa，起不到理想的抽真空效果，并導(dǎo)致最后充型部位缺陷明顯增多，但這種方式可以采用大截面、直通徑的抽真空通道增大前期真空度的方式改變，因?yàn)閺姆忾]真空通道到金屬液的充型完畢時(shí)間約為0.1S，增大前期真空度在如此短的時(shí)間內(nèi)仍可達(dá)到理想的狀態(tài)；第3種方法利用金屬液慣性沖擊力控制真空閥關(guān)閉，雖然其是目前應(yīng)用最廣的方法，但仍有不少問(wèn)題。首先，為了防止慣性力關(guān)閉真空通道前金屬液體進(jìn)入真空通道，無(wú)論是瑞士方達(dá)瑞還是國(guó)內(nèi)其他高校開(kāi)發(fā)的利用慣性力關(guān)閉真空通道的方法，都采用曲折直徑偏小的真空通道增大阻力延長(zhǎng)金屬液體到達(dá)真空通道的時(shí)間，防止金屬液體進(jìn)入真空通道。但正是由于這曲折直徑偏小的真空通道增大了氣體流阻，不利于在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高的真空度，所以這種所謂的全程抽真空技術(shù)并沒(méi)有明顯的效果；其次，慣性力不穩(wěn)定或者氣壓過(guò)大等原因造成真空閥沒(méi)有關(guān)閉或關(guān)閉過(guò)早，而生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品；同時(shí)，由于這種結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，一旦金屬液體進(jìn)入真空截止閥內(nèi)，維修成本特別高。針對(duì)以上不足，本課題在第2種方法的基礎(chǔ)上采用直通排氣大截面高速響應(yīng)通道使真空通道關(guān)閉前達(dá)到較高的真空度，液壓系統(tǒng)精確控制真空閥的關(guān)閉“并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化澆注工藝。

三、兩種抽真空澆注工藝

　　輪轂的生產(chǎn)工藝過(guò)程中有4點(diǎn)較為關(guān)鍵：①輪輻是主要受力區(qū)域，屬于重要部位，該部位必須達(dá)到輪轂性能使用要求；②外輪緣部位要防止產(chǎn)生縮孔、縮松和卷氣缺陷，以保證無(wú)內(nèi)胎輪轂的氣密性；③輪轂的中心厚大部位要防止縮孔和縮松的產(chǎn)生，以保證輪轂連接性能；④整個(gè)輪轂鑄件應(yīng)采用工藝手段消除構(gòu)件內(nèi)部疲勞缺陷(如渣孔、氣孔、縮孔、縮松、宏觀偏析等)。現(xiàn)對(duì)鎂合金真空壓鑄輪轂在臥式壓鑄機(jī)上上面采用中心澆注頂部抽真空和底部澆注中心抽真空輔以大截面直通徑抽真空的兩種工藝方案進(jìn)行討論。

　　1、中心澆注頂部抽真空

　　輪轂澆注系統(tǒng)采用中心澆注頂部抽真空方式進(jìn)行，這種充型方式?jīng)Q定了輪轂鑄造模具最好采用垂直分型，這樣不僅能使金屬液均衡充型，方便排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且能夠?qū)喰暮翊蟛课贿M(jìn)行壓力凝固補(bǔ)縮，有利于提高輪轂鑄件致密度，減少縮孔、縮松缺陷。若在冷室壓鑄機(jī)上采用中心充型頂部抽真空方式(見(jiàn)圖2)那么，模具需設(shè)計(jì)成三片兩開(kāi)式結(jié)構(gòu)，不僅增加了模具成本，而且會(huì)降低生產(chǎn)效率，壓頭只能為輪心熱節(jié)提供有效補(bǔ)縮，而分布在輪緣上的熱節(jié)因薄壁輪輻較早凝固堵塞補(bǔ)縮通道而出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，降低其力學(xué)性能。即使采用真空壓鑄工藝也無(wú)法降低輪緣上因熱節(jié)而產(chǎn)生的縮松等缺陷(真空壓鑄可減少甚至消除壓鑄件中的氣孔，鑄件中的縮孔、縮松只能通過(guò)改變結(jié)構(gòu)或者補(bǔ)壓來(lái)解決)。有時(shí)為了保證輪輞在壓力下凝固，減少輪輞部位的縮孔，需要使輪轂按照輪輞-輪輻-輪心的順序增加壁厚，這樣造成輪輻處及輪心部分的材料有一定的浪費(fèi)，在后續(xù)機(jī)加工去除(如輪心)或保留在輪轂產(chǎn)品上(如輪輻)，這不僅增加了成本，而且也增加了輪轂質(zhì)量，與應(yīng)用鎂合金減重以及壓力鑄造的初衷相悖。更重要的是輪輞是輪轂產(chǎn)品的高應(yīng)力區(qū)，要求的充型品質(zhì)最高，但中心澆注方式最后充填輪輞，致使氧化渣、冷隔、流痕等缺陷出現(xiàn)在輪輞上，降低了輪轂鑄件的工藝品質(zhì)和力學(xué)性能。傳統(tǒng)的臥式冷室壓鑄機(jī)中心充型頂部抽真空輪轂成形工藝通過(guò)在輪緣上面開(kāi)設(shè)溢流槽，并通過(guò)環(huán)形通道把溢流槽與真空通道連接，這樣來(lái)抽取型腔內(nèi)的氣體。一方面這種工藝方法開(kāi)設(shè)溢流槽和環(huán)形通道會(huì)顯著降低輪轂產(chǎn)品的工藝出品率，增加生產(chǎn)成本;另一方面環(huán)形通道曲折小截面的特點(diǎn)不利于快速抽真空，這樣的通道已經(jīng)形成了抽真空的瓶頸，尾部的大截面、直通徑的真空通道也無(wú)效果。

　　2、底部澆注中心抽真空

　　為解決上述問(wèn)題，本課題組采用臥式壓鑄底部充型中心抽真空輪心處補(bǔ)壓的成形工藝(見(jiàn)圖3)，以期獲得具有高品質(zhì)的摩托車(chē)輪轂鑄件。

　　采用臥室壓鑄機(jī)底部充型環(huán)形橫澆道、加厚內(nèi)澆口、中心抽真空輪心處局部補(bǔ)壓的工藝，一方面環(huán)形橫澆道會(huì)在第一時(shí)間封閉分型面(這也是與傳統(tǒng)壓鑄不同的地方)，可以防止外部氣體進(jìn)入型腔，有利于保持高真空度，而且環(huán)形分布可以使模具的溫度場(chǎng)更加均勻;另一方面通過(guò)加厚內(nèi)澆口保證外部壓力的傳遞，改善中心澆注輪輞縮松、縮孔缺陷多的問(wèn)題，并且輪輞的厚度大于輪輻的厚度，使輪輻的補(bǔ)縮通道暢通而獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件;在輪心厚大部位設(shè)置大的積渣包并輔以補(bǔ)壓工藝以減少縮松、縮孔，整個(gè)輪轂在輪緣和輪心雙向補(bǔ)壓的作用下凝固獲得更佳的力學(xué)性能"同時(shí)在中心位置開(kāi)設(shè)大截面、直通徑的排氣通道而達(dá)到理想的抽真空效果。

四、模具加工以及實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題

　　采用真空壓鑄由于要保證抽真空的效率，在模具的加工過(guò)程中對(duì)配合面的精度要求偏高?；瑝K與定模板的配合、頂針與動(dòng)模板的配合以及密封條的放置位置都需要嚴(yán)格控制;加工過(guò)程中是冷配合的問(wèn)題，而實(shí)際生產(chǎn)中模具存在熱脹冷縮的現(xiàn)象，各配合面處的間隙要合理，若間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致密封效果不好，若間隙過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)卡模、拉毛的狀況。

　　針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的冷隔、夾雜、裂紋等缺陷，分別通過(guò)調(diào)節(jié)金屬液溫度或者模溫機(jī)的溫度"使用更加純凈化的金屬液、加大連接處圓角或者調(diào)節(jié)模溫的均勻性等方法來(lái)改善。而對(duì)于輪心處變形的問(wèn)題，因?yàn)檠a(bǔ)壓桿后退再開(kāi)模跟蹤會(huì)影響生產(chǎn)效率!解決方案為：①對(duì)補(bǔ)壓桿通冷卻水并周期性的施加潤(rùn)滑油;②補(bǔ)壓桿的導(dǎo)滑套加長(zhǎng)伸入定模芯一部分(見(jiàn)圖4)減少金屬液包裹補(bǔ)壓桿的長(zhǎng)度，這樣補(bǔ)壓桿就不用后退可直接跟蹤開(kāi)模。通冷卻水以及潤(rùn)滑油在不降低生產(chǎn)效率的同時(shí)增加了補(bǔ)壓桿的壽命(補(bǔ)壓桿長(zhǎng)時(shí)間與金屬液接觸，溫度一直過(guò)高容易拉毛，不但配合容易出現(xiàn)問(wèn)題，而且影響真空通道的關(guān)閉)。

　　生產(chǎn)中采用動(dòng)模芯與4個(gè)滑塊的配合面進(jìn)行定位(見(jiàn)圖5)，剛開(kāi)始生產(chǎn)的時(shí)候沒(méi)有問(wèn)題，可是生產(chǎn)一段時(shí)間由于夾雜等一些污物跑到定位面的位置導(dǎo)致4個(gè)滑塊不能完全合緊，在接觸的地方產(chǎn)生披縫，并且此處開(kāi)模后噴槍也不能掃到，很難清理。只有采用4個(gè)滑塊接觸的地方作為定位面原來(lái)的定位面為了防止干涉單邊退后50µm，這樣就可以解決污物在定位面累積造成無(wú)法精確定位的問(wèn)題。

　　根據(jù)前期生產(chǎn)樣件臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，氣門(mén)孔分布的輪輞處是沖擊最容易破壞的地方，以往氣門(mén)孔的位置通常是放置在兩輪輻的中間部位，為了減小應(yīng)力在不影響裝配的情況下增加輪轂的可靠性，本課題組提出把氣門(mén)孔移到兩輪輻之間鈍角一側(cè)的方案，這樣由于輪輻的支撐作用氣門(mén)孔處的應(yīng)力將大大改善。

五、結(jié)論

　　1、高壓鑄造采用真空輔助，可以減少甚至消除合金熔體高速?lài)娚涑湫蜁r(shí)模具型腔內(nèi)氣體來(lái)不及排出形成氧化夾雜、氣孔等普通壓鑄的先天缺陷，提高了鑄件的工藝品質(zhì)，并可通過(guò)熱處理提升鑄件本體材料的力學(xué)性能。

　　2、鎂合金輪轂采用底部澆注中心抽真空的充型方式，可以避開(kāi)中心澆注頂部抽真空效率低下、輪輻和輪心必須加厚的缺點(diǎn)；相比中心澆注頂部抽真空中心單向補(bǔ)壓的方式，輪緣和輪心雙向補(bǔ)壓可獲得更佳的力學(xué)性能。

　　3、由于模具加工時(shí)處于常溫狀態(tài)，而真空壓鑄工藝在高溫狀態(tài)下，因此各配合面的間隙要合理，若間隙過(guò)大導(dǎo)致密封效果不好，若間隙過(guò)小，會(huì)造成卡模、拉毛的狀況;針對(duì)輪心的變形，補(bǔ)壓桿應(yīng)通水冷卻和通油潤(rùn)滑來(lái)維護(hù)設(shè)備并提高生產(chǎn)效率。