镁铝合金汽车轮毂压铸模成型设计

工学院毕业设计（说明书）

题目：镁铝合金汽车轮毂压铸成型模具设计

专业：机电技术教育

班级：074班

姓名：李乐

学号：1664070412

指导教师：陈丰

日期：2010-12-20

目录

引言 (1)

1.镁合金概述 (1)

1.1镁合金的优点 (1)

1.2镁合金的缺点 (3)

1.3镁合金轮毂的应用 (3)

2.压铸成型基础 (5)

2.1热压室压铸机压铸的基本原理与工艺过程 (5)

2.2压铸成形的优缺点 (5)

2.3压铸成形的缺点 (6)

2.4压铸件的结构要求 (6)

3.镁铝合金汽车轮毂的三维造型设计 (7)

3.2轮毂设计的一般原则 (8)

3.3汽车轮毂基于PRO/E的实体建模 (8)

3.4基于PRO/E的镁合金轮毂三维造型检测 (11)

4.分型面的建立 (13)

5.汽车轮毂模具系统的设计与实现 (17)

5.1基本的设计术语 (17)

5.2汽车轮毂模具方案 (17)

6.压铸机的选择 (23)

6.1压铸机的选择方法 (23)

6.22

PQ图表示 (24)

7.轮毂用材料的选用 (25)

7.1镁合金挤压铸造轮毂的数值模拟应用 (27)

7.2合金凝固过程的数值模拟 (28)

7.3挤压铸造轮毂所需的工艺参数 (29)

8.挤压铸造镁合金轮毂的数值模拟 (31)

8.1模拟前期处理 (31)

8.2有限元分析 (32)

8.3修改浇口尺寸和充型速度后充型速度场 (37)

8.4充型温度场分析 (39)

8.5凝固过程模拟分析 (42)

结论 (42)

参考文献： (44)

致谢 (43)

镁铝合金汽车轮毂压铸成型模具设计

机电技术教育074班李乐

指导教师陈丰

摘要：轮毂作为车辆上的高速运动旋转部件，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等优点。本研究通过镁合金材料AZ91D实现轮毂的

更新换代和轻量化。通过pro/E软件对轮毂结构进行再设计，采用挤压铸造成形技术。并通过

有限元分析针对镁合金成型工艺进行数值模拟，有利于模具设计和铸造工艺的改进，避免了无

谓的模具修改，提高了试模的成功率，大大缩短了新品开发周期，降低了试模费用，产品质量

得到了保障。

关键词：镁合金轮毂，pro/E，模具设计，压铸充型，数值模拟

引言

为推动镁合金在轮毂上的合理应用，本研究对镁合金材料的轮毂进行了工艺分析，优化轮毂结构，降低服役应力峰值，提高轮毂使用安全性。同时采用数值模拟软件ANYCAST对镁合金轮毂挤压铸造过程的充型速度场、温度场、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.对结构再设计的轮毂进行有限元分析，分析轮毂模具厚度、截面质量、拔模斜度，对轮毂的结构设计具有重要作用。

2.在浇注温度800℃，模具预热温度400℃，冲头压射速度0.5m/s，保压压力100MPa

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。镁合金替代铝合金，不仅质量可减轻25%，在结构方面，应力分布更加均匀，更适合轮毂的运动；并且轮毂的制造方式的改进，使得生产更为简得率大于52%生产效率也有所提高。

1.镁合金概述

1.1镁合金的优点

镁合金作为目前最轻的金属材料，具有许多优点[1,2]化学成分见表1.1.1：

○1镁合金重量轻，密度为1.68-1.90g/3

cm，约为铝合金的64%，锌合金的27%，钢的

23%，是轻型的金属结构材料之一。在汽车构件中的应用潜力[3]如表1.2

②镁合金具有很高的比强度高、比刚

度和比弹性模量，比刚度接近铝合金和

钢，远高于工程塑料，在铸造材料中仅次

于铸造钛合金和高强结构钢。

③镁合金具有良好的阻尼减震性，受

力时能产生较大的弹性变形，因而在受冲

击载荷和振动时能吸收较大的能量。镁合

金的弹性模量低，约为45000MPa，因此具

有良好的能量吸收能力。在弹性范围内，

镁合金件受到冲击载荷时吸收的能量比

铝合金件大1倍，所以镁合金具有良好的抗震减噪性。图1.1.1

④镁合金具有良好的压铸性能，抗拉强度和铝合金相当，一般可达到250MPa，最高可

达到600MPa以上,屈服强度、延伸率也和铝合金接近。力学性能见图1.1.1和图1.1.2。

⑤镁合金件具有良好的机械加工性能，镁合金可以很高的速度进行切削加工，其相对能

耗低于其他金属。镁合金件的切削速度可比铝合金件提高50%，加工能耗比铝合金件低50%。

图1.1.2

⑥镁合金具有良好的电磁屏蔽性、防辐射性能。

⑦镁合金无环境污染并可做到100%的回收重复利用，因此被称为21世纪绿色金属材料。

1.2镁合金的缺点

镁与氧的化学亲和力很强，且表面生成的氧化膜是不致密的，液态下该表面更疏松，故氧化剧烈很容易燃烧。氧化膜致密与否是由它的致密度系数决定的，镁的值是0.79，远小于1，故氧化膜是疏松的[9]。疏松且导热性能差的氧化膜的包覆不能阻碍镁和氧气的结合，因此镁合金的熔炼和铸造均需要采用专门的防护措施。砂型和金属型涂料中也应加入防氧化剂，防止铸件凝固前后发生严重氧化或燃烧，热处理是加热也应在保护气氛下进行。

1.3镁合金轮毂的应用

近二十年来，世界汽车、摩托车工业面临着越来越严重的三大问题，即能源、公害和安全。汽车、摩托车技术的发展主要围绕这三大问题进行，各国政府也先后制订了能源保护、废气排放、降低噪音及安全保障的法规[3,8]。其中能源问题最为突出，近两年来汽油价格不断上涨，极大的暴露了我国石油能源的紧缺，节能成为汽车、摩托车工业发展的核心问题。因此近年来世界各主要汽车公司从争夺市场的战略考虑，在注意美化外观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染、降低综合费用、这是现代汽车工业的发展趋势[1,4]。在各种降低油耗的措施中，把实现汽车、摩托车轻量化，即减轻自重作为首选措施[2]。汽车、摩托车的许多问题，如操作性、排气净化、腐蚀等都与轻量化有关，但轻量化的主要目的是节能。影响汽车、摩托车燃油经济性的因素很多，如提高发动机和传动系统的效率，降低滚动阻力、空气阻力等，但做重要的是轻量化。据测算，汽车自重减轻10％，其燃油效率可提高5.5％。

1.4.1汽车上使用镁合金轮毂有以下优点：

①减小轮毂力矩，提高车辆操控性、加速性能及刹车性能；

②减轻汽车重量，达到降低能源消耗，保护环境的目的；

③优良的导热性能，避免长时间行驶时发生爆胎；

④弹性模量较低，受力时应力分布较均匀，适宜在高低不平的路面行驶；

⑤良好的阻尼性，增加车辆行驶的平稳性[2,3]。

1.4.2国外镁合金轮毂的应用

目前在汽车业中，镁合金轮毂除了在赛车上应用较多外，在各大汽车厂推出的概念车上也配备镁合金轮毂，但是在批量生产的车型中应用却不多。目前使用镁合金轮毂的汽车公司及其车型。其中通用的CorvetteC5车型标配为铝合金轮毂，但同时也提供Dymag公司生产的铸造镁合金轮毂给消费者选用。除此之外，在轮毂的零售市场上有适合Hyundai、Citroen、Mazda、MitsubishiBMW、Audi、Mercedes、Volvo等车型的镁合金轮毂供用户选用，但目前其价格比铝合金轮毂高约一倍。汽车上的应用固然是镁合金轮毂的一个重要领域，但不能忽视其在摩托车和自行车上的应用。在摩托车行业，将近九成的赛车用摩托车都采用镁合金轮