汽车车轮用改性镁合金锻造工艺

镁合金是以镁为基础加入其它元素组成的合金，主要的合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。镁合金是金属结构材料中较轻的金属，被誉为21世纪的绿色工程结构材料，其具有非常优良的应用性能，具有比强度高、比刚度大、消震性好、承受冲击载荷能力大、电磁屏蔽性能优异、无生物毒性、耐有机物和碱的腐蚀性能好、资源十分丰富等优点，目前已被应用在汽车零部件上。

汽车轮毂作为汽车上最重要的部件之一，要求其质量轻，同时其受载复杂，包括行驶过程中的垂直压力，车辆在起动、制动时动态扭矩的作用以及车辆在行驶过程中转弯等动态载荷。因此，将镁合金材料引入汽车轮毂是一可行趋势。
镁合金汽车轮毂结构及生产特点

1F轮毂结构

汽车轮毂是车轮中心安装车轴的部位，由轮辐、轮缘、轮辋等构成，作为重要的车辆零部件，其结构设计应满足功能性、工艺性、安全性、经济性等要求，并具有一定的刚度、强度及较长的疲劳寿命等。

镁合金汽车轮毂

2F镁合金轮毂锻造的特点

镁合金轮毂主要有锻造和铸造两种生产方式，且两种方式各有优缺点。轮毂包含10个窗口，以及轮辐、轮辋等主要部分，窗口处有一个沟槽与冒口相连。从外观上看，轮毂结构复杂。

(1)熔炼过程中镁合金烧损严重，同时易产生金属夹杂和非金属夹杂；

(2)镁合金极易氧化，表面防护困难；

(3)深加工性较差；

(4)熔炼过程的环境污染。

镁合金轮毂锻造

1F改性镁合金AZ80-0.5V-0.1Ti的相关性能

以改性镁合金AZ80-0.5V-0.1Ti为例(其中，A代表金属铝，Z代表金属锌，8代表铝含量为8%，0代表锌含量小于1%，0.5V代表钒含量为0.5%，0.1Ti代表钛含量为0.1%)，其密度约为1.84g·cm－3，约为铝的2/3，是比铝更轻量化的轻质材料。该镁合金的弹性模量只有45GPa，在外力作用下可以很好地避免构件应力集中，经压力铸造后再加工所得部件的比强度高，且耐腐蚀性较纯镁有大幅提高。目前，影响镁合金大规模应用的因素之一就是其耐腐蚀性差，镁合金AZ80-0.5V-0.1Ti基本上消除了该缺点，特别是钒、钛元素可以有效地控制镁合金中碳化物的增加，并细化晶粒，提高镁合金的韧性、冲击性能和耐磨损性能，能够在汽车零部件制作上广泛应用。

2F镁合金锻造应力模拟分析

用ANSYS软件，首先对轮毂锻造过程及锻造参数进行仿真模拟，然后根据仿真结果进行工艺参数比对。轮毂结构满足轴对称结构，将对称部分进行建模。

AZ80-0.5V-0.1Ti镁合金的相关性能参数

镁合金轮毂在锻造各阶段的受力情况、变形过程及规律是随着锻造过程不断变化的。从下图可以看出：窗口处的应力较大，为主要变形区域，此区域窗口(图a中A区域)的圆角处是其与轮辋、轮缘的过渡区域，在锻造过程中极易产生缺陷；其余区域应力值较小，在42MPa以下，远低于常温下的材料屈服强度，因此，在锻造过程中不易产生锻造缺陷。图b为锻造后期的应力云图，随着锻造上模向下运动，窗口圆角处和轮辐侧壁圆角区域的应力比较集中，轮毂成形后此区域应力最大，极易产生锻造缺陷。

               (a)锻造初期              (b)锻造后期

轮毂锻造过程中的应力分布情况 

3F工艺参数对镁合金轮毂锻造的影响的模拟分析

成形温度的影响

成形温度是镁合金轮毂锻造的重要参数之一，因镁合金的伸长率与温度有关，温度升高，镁合金塑性提高，有利于镁合金的轮毂锻造；但是温度过高会导致腐蚀氧化，晶粒粗大，增大变形抗力。模拟工艺参数设定如下：下模窗口处圆角半径为30mm，模具工作速度为6mm·s－1，摩擦系数为0.1，成形温度分别为350，370，390和410℃。

成形温度对变形抗力的影响

锻件变形抗力与成形温度关系较大，成形温度的适当增加使得镁合金的塑性变形能力提高，有利于金属流动，变形抗力下降。但是，随成形温度进一步升高，镁合金内部氧化，导致塑性降低、变形抗力上升。因此，成形温度宜选择在370～390℃之间。

模具工作速度对变形抗力的影响

材料的变形速度一般情况下体现在模具的工作速度上，在不同的模具工作速度下进行仿真计算。其模拟参数设定如下：成形温度为380℃，摩擦系数为0.1，下模窗口处圆角半径为30mm，模具工作速度分别为5，7和9mm·s－1。

模具工作速度对变形抗力的影响

模具工作速度的增大，导致变形抗力增加。因此，结合实际生产情况和工作效率，尽量减小模具工作速度，工作速度宜选择在5～7mm·s－1之间。

下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响

为研究下模窗口(图a中的B区域)圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响，选择不同下模窗口处圆角半径进行仿真计算，结合模型的实际生产加工和重量要求等情况，其模拟模型参数设定如下：成形温度为380℃，模具工作速度为6mm·s－1，摩擦系数为0.1，下模窗口处圆角半径分别为12，16和20mm。

        (a)Ｒ12mm         (b)Ｒ16mm          (c)Ｒ20mm

下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响(仿真结果)

从上图可以看出：下模窗口处圆角半径为12mm时，圆角处出现严重的横向折叠；圆角半径为16mm时，折叠现象减少；圆角半径为20mm时，折叠现象基本消失。这是因为圆角半径的增大，使得金属液流动阻力减小，充型顺畅，同时减小了此处的应力集中情况。

镁合金轮毂锻造试验

1F锻造模具

依照模拟试验结果，结合该型轮毂的实际锻造生产，设计的锻造模具如下图所示。

锻造模具装配示意图

1.上模座 2.上模芯 3.上顶料器 4.下模座 5.下模 

6.下顶料器 7.模板 8.承压板 9.连接螺栓

2F成形温度对镁合金轮毂锻造的影响

进一步对该型轮毂进行锻造试验，其试验成形温度T在350～410℃之间，试验结果如下：T＜370℃时，塑性变形能力差，轮辋处出现开裂现象，见下图a；T＞390℃时，窗口部位出现叠状的裂纹，见下图b；T在370～390℃时，锻件外观质量较好，没有开裂或叠状缺陷，见下图c。试验结果与仿真结果基本保持一致。

(a)T＜370℃     (b)T＞390℃    (c)370℃＜T＜390℃

成形温度对镁合金轮毂锻造的影响

3F模具工作速度对镁合金轮毂锻造的影响

模具工作速度分别为5，7和9mm·s－1，试验结果如下图所示。工作速度为5和7mm·s－1时，质量良好，如下图a和图b所示；工作速度为9mm·s－1时，缺陷出现在窗口区域，如下图c所示。试验结果与仿真结果基本一致。

(a)5mm·s－1       (b)7mm·s－1       (c)9mm·s－1

模具工作速度对镁合金轮毂锻造的影响

4F下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响

从试验的经济性和有效性等方面考虑，借鉴仿真分析结果，其下模窗口处圆角半径分别选择16和20mm两种进行试验。圆角半径为16mm时，镁合金轮毂窗口处出现叠装缺陷，如下图a所示；圆角半径增加至20mm时，镁合金锻造轮毂窗口处成形良好，没有出现折叠现象，如下图b所示。

(a)Ｒ16mm                         (b)Ｒ20mm

下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响(试验结果)

综上：

(1)坯料温度＜370℃时，锻造镁合金轮辋处产生开裂。坯料温度＞390℃时，窗口部位出现裂纹。

(2)模具工作速度为5～7mm·s－1时，镁合金轮毂锻造成形质量较好。工作速度超过9mm·s－1时，变形抗力增加，轮毂窗口部位容易产生裂纹或折叠缺陷。

(3)下模圆角半径≤16mm时，锻造轮毂窗口处出现叠装缺陷;下模圆角半径为20mm时，镁合金轮毂质量较好。

(4)本文试验结果可以应用于镁合金轮毂锻造生产中，同时试验结果与模拟计算结果的相互吻合，表明采用数值模拟计算软件是切实可靠的，为以后其他类似研究提供了参考。

以上仅供参考。

来源： 重庆科赛邦科技有限公司