輪轂是汽車和摩托車上極為重要的安全性能結構件。隨著汽車摩托車輕量化和節(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)和可靠性不但關系到車輛和車上人員物資的安全性，還影響到車輛在行駛中的平穩(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，贏得了市場青睞。
 

一、輪轂的成形工藝

　　目前，摩托車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，問題很多!鎂合金鑄件多以壓鑄的方式生產(chǎn)，然而壓鑄過程中氣體的卷入又導致其力學性能下降。與傳統(tǒng)的金屬型重力鑄造相比，壓鑄時金屬液體在澆口的高速噴射比重力自然流入的高溫液態(tài)金屬有著更好的充型效果，但也正是由于高溫、高壓、高速的金屬噴射，使金屬液體與型腔內(nèi)的空氣和熱金屬與型腔內(nèi)殘留潤滑劑所產(chǎn)生的煙氣有更大可能的結合，這些氣體來不及排出，從而形成氣孔缺陷。為解決這一問題，近年來，研究者研究開發(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)壓鑄工藝的基礎上，輔以抽真空技術，在輪心處局部補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的瓶頸及難點之一是真空截止閥的結構及真空系統(tǒng)的設計。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排出的通道;二是在抽出氣體后及時關閉，阻止金屬液體進入真空通道。圖1為不同結構的真空閥。按其工作原理主要可分為3類：①改變通道的截面積，使金屬液的流動性逐步下降(如果需要，可以通水冷卻使其流動性下降)，而在進入真空管道前金屬液的流動自然停止，如“Z”形槽(鋸齒型)的真空閥(見圖1a)；②通過檢測型腔中金屬液的充填位置，利用液壓或氣壓使真空閥關閉；③利用金屬液的慣性沖擊力使真空閥的排氣通道關閉，如瑞士方達瑞公司和趙蕓蕓等設計的真空閥(見圖1b、圖1c)等。

　　以上3種方法各有優(yōu)缺點。針對“Z”形槽槽真空閥金屬液在充型過程中浸入波浪形通道因激冷凝固而迅速堵塞排氣通道，終止抽真空過程，但排氣槽的薄片形通道截面小，導致其抽氣速度慢，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間，更重要的是其型腔內(nèi)真空度低且波動大而不能應用于高真空壓鑄，而且這種結構導致鑄件投影面積增大，提高了鑄件對設備的要求，造成資源的浪費；第2種方法在金屬液剛充入型腔的時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，甚至可以達到0.3~0.4MPa，起不到理想的抽真空效果，并導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，因為從封閉真空通道到金屬液的充型完畢時間約為0.1S，增大前期真空度在如此短的時間內(nèi)仍可達到理想的狀態(tài)；第3種方法利用金屬液慣性沖擊力控制真空閥關閉，雖然其是目前應用最廣的方法，但仍有不少問題。首先，為了防止慣性力關閉真空通道前金屬液體進入真空通道，無論是瑞士方達瑞還是國內(nèi)其他高校開發(fā)的利用慣性力關閉真空通道的方法，都采用曲折直徑偏小的真空通道增大阻力延長金屬液體到達真空通道的時間，防止金屬液體進入真空通道。但正是由于這曲折直徑偏小的真空通道增大了氣體流阻，不利于在較短的時間內(nèi)達到高的真空度，所以這種所謂的全程抽真空技術并沒有明顯的效果；其次，慣性力不穩(wěn)定或者氣壓過大等原因造成真空閥沒有關閉或關閉過早，而生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品；同時，由于這種結構的不穩(wěn)定性，一旦金屬液體進入真空截止閥內(nèi)，維修成本特別高。針對以上不足，本課題在第2種方法的基礎上采用直通排氣大截面高速響應通道使真空通道關閉前達到較高的真空度，液壓系統(tǒng)精確控制真空閥的關閉“并在此基礎上優(yōu)化澆注工藝。

三、兩種抽真空澆注工藝

　　輪轂的生產(chǎn)工藝過程中有4點較為關鍵：①輪輻是主要受力區(qū)域，屬于重要部位，該部位必須達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整個輪轂鑄件應采用工藝手段消除構件內(nèi)部疲勞缺陷(如渣孔、氣孔、縮孔、縮松、宏觀偏析等)。現(xiàn)對鎂合金真空壓鑄輪轂在臥式壓鑄機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)設計，而且能夠?qū)喰暮翊蟛课贿M行壓力凝固補縮，有利于提高輪轂鑄件致密度，減少縮孔、縮松缺陷。若在冷室壓鑄機上采用中心充型頂部抽真空方式(見圖2)那么，模具需設計成三片兩開式結構，不僅增加了模具成本，而且會降低生產(chǎn)效率，壓頭只能為輪心熱節(jié)提供有效補縮，而分布在輪緣上的熱節(jié)因薄壁輪輻較早凝固堵塞補縮通道而出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，降低其力學性能。即使采用真空壓鑄工藝也無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、縮松只能通過改變結構或者補壓來解決)。有時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，在后續(xù)機加工去除(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)和力學性能。傳統(tǒng)的臥式冷室壓鑄機中心充型頂部抽真空輪轂成形工藝通過在輪緣上面開設溢流槽，并通過環(huán)形通道把溢流槽與真空通道連接，這樣來抽取型腔內(nèi)的氣體。一方面這種工藝方法開設溢流槽和環(huán)形通道會顯著降低輪轂產(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效果。

　　2、底部澆注中心抽真空

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

　　采用臥室壓鑄機底部充型環(huán)形橫澆道、加厚內(nèi)澆口、中心抽真空輪心處局部補壓的工藝，一方面環(huán)形橫澆道會在第一時間封閉分型面(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更加均勻;另一方面通過加厚內(nèi)澆口保證外部壓力的傳遞，改善中心澆注輪輞縮松、縮孔缺陷多的問題，并且輪輞的厚度大于輪輻的厚度，使輪輻的補縮通道暢通而獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件;在輪心厚大部位設置大的積渣包并輔以補壓工藝以減少縮松、縮孔，整個輪轂在輪緣和輪心雙向補壓的作用下凝固獲得更佳的力學性能"同時在中心位置開設大截面、直通徑的排氣通道而達到理想的抽真空效果。

四、模具加工以及實際生產(chǎn)中的問題

　　采用真空壓鑄由于要保證抽真空的效率，在模具的加工過程中對配合面的精度要求偏高?；瑝K與定模板的配合、頂針與動模板的配合以及密封條的放置位置都需要嚴格控制;加工過程中是冷配合的問題，而實際生產(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，若間隙過大會導致密封效果不好，若間隙過小，會出現(xiàn)卡模、拉毛的狀況。

　　針對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的冷隔、夾雜、裂紋等缺陷，分別通過調(diào)節(jié)金屬液溫度或者模溫機的溫度"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改善。而對于輪心處變形的問題，因為補壓桿后退再開模跟蹤會影響生產(chǎn)效率!解決方案為：①對補壓桿通冷卻水并周期性的施加潤滑油;②補壓桿的導滑套加長伸入定模芯一部分(見圖4)減少金屬液包裹補壓桿的長度，這樣補壓桿就不用后退可直接跟蹤開模。通冷卻水以及潤滑油在不降低生產(chǎn)效率的同時增加了補壓桿的壽命(補壓桿長時間與金屬液接觸，溫度一直過高容易拉毛，不但配合容易出現(xiàn)問題，而且影響真空通道的關閉)。

　　生產(chǎn)中采用動模芯與4個滑塊的配合面進行定位(見圖5)，剛開始生產(chǎn)的時候沒有問題，可是生產(chǎn)一段時間由于夾雜等一些污物跑到定位面的位置導致4個滑塊不能完全合緊，在接觸的地方產(chǎn)生披縫，并且此處開模后噴槍也不能掃到，很難清理。只有采用4個滑塊接觸的地方作為定位面原來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法精確定位的問題。

　　根據(jù)前期生產(chǎn)樣件臺架試驗的結果，氣門孔分布的輪輞處是沖擊最容易破壞的地方，以往氣門孔的位置通常是放置在兩輪輻的中間部位，為了減小應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孔移到兩輪輻之間鈍角一側的方案，這樣由于輪輻的支撐作用氣門孔處的應力將大大改善。

五、結論

　　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噴射充型時模具型腔內(nèi)氣體來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)，并可通過熱處理提升鑄件本體材料的力學性能。

　　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；相比中心澆注頂部抽真空中心單向補壓的方式，輪緣和輪心雙向補壓可獲得更佳的力學性能。

　　3、由于模具加工時處于常溫狀態(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，若間隙過大導致密封效果不好，若間隙過小，會造成卡模、拉毛的狀況;針對輪心的變形，補壓桿應通水冷卻和通油潤滑來維護設備并提高生產(chǎn)效率。