镁合金汽车轮毂挤压铸造工艺与模具设计.pdf
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1、镁合金汽车轮毂挤压铸造工艺与模具设计重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名:曾聪指导教师:龙思远教授专业:材料加工工程学科门类:工学重庆大学材料科学与工程学院二O 一二年五月S q u e e z eCa s t i n gP r o c e s sa n dD i eD e s i g nf o rM a g n e s i u mA l l o yA u t o m o t i v eW h e e lAT h e s i sS u b m i t t e dt oC h o n g q i n gU n i v e r s i t yi nP a n i a lF u l f i l
2、l m e n to ft h eR e q u i r e m e n tf o rt h eM a s t e r SD e g r e eo fE n g i n e e r i n gB yZ e n gC o n gS u p e r v i s e db yP r o f L o n gS i y u a nS p e c i a l t y:M a t e r i a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n gc。l l e g e。fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n
3、g。fC h o n g q i n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g,C h i n aM a y,2 0 1 2重庆大学硕十学位论文中文摘要摘要轮毂作为汽车的惯性运动部件,轻量化将显著降低车辆的行驶能耗和排放。镁合金作为最轻商用合金,极具比性能优势,用镁合金实现汽车轮毂减重,是通过运动部件轻量化显著降低车辆能耗和排放的有效途径。然而,目前汽车轮毂主要采用重力铸造或低压铸造生产,因其缺乏镁合金致密成形所需的高压补缩能力,不适合镁合金轮毂的高工艺品质规模生产。因此,开发一种适合镁合金铸造工艺特性的新型轮毂铸造成型方法,是推动镁合金在轮毂产品上规模应用
4、的关键。本课题以长安1 6 M T 轿车轮毂为对象,基于前期的真空挤压铸造研究积累,进行轮毂结构材料替代设计、真空挤压铸造工艺开发与优化、铸造模具优化设计,为样件生产、形成适合规模生产的新型轮毂挤压铸造技术、和在保有量巨大的卧式冷室压铸机上用该方法规模生产镁合金轮毂奠定工艺技术研究基础。本文取得的主要成果如下:根据轮毂工艺结构特征,提出了基于卧式冷室压铸机、中心局部补缩、真空辅助充型的新型轮毂挤压铸造成型方法;完成了长安铝合金轮毂的三维造型和服役状态有限元应力分析,逆向确定了长安铝合金汽车轮毂的设计准则,即,疲劳强度系数n 2 4 7;根据真空挤压铸造镁合金的机械性能,对轮毂产品的服役及工艺结
5、构进行再设计,在满足结构工艺要求的前提下,和原铝合金轮毂的3 6 4 M P a 相比,使镁合金汽车轮毂的峰值服役应力降低了3 6,为2 3 4 M P a,安全服役系数从2 4 7 提高到2 6 5,并实现减重2 5;设计了适合汽车轮毂结构特点、技术经济指标具备竞争优势的工艺方案;对镁合金轮毂的铸造过程进行了仿真分析,并优化了浇注排溢系统和铸造工艺参数组合;确定的最佳工艺参数组合为:浇注温度6 8 0。C,模具预热温度2 5 0。C,压射速度0 7 m s;在真空辅助挤压铸造工艺的基础上,参照相关标准和手册,完成了汽车轮毂的成型模具设计。关键词:镁合金,汽车轮毂,挤压铸造,有限元分析,模具设
6、计重庆大学硕士学位论文英文摘要A B S T R A C TA st h em a s s i v ei n e r t i am o v i n gp a r t so fac a r,t h ew h e e l s w e i g h ts a v i n gw i l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n so ft h er o a dv e h i c l e W h i l eM ga l l o yi st h el i g h t e
7、 s tc o m m e r c i a la l l o y so fe x c e l l e n ts p e c i f i cp e r f o r m a n c e I ti s,t h e r e f o r e,a ne f f e c t i v ea p p r o a c ht or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nv i au s i n gM ga l l o y st op r o d u c el i g h t w e i g h tw h e e l s o ft h ev e h i c l e sC u
8、 r r e n t l y,t h em a i ns t r e a ma u t ow h e e l sa r em a i n l ym a d eo fA 1a l l o yb yg r a v i t yd i e c a s t i n go rl o w p r e s s u r ed i e c a s t i n g H o w e v e r,t h ep r o c e s si sn o ts u i t a b l et op r o d u c eq u a l i t yM gw h e e l sd u et oi t sl a c ko fs h r
9、i n k a g e f e e d i n gc a p a b i l i t y T h e r e f o r e,i ti sc r i t i c a lt od e v e l o pan e wh i g hp r e s s u r ed i e c a s t i n gt e c h n i q u ef i tt h ec a s t i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t i e so fM ga l l o y si no r d e rt op r o m o t et h em a s sc o m m e r c i a
10、lu s eo fM gw h e e l s B a s e du p o nt h ep r e v i o u sd e v e l o p m e n t,t h ep r e s e n ts t u d yd e s i g n e dt of u l f i l lt h es t r u c t u r ed e s i g nf o rm a t e r i a ls u b s t i t u t i o n,d e v e l o p m e n to fan e wv a c u u ma i d e dh i g hp r e s s u r ed i e c a s
11、 t i n gt e c h n i q u ea n do p t i m a ld e s i g no ft h ec a s t i n gp r o c e s sa n dm o l di no r d e rt ol a yas o u n db a s ef o rp r o c e s s i n gd e v e l o p m e n ta n dp r o t o t y p i n go fM gw h e e l sf o r1 6 M TC h a n g a np a s s e n g e rc a rT h em a i na c h i e v e m
12、e n t so ft h ep r e s e n tt h r e e y e a rs t u d ya r ed e t a i l e da sf o l l o w s:A c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h e e l,av a c u u ma i d e ds q u e e z ec a s t i n gp r o c e s sw a sd e v e l o p e d,w h i c hi sc a p a b l eo fp a r t
13、 l yf e e d i n gt h es o l i d i f i c a t i o ns h r i n k a g ea n dp e r f o r m e do no r d i n a r yc o m m e r c i a ld i e c a s t e r sA c c o m p l i s h e dt h e3Dm o d e l i n go fC h a n g a nA 1w h e e la n df i n i t ee l e m e n t a la n a l y s i so fi t ss e r v i c es t a t e,b a
14、s e do nw h i c h,t h ed e s i g nc r i t e r i aw a sr e v e r s e l yd e t e r m i n e d B a s e do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eM ga l l o yp r o d u c e dw i t hv a c u u ma i d e ds q u e e z ec a s t i n g,t h es t r u c t u r eo ft h eA 1w h e e lw a sr e d e s i g n e
15、dw i t hc o n s i d e r a t i o no fi t sc a s t i n gc a p a b i l i t y W i t ht h eo p t i m a ls t r u c t u r ed e s i g no f2 5 w e i g h ts a v i n g,t h ep e a ks e r v i c es t r e s so ft h eM gw h e e lw a sr e d u c e df r o m3 6 4M P ao ft h eo r i g i n a lA 1a l l o yw h e e l st o2 3
16、 4M P a a n dt h es e r v i c es a f e t yf a c t o rw a si n c r e a s e df r o m2 4 7o ft h eo r i g i n a lA 1w h e e lt o2 6 5W i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h es t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ew h e e l,as q u e e z ec a s t i n gp r o c e s sw i t ht e c h n i c a la n de
17、c o n o m i cc o m p e t e n c ew a sd e s i g n e da n do p t i m i z e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e da s:英文摘要6 8 0。Cm e l tp。u r i n gt e m p e r a t u r e,2 5。0 Cm。1 dp r e h e a t i n gt e m p e
18、r a t u r e,0 7 m si I】=j e 吼i 同o ns p e a e d Br。c e s sa n dr e l e v a n td e s i g nc r i t e r i aandsedu p o nt h ed e s i g n e dc a s t i n gPa1 o c e 龄。d u u l u。s t a n d a r d s,t h ec a s t i n gm。l dd e s i g nw a sa c c。m p l i s h e d K e y w。r d s:M a g n e s i u ma 1 1。y,A u t。m。t i
19、 V ew h e e l,s q p e e z eC a s t i n g,F E Ma n a l y s i s M o l dd e s i g nl l I重庆人学硕士学位论文目录目录中文摘要I英文摘要I I1 绪论11 1 前言11 1 1 交通一具与轮毂轻量化的优点21 1 2 镁合金在交通T 具上的应用21 2 镁合金轮毂的研究现状31 2 1 轮毂的生产技术现状31 2 2 镁合金轮毂成形研究的发展趋势41 3 课题研究意义和内容51 3 1 研究意义51 3 2 研究内容52 汽车轮毂新型铸造成型工艺开发62 1 镁合金的铸造工艺特性62 2 汽车轮毂的成形工艺要求72
20、 3 真空压铸技术的研究现状72 3 1 真空压铸的特点72 3 2 真空压铸抽真空的方法82 4 双重补压的新型铸造成型工艺92 5 本章小结1I3 原汽车轮毂有限元分析及设计准则确定1 23 1 汽车轮毂三维模型的建立及服役模型抽象1 23 2 铝合金汽车轮毂的有限元分析1 33 2 1 轮毂3 D 模型的建立1 43 2 2 轮毂3 D 模型的导入1 43 2 3 轮毂材料的选用1 43 1 2 4 轮毂网格的划分1 53 2 6 轮毂载荷的处理1 63 2 7 轮毂有限元求解1 73 2 8 轮毂有限元分析结果1 73 3 轮毂设计准则的导出2 0l V重庆人学硕十学位论文目录3 4
21、本章小结2 04 镁合金汽车轮毂结构再设计2 14 1 结构设计原则及要求2 14 1 1 结构设计基本原则2 14 1 2 结构设计基本要求2 14 2 轮毂材料替代设计的原则2 14 3 再设计后的镁合金轮毂有限元分析2 34 3 1 载荷和网格划分2 34 3 2 有限元求解及结果分析2 34 4 本章小结2 55 镁合金汽车轮毂铸造工艺数值模拟2 65 1 合金充型过程的数值模拟2 65 2 合金凝固过程的数值模拟2 75 3 新型挤压铸造工艺优化2 85 3 1 轮毂浇注和排溢系统设计一2 85 3 2 轮毂充型过程模拟及分析3 45 3 3 轮毂凝同过程模拟及分析3 75 4 本章
22、小结3 96 镁合金汽车轮毂挤压铸造模具设计4 06 1 模具材料的选择及热处理4 06 2 分型面的设计4 36-3 成型零件的设计4 46 4 模架及其它附件的设计4 66 4 1 模板的设计4 66 4 2 模鹰的设计4 76 4 3 推板、推杆|古1 定板的设计4 86 4 4 其他附件的设计4 96 4 5 模具装配图5 06 5 模具的校核5 16 5 1 模具厚度校核516 5 2 动模座极行程校核5 27 结论与展望5 3致谢5 5参考文献5 6V目录里壅奎堂堡主堂垡笙壅一V I99汐孓,5一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一:一一一一一
23、一一一一一一目一一项;|录研目科一文的 七=:一论与一的参:一表要;|发主一问间一期期一位位一学学一士士录颜颜攻攻k&附一重庆人学硕士学位论文1 绪论1 绪论1 1 前言随着环保及节能成为全社会共同关注的焦点话题,如何节约能源、减少对环境的污染、提高能源利用率是当今人类面临的一个非常重要而紧迫的问题,大量的关注度集中在了使用轻质材料来实现产品轻量化上。当今社会对交通工具的低排放、轻量化、高效率要求越来越高,使得交通制造业也越来越多地关注高性能轻质合金材料的开发和应用了 2-4 。我国的铁矿和铝土矿资源贫乏,而在我国青海湖、辽宁大石桥、海城等地都有丰富的高品质镁资源,菱镁矿储量约2 7 亿吨,居
24、世界首位。按每年增长2 0 的使用量计算,全球可开采和使用的镁资源可达千年以上。镁的密度小(1 6 5 9 e r a 3 1 8 5 9 c m 3),其合金是最轻质的商用金属工程结构材料。镁合金的主要优势在于(5-7 1:密度小,质量轻,可提高燃油效率,减少燃油消耗量,降低噪音;比强度和比刚度高,可代替部分铝合金和钢作为承载件或覆盖件;吸振降噪、抗冲击和抗压缩能力强,镁合金抵抗震动及降低噪音的性能特佳;散热性、铸造性能好、尺寸稳定性强、电磁屏蔽性能优良。无污染并可做到完全回收利用,是绿色工程材料。镁合金的轻质、节能、减震吸噪、电磁屏蔽等优点,使得镁合金在国防、航空航天、交通和其他电子产品领
25、域都具有广阔的应用前景一J。虽然我国原镁总体产量已经占全球总量的8 0,堪称镁工业大国,但由于我国镁产品的开发晚于世界其他发达国家,没有形成完整的镁加工应用产业体系。我国大部分镁产品都是以原料或最初级镁产品(镁锭)的形式低价出口,对镁及其合金的开发应用研究较少,产业结构很不合理,致使我国的镁产业成为了以牺牲环境资源的大而不强的产业。因此,我们应该积极研究镁合金,并努力进行产学研结合,推动镁合金的应用及产业化,把我国的镁产业转化成集资源、产品和技术的全优产业链一J。相比于我国,国外对镁合金的开发应用相当重视,出台一些大型的应用研究计划项目,加大了镁及其合金在资源开采、加工成形和应用开发方面的研究
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