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转动位置／弧度
图３轮毂材料对最大应力单元的服役应力的影响
１．３结构再设计
轮毂的结构再设计，就是通过调整幅板结构及其与 外轮圈的连接结构，降低轮毂工作应力水平及应力集中 程度，确保轮毂整体工作在轮毂材料的疲劳极限之下。
２ 镁合金轮毂生产用新型挤压铸造方法 的研发
２．１镁合金的铸造工艺特性 镁合金熔融态具有易于氧化燃烧、比热容小、凝固
潜热低、凝固体积收缩大、热膨胀系数高等特性。为了 经济、稳定地生产高品质铸件，在选用铸造工艺时，必须 充分考虑镁合金铸造特性对成形质量的不利影响。
为经济、稳定地获得高品质铸件，镁合金铸造工艺 需要解决以下问题：①在熔炼和浇注过程中为熔体提供 防氧化保护，保证熔体铸造时具有高的冶金质量；②将 铸造工模具预热到合适的温度，防止充型过程中产生凝 固缺陷；③充型过程中，在保证熔体不卷入气体的情况 下尽可能地快速充型。④镁合金充型完成后，实现压力 补缩，最大限度地消除凝固收缩缺陷。 ２．２镁合金轮毂新型挤压铸造工艺
图４新型挤压铸造浇注充型速度场
图５新型挤压铸造凝固温度场 采用新型挤压铸造工艺，不仅能够建立从充型远端 向加压浇道的顺序凝固、消除镁合金的凝固缩孔缩松和
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————————————特种铸造及有色合金 ２００６年年会专刊——
裂纹倾向，还用内建压力梯度受控流充型，防止熔体充 型流动前沿与铸模型腔内存空气混合，为生产无气孔、 可热处理挤压轮毂铸件创造条件。
３ 结论
综上所述，通过材料科学替代为准则的结构再设计 和采用适合镁合金工艺特性的新型成形技术是镁合金 在轮毂上实现规模应用的结构设计和工艺技术基础。
实践表明，采用研发的结构再设计技术和新型挤压铸 造方法，可以设计和生产出性能满足要求的镁合金轮毂， 获得突出的减重节油效果和展示镁合金产品的性能优势。
参考文献
龙思远等——
————————————啕《合金轮毂应用的结构设计及生产技术研发
即：建立三维力学和结构模型（见图１ ａ），实现网格的 合理划分（见图１ ｂ）、进行应力应变分析（见图２），获 取轮毂动态服役工程中的变化规律。
图２轮毂前轮服役应力分布图 从图２看出，轮毂服役状态下的应力峰值出现在接 触地面的辐条与轮缘的过渡圆角处，也即是应力主要集 中的地方。随着轮毂转动脱离地面，轮毂的最大应力值 迅速减缓，应力分析也趋于均匀。 值得注意的是：在相同载荷、约束和几何结构的条 件下，轮毂材料从铝合金变为镁合金，对最大应力及其 在转动过程中的变化产生较大的影响（见图３）。最为 显著的影响为： （１）应力峰值从３８．０ ＭＰａ降低到２７．１ ＭＰａ，降幅 近３０％； （２）转动过程中最大应力出现单元的服役应力变 化幅度减小，降幅近１５％。
如结构分析结果所示，在相同驾乘载荷作用下，轮 毂材料从铝合金更换为镁合金使轮毂应力趋于均匀，应 力水平降低３０％，变形趋于均匀化，使轮毂服役状态更 加理想。但是，值得注意的是，镁合金在轮毂铸造成形 过程中更易于产生铸造工艺缺陷，导致轮毂结构疲劳抗 力的大幅度降低。
为此，最终的结构再设计方案应该保证轮毂产品在
图６和图７分别给出了新型和传统挤压铸造生产 镁合金轮毂的工艺过程示意图。
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１．开模浇注２．合模充型和加压３．开模拉断料头４．再开模取件 图６镁合金轮毂传统挤压铸造工艺示意图
从图６看出，和传统挤压铸造相比，新型挤压铸造 工艺有以下特点：①采用加热浇管封闭定量浇注，将镁 合金熔体与外界隔绝，解决了镁合金熔体浇注过程中的 氧化和降温问题；②采用低压充型和高压凝固分离的模
针对于上述问题，重点介绍了我们在近期完成的轮 毂设计技系统和镁合金轮毂新型挤压铸造工艺开发方 面进行的工作。
１ 轮毂材料替代与结构再设计
轮毂是一个对材料性能、结构设计及工艺质量要求 极为苛刻的安全性能结构件。在开发镁合金轮毂时，除 首先要选择性能满足服役条件要求的镁合金材料外，还 必须根据镁合金的力学性能对轮毂进行结构再设计，才
目前，西方发达国家已经用塑性成形工艺生产镁合
１．１ 轮毂服役工况分析及结构再设计准则
轮毂在服役中主要承受轮胎内气压、摩托车质量、通 过发动机减速箱传递来的扭矩驱动力和路面不平带来摩 托车惯性质量变化，见图１，就轮毂而言，其通过与链轮和 刹车盘连接的螺栓实现驱动和刹车扭矩的传递，通过与减 震筒间的紧固螺钉将摩托车静动态重力传递到路面。因 此，在轮毂设计中主要考虑的是在行驶中的要求：①获得 满意的结构动态疲劳抗力，确保再设计服役寿命期不出 现疲劳失效；②确保应力高度集中的连接部位能够承受 冲击服役扭力而不产生失效；③能在意外冲击载荷下通 过塑性变形吸收能量，减小对驾乘者的伤害。
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镁合金轮毂应用的结构设计及生产技术研发
作者： 作者单位：
龙思远， 徐绍勇， 查吉利 龙思远(重庆大学;重庆硕龙科技有限公司)， 徐绍勇,查吉利(重庆大学)
本文链接：/Conference_6248950.aspx
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１．模具清整、合模２．低压充型 ３．高压凝固 ４．开模取件
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图７镁合金轮毂新型挤压铸造工艺示意图
式，有效减小了压室料头，提高了工艺收得率；③改传统 的三片两开模结构为两片单开模结构，在一次工艺循环 中只需一次开合模来实现浇注和取件，大幅度缩短了工 艺流程，将一只轮毂的工艺循环时间从４—５ ｍｉｎ降低 到２ ｒａｉｎ左右，大幅度提高了生产效率。
金轮毂，由于工艺成本高，生产的镁合金汽车轮毂市场
售价很高。由于价格因素，镁合金轮毂迄今仅用于赛 车、跑车和高档轿车摩托车等对驾乘性能要求较高的车 辆，难以普及到民用市场。
但是，我国轮毂产品的设计是以铝合金和钢为对象进
行的，目前广泛应用的铝合金轮毂铸造工艺生产并不适合 镁合金的铸造工艺特性旧Ｊ。因此，要推进镁合金在轮毂上 的科学应用，不仅要解决镁合金轮毂的结构再设计，还要 开发出适合镁合金铸造工艺特ｆ生的铸造工艺。
１龙思远，王建宏．一种挤压铸造方法，中国发明专利（２００３１０１１０９０３． ７），２００６－０３－１６
２蔡锁歧．镁合金汽车车轮重力铸造研究．铸造技术，２００１（５）：８—１０ ３王昕．铝合金汽车轮毂的生产方法．轻合金／Ｊｎ－ｒ技术，２００１（４）：３８—
４２
４吴立鸿，龙思远．摩托车铝合金轮毂服役应力分析．机械工程材料， ２００４（３）：２１—２２
会随材料工艺性能的变化而发生改变。
因此，在进行结构再设计时必须同时进行新材料结 构的成形工艺分析，在进行最佳性能结构再设计的同时
获得能确保铸件内在质量的最佳工艺结构，为了实现材
料的合理替代奠定工艺基础。
．
为此，以挤压铸造为基础，对轮毂结构的工艺性进
行了虚拟现实模拟及优化。图４和图５给出了采用新
型挤压铸造充型及凝固过程中的关键工艺参数分布。
设计、基于轮毂挤压铸造工艺虚拟现实及优化，镁合金轮毂样件生产及使用性能检测等步骤，可以合理实现轮毂的材料替
代，为生产出使用性能合格的镁合金轮毂产品提供了结构设计基础。为适应镁合金的铸造工艺特性和轮毂的结构设计特
征，开发了新型挤压铸造工艺方法。和传统轮毂铸造工艺相比，新的挤压铸造方法除满足镁合金铸造工艺性能外，还具有
２．４轮毂服役性能检测
经送国家认可的权威检测所按相关标准进行各项 使用性能检测合格后，重庆隆鑫集团和重庆镁业联合相 关媒体将装配了挤压铸造镁合金轮毂的摩托车和同型 号装配了铝合金轮毂的摩托车进行了名为“八千里路 云和月”的８ ０００ ｋｍ对比道路试验，路况包括“甘肃、青 海、西藏、四川”等恶劣道路。
工艺收得率高、生产效率高、工艺成本较低的特性。采用上述结构再途径设计和新工艺生产的轮毂，通过减重，显著提高了
摩托车动力学性能和燃油经济性，为镁合金在轮毂等安全性能结构件上规模应用奠定了设计和生产工艺技术基础。
关键词：材料替代；结构再设计；挤压铸造；轮毂；镁合金
镁合金是规模应用的最轻金属结构材料。它拥有 低的价格、高的比性能（比强度和比刚度）、突出的阻尼 减振性能…。将镁合金用于汽车、摩托车结构（特别是 高速运动构件），能降低车辆自重及燃油消耗，降低车 辆的振动和噪声，提高车辆加减速的动力学特性，既能 达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适 度。轮毂是汽车、摩托车上用量最大的高速运动部件。 将镁合金用于轮毂，能大幅度降低轮毂质量（减轻质量 ２０％一２５％）和轮毂的动态转动惯量，达到显著改善车 辆的启动、制动和加减速动力学性能、达到节油降低排 放的目的。
获得更高安全系数的同时，不增加轮毂的材料使用体 积，达到通过结构再设计实现减重的目的。
１．４结构再设计中的材料本体性能及成形工艺因素
结构再设计的基石之一是本体材料性能。轮毂失
效机制涉及到的一个重要考虑是材料本体性能必须与
服役状态分析及再设计时采用的数据一致。而事实上，
在进行材料替代时不仅改变了材料的基本性能参数 （弹性模量等），结构成形工艺性及铸件性能可靠性也
试验表明，挤压铸造镁合金摩托车轮毂通过了严酷 的道路试验，表现出满意的使用性能。此外，和装配铝 合金轮毂的摩托车相比，装配了镁合金轮毂的摩托车还 体现出如下优异特性：①比相同铝合金轮毂减轻质量 ３０％左右；②百公里综合油耗从３．２ Ｌ降低到２．７８ Ｌ； ③“０—８０ ｋｇ／ｈ”加速时间从２３ ｓ缩短到１６ ｓ；④驾乘舒 适性大幅度提高。
——轻有色合金——特种铸造及有色合金 ２００６年年会专刊——
镁合金轮毂应用的结构设计及生产技术研发
龙思远ｈ２徐绍勇１ 查吉利１ （１．重庆大学；２．重庆硕龙科技有限公司）
摘 要 在阐述镁合金力学性能和工艺特性的基础上，简要介绍了镁合金在轮毂上应用的结构设计及新型挤压铸造工艺