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镁合金轮毂铸造工艺分析及低压铸造模具设计王随

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：王随

[导读] 摘要：由于飞机的起飞和降落不开轮毂的较高性能，为了确保飞机能够正常行驶，展开镁合金轮毂铸造工艺的分析，对轮毂的发展具有较大的影响，因此要在轮毂结构特点上加以分析，并最终确定低压铸造工艺试制镁合金轮毂。

        中航飞机股份有限公司西安制动分公司陕西咸阳 713100
        摘要：由于飞机的起飞和降落不开轮毂的较高性能，为了确保飞机能够正常行驶，展开镁合金轮毂铸造工艺的分析，对轮毂的发展具有较大的影响，因此要在轮毂结构特点上加以分析，并最终确定低压铸造工艺试制镁合金轮毂。下面将针对镁合金轮毂铸造工艺进行分析，并对低压铸造模具设计进行研究。
        关键词：轮毂；铸造工艺；低压铸造；设计
        引言：由于轮毂直接影响到飞机起飞和降落的安全，其品质和可靠性不但关系到飞机上人员及物资的安全性，而且还影响到飞机行驶过程中的平稳性、操纵性、舒适性等性能这就要求轮轂具有疲劳强度高、刚度和弹性好、尺寸和形状精度高、质量轻等特点。镁合金具有密度低、比强度和比刚度高铸造和切削加工性能好、热稳定性高、阻尼降噪等优点，可作为轮毂材料。本课题在对国内外镁合金轮毂主要铸造工艺进行分析比较的基础上，确定采用低压铸造工艺生产镁合金轮毂。
        一、镁合金轮毂铸造工艺
        1.1压铸工艺
        利用压铸工艺进行轮廓的生产，具有生产速度快、尺寸精度高、表面粗糙度低等优点。但由于高压射流卷人的气体和夹杂弥散分布在铸件中，所以压铸轮毂不能通过热处理提高强度，并且伸长率低，使用过程中可靠性差。为了提高轮毂的使用性能，降低生产成本，国内采用AM60B铸造镁合金和压铸工艺研制轮毂等运动部件。轮毂尺寸较大，模具型腔采用一模一件，浇注系统为中心浇注，只有主流道，无分流道近期，国内对镁合金摩托车轮轂的真空压铸工艺进行了试验研究，结果表明，采用底注式真空压铸制备镁合金轮毂，不但可以通过热处理提高材料的力学性能，而且可以避免效率较低的问题发生。
        1.2重力铸造工艺
        重力铸造工艺，具有制造工艺简单、成熟、生产效率高、投资少等优点。但由于没有外加压力，为了获得致密铸件，往往需要利用冒口补缩，所以重力铸造轮毂的浇冒口较大，工艺出品率低。由于镁合金材料密度较小，自身重力不足以保证获得高强度，所以使用的金属质量是铸件质量的10倍，相当-部分金属被浪费，因此砂型重力铸造较昂贵，只适合单件小批量生产。金属型重力铸造适合批量生产，如我公司轮毂生产，则是使用了这种方法。
        1.3低压铸造工艺
        低压铸造工艺在生产的过程中可以凝固并用，所以适于制造壁厚不均的轮毂。与压铸相比，低压铸造的“缓慢充型”可消除铸件内部的气孔和夹杂。与金属型铸造相比，低压铸造的“低速充型”和“压力下结晶”可获得较好的充型和补缩效果。采用低压铸造工艺生产轮毂，充型速度和凝固期间的压力可以调整，金属材料利用率较高（-般大于90%），铸件组织致密，力学性能较好。低压铸造工艺广泛用于生产铝合金轮毂，也适用于生产镁合金轮毂。20世纪80年代末期，日本开发出先进的镁合金金属型低压铸造装置，该装置由熔炼炉、铸造炉和压铸机3部分组成，采用虹吸管输送金属液。某飞机零件制造厂采用低压铸造工艺制造出镁合金汽车轮毂等零部件口。采用低压铸造工艺制造镁合金轮毂的主要优点如下：①镁合金液在压力下充型，流动性增加，可以避免镁合金液的冲击和紊流，充型良好；②防止镁液氧化的措施易于实施，可在镁液面上方撒布防止其氧化的覆盖剂，由于镁液靠升液管输送，所以覆盖剂及其他夹杂物不会进人铸型内，也可在浇注前向模具内充填情性气体，防止模具内的镁合金液发生氧化。
        1.4挤压铸造工艺
        挤压铸造工艺具有铸造工艺简单、成本低，锻造的品质可靠、性能高等优点。国内挤压铸造铝合金轮毂是利用液压机的顶出缸充当压射缸，其充型速度介于压铸和低压铸造之间，但比压远远达不到挤压铸造要求，与国外采用的挤压铸造不同。

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国内外在挤压铸造镁合金轮毂的研究和应用方面开展了大量工作[6-9]，如日本东芝机器公司的LEOMACS系统，其特点是将挤压铸造与低压铸造及电磁定量浇注结合为一体，可生产形状复杂的薄壁镁合金铸件，利用挤压铸造与电磁传输技术生产的镁合金轮毂已成功应用于某飞机。国内研发了一种镁合金轮轂的新型挤压铸造工艺，其特点为：采用加热浇管封闭定量浇注将镁合金液与外界隔绝，解决了镁合金液浇注过程中的氧化和降温问题；采用低压充型和高压凝固分离的模式有效减小了料头、提高了工艺出品率；国内根据镁合金轮毂产品的结构特点和铸造工艺要求，设计中心浇注式挤压铸造工艺。镁合金液先由中心浇口进人轮辐，然后在分流锥的作用下向周围轮辐充填，在轮辋下边缘交汇后，再逐层向上运动，以层叠的方式进行充型，把气体一直往上赶，进人轮辋上边缘的溢流环。目前，采用挤压铸造工艺制造镁合金轮毂，镁合金液基本是从模具底部低速、大流量、平稳地充人型腔，再进行增压和保压。采用挤压铸造工艺和AM60B合金制造的镁合金轮毂的抗拉强度为218~227 MPa、伸长率为9.8%~10.7%，与铝合金轮毂相比质量减少了46%。拟试制的镁合金轮毂的应用对象是履带式工程车辆，其结构特点为双轮缘结构，在双轮缘内侧需镶铸耐磨钢圈来承受履带板诱导齿的磨损。
        二、低压铸造模具设计
        2.1模具模型
        模型主要由顶模、底模和侧模构成，此模具用于浇铸外径为390 mm的镁合金轮教，镁合金牌号为AZ91D，模具材料为H13钢.前期工作中，在轮辐与轮辋的连接处产生热节，并在凝固后期形成缩孔缺陷，所以需改善模具在这些关键区域的冷却性能.笔者在铸造模具的顶模和侧模分别设置了冷却管道.为了方便讨论和分析，采用3种冷却管道设置方式：（1）单独设置顶模管道；（2）单独设置侧模管道；（3）顶模与侧模同时设置复合管道为了对轮毂铸造过程的模具冷却有一个较系统和清晰的认识。
        2.2排气系统设计
        在进行浇筑时，金属液开始进人模具起，型腔内的气体必须不断地排出型腔，以便于金属液顺利地充满型腔，同时不产生气孔缺陷。由于低压铸造镁合金轮毂采用金属外型，不具备透气性，而且未设置出气冒口，所以在浇注过程中，型腔中的气体除通过分型面之间的间隙排出一部分外，其余的气体靠设置的排气系统排出型腔。因此，在进行模具设计时应预置通气孔。
        2.3浇注系统设计
        镁合金轮毂结构简单，采用中心浇注的浇注系统，升液管位于铸件底部，金属液通过升液管注人模具。由于镁合金易发生氧化，所以采用开放式浇注系统。另外，在金属液入口处加置过滤网，可以起到挡渣作用。升液管相当于直浇道，升液管出口面积即为直浇道面积，应大于铸件的最大热节面积，保证铸件得到充分补缩。为保证金属液流动平稳，加压面积比（即有效加压面积与升液管内圆面积之比）以20~50为宜，最后确定内径为70 mm.
        三、结束语
        为了更好地保障飞机的起飞降落安全，对轮毂的铸造，工艺等进行分析，十分重要展开工艺分析，并找到铸造模型设计的重要环节，对提升轮毂的质量，有着重要意义，因此，要加强镁合金轮毂铸造工艺的分析，提升低压铸造模型设计的科学性和合理性，为保障轮毂质量。
        参考文献：
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        [2]赵玉涛.铝合金车轮制造技术[M].北京：机械工业出版社2017，25.
        [J]侯华.镁合金挤压铸造工艺与装备关键技术开发[J].科技计划成果，2018（15）：16-16.
        [3]武增臣，龙思远，徐绍勇.镁合金轮教的一种新型挤压铸造方法[J].特种铸造及有色合金，2017（9）：878-880.