作者：张毅
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ZM5镁合金轮毂。
1镁合金轮毂铸造工艺分析
1.1重力铸造
采用重力铸造工艺生产轮毂，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，相当一部分金属被浪费，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，如陕西华兴航空机轮公司采用金属型重力铸造试制了镁合金轮毂[1]。
1.2压铸
采用压铸工艺生产轮毂，具有生产速度快、尺寸精度高、表面粗糙度低等优点。但由于高压射流卷入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摩托车轮毂等运动部件。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[2]。近期，国内对镁合金摩托车轮毂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，而且可以避免中心浇注顶部抽真空存在的效率较低的问题[3]。
1.3低压铸造
低压铸造由于可采用顺序凝固或顺序凝固和同时凝固并用，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（一般大于90%），铸件组织致密，力学性能较好[4]。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。丰田汽车公司采用低压铸造工艺制造出镁合金汽车轮毂等零部件[1]。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入铸型内，也可在浇注前向模具内充填惰性气体，防止模具内的镁合金液发生氧化；③镁合金液始终在一个较大压力作用下结晶和凝
固，轮毂力学性能较高；④工艺出品率高；⑤易于实现机械化、自动化。
1.4挤压铸造
采用挤压铸造工艺生产轮毂，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[5]。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丰田轿车。国内研发了一种镁合金轮毂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；国内根据镁合金汽车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入轮辐，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，进入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、平稳地充入型腔，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 M Pa、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。借鉴国内外广泛采用的汽车、摩托车镁合金轮毂的主要成形工艺，根据拟试制的镁合金轮毂的结构特点，确定采用低压铸造工艺成形镁合金轮毂。
2 镁合金轮毂低压铸造模具设计
低压铸造镁合金轮毂模具设计应遵循以下原则[10]：①镁合金液在模具中能形成自上而下逐渐增加的温度梯度；②镁合金液充型平稳，无紊流和卷气现象；③铸件脱模时不产生粘模；④各分型面不产生较厚大的飞边、毛刺；⑤砂芯装配方便；⑥过滤网放置合理；⑦模
具定位准确。
拟试制的镁合金轮毂低压铸造模具结构见图1。
由图1可见，镁合金轮毂低压铸造模具主要包括模具系统、浇注系统、排气系统。组装模具的步骤为：首先把下砂芯2放置在底板1中心处；然后在下砂芯2外侧放置金属外型3；接着把耐磨钢圈5放置在金属外型的台阶上，通过金属外型上的螺栓4进行紧固；最后依次放置砂芯6、耐磨钢圈5（“矩形缺口”朝上）、上砂芯7，并在模具顶部放置与模具采用螺栓固定的十字架，以防止上砂芯7在镁合金液充型过程中上浮。
2.1模具系统
模具系统主要根据铸件的结构特点、精度要求和批量等综合考虑。镁合金轮毂外形简单，采用金属外形。中间部位为“马鞍形”结构，采用覆膜砂芯。模具主体由 左、右半型组成。
模具壁厚一方面影响模具的强度、刚度、品质以及寿命，另一方面影响模具的蓄热量和铸件的冷却速度，因此模具壁厚要综合考虑。模具壁厚太厚，造成材料浪费；模具壁厚太薄，在交互的热应力作用下，模具易变形，缩短模具寿命。对于一次性使用的模具，型壁越厚，吸热能力越强；型壁越薄，吸热能力越差。对于反复使用的模具，型壁越厚，导热能力越差，型壁越薄，导热能力越高。镁合金轮毂的轮缘设计中通过增加模具的壁厚来提高镁合金轮毂的冷却速度。
合理选择模具材料，是决定模具寿命及制造成本的主要因素之一。为了保证模具具有足够的高温强度、硬度及良好的综合热物性，在高温下不易被软化或产生变形；具有一定的热稳定性，在高温下抗氧化性、抗腐蚀性，以及不与金属液发生熔接；具有一定的热疲劳性，在交变温度作用下内应力要小，不易产生翘曲、变形及裂纹。H13钢适于做镁合金轮毂的模具材料。
2.2浇注系统
低压铸造镁合金轮毂的金属液自下而上充型，铸件的凝固是自上而下，浇口最后凝固。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入模具。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[11]。镁合金轮毂升液管的内径为70 mm。
2.3排气系统
低压铸造镁合金轮毂浇注过程中，从金属液开始进入模具起，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。低压铸造镁合金轮毂模具设计时应在顶部砂型上预置通气孔。
2.4取件方式
镁合金轮毂的取件方式是左、右金属半型移开后，利用耐磨钢圈下方的凸台将铸件平稳地吊离模具。由于覆膜砂芯具有一定的强度及镁合金液人口处形成“浇口”的作用，所以不会发生型砂顺升液管落人保温炉的情况。
3 结 语
拟试制的镁合金轮毂采用低压铸造工艺成形。其模具采用金属外型、覆膜砂芯；通过增加模具壁厚提高镁合金轮毂的冷却速度；模具材料为H13钢；升液管内r径为70 mm；在顶部砂型上预置通气孔。
4摘要在分析镁合金轮毂主要成形工艺及拟试制的镁合金轮毂结构特点的基础上，确定采用低压铸造工艺试制镁合金轮毂。试制的镁合金轮毂低压铸造模具设计主要包括：采用金属外形、覆膜砂芯；通过增加模具壁厚提高镁合金轮毂的冷却速度；模具材料为H13;升液管内径为70 mm;在顶部砂型上预置通气孔。
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