鎂合金汽車輪轂真空高壓鑄造的開發與設計

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.01.004

Development and Design of Vacuum High Pressure Casting for Magnesium Ally Automobile Wheels

Abstract：Inthemodernautomobileidustrywiththeincreasingrequirementsforligtweightandfueleconomymagnesiuloy asalightweightmaterialwithexcelentperformance，hasbeenpaidmoreandmoreatentionbytheindustryMagnesiumalloyhas thecharacteriticsoflowdensityhighstrengthandgoodprocessingperformance，soitsshowngreatdevelopmentpottial in thefieldofautomobilemanufacturing，especiallitheaplicationofautomobilewheels.Inthispaper，thvacuumhgpssure castingtechnolgofmagnesiumaloyautomobilehelisdiscusseddeeply.Byanalyzingtecharacteristicsofmagnesiumloyte processprincipleandfowofvacumigpressurecasting，temagnesumaloyheelisesignedtomeetthespecificperfoance requirements.

Key words：Magnesium ally; Automobile wheel hub; Vacuum high pressure casting; Develop; Design

0引言

隨著全球汽車工業的快速發展，輕量化已成為提升汽車性能與燃油效率的重要趨勢。鎂合金憑借其低密度、高強度以及良好的減振性能，逐漸成為輕量化材料的理想選擇，尤其在汽車輪轂等關鍵部件的應用領域，展現出廣闊的應用前景。傳統的鋁合金與鐵合金雖在汽車制造領域占據主導地位，但在減重與性能提升方面存在一定的局限性。鎂合金的應用為實現更高燃油經濟性、降低碳排放提供了新的解決方案。

1鎂合金的特性及其應用

1.1鎂合金的物理化學特性

鎂合金作為重要的輕質金屬材料，憑借優良的物理與化學特性，在航空、汽車等高技術領域得到了廣泛應用。其比重約為 ，明顯低于鋁和鋼，在減輕結構重量方面優勢顯著；同時，鎂合金具有良好的比強度與比剛度，能在保證強度的同時減輕組件質量。鎂合金的加工性能優異，鑄造性能良好，可實現復雜形狀的一次性鑄造成型，大幅減少后續加工工序，有效提高生產效率。不過，鎂合金在高溫環境下，強度與硬度會顯著降低，限制了其在高溫工況中的應用。

1.2鎂合金在汽車行業的應用

鎂合金憑借其優異性能，在汽車行業中得到了廣泛應用。其密度較低，應用于汽車制造時，可有效降低整車質量，提高燃油經濟性，減少排放。尤其在電動汽車和混合動力汽車領域，減輕車身質量對延長續航里程至關重要。同時，鎂合金具備良好的抗振性與剛度，在滿足結構強度要求的基礎上，可提升車輛的操控性能與舒適性，因此成為懸架系統、車體框架及輪轂等部件的重要材料選擇。鎂合金還擁有出色的加工性與成形性，適用于鑄造、擠壓、沖壓等多種成形工藝。特別是真空高壓鑄造工藝的應用，能夠顯著提高鎂合金零件的力學性能與表面質量，滿足汽車行業對高性能零部件的嚴格需求。

2真空高壓鑄造工藝

2.1工藝原理

真空高壓鑄造是一種先進的鑄造工藝，其做法是將鑄造材料放置于真空環境中，借助高壓使其快速填充鑄型。該工藝的原理是利用真空排除氣體及雜質，防正鑄件出現氣孔、夾雜物等缺陷，從而保證鑄件的致密性與機械性能。在該工藝中，先將鎂合金熔化，并置于經過真空處理的鑄型中。隨后，通過高壓氣體（一般為氮氣或惰性氣體）將熔融金屬快速注入鑄型，實現快速充型。在高壓作用下，鎂合金能迅速填滿鑄型的各個部位，保證鑄件的完整性與尺寸精度。由于處于真空環境，鑄件在凝固時不受外界空氣干擾，降低了氧化和氣體夾雜的風險。此工藝的關鍵優勢在于能夠大幅提升鑄件的強度與韌性，減少鑄造缺陷，特別適用于復雜結構鑄件的制造。

2.2工藝流程

在鎂合金汽車輪轂的真空高壓鑄造流程中，關鍵步驟包括熔煉、真空抽氣、鑄造、冷卻與去毛刺等環節。在熔煉階段，將鎂合金原材料投入熔煉爐，加熱至熔化溫度，期間需嚴格維持合金成分均勻，防止合金元素分離與氧化。隨后，利用真空系統對鑄造模具進行抽氣，去除內部空氣與水分，營造良好的鑄造環境，減少氣孔缺陷。同時，要精準控制真空度，確保鑄件的密實性。進入鑄造環節，將熔融的鎂合金快速注入預先加熱的鑄模。借助高壓鑄造技術，使熔融金屬在模具內具備高流動性，有效填充模具的細微結構，保障鑄件的致密性與精度。鑄造完成后進行冷卻，通常采用空氣或水冷卻方式，促使鎂合金在模具中迅速凝固，成型為所需的輪轂形狀。

2.3工藝參數的影響

在鎂合金汽車輪轂的真空高壓鑄造過程中，工藝參數對鑄件質量、性能及生產效率具有重要意義。主要工藝參數包括鑄造溫度、真空度、鑄造速度與保壓時間。鑄造溫度直接關系到鎂合金的流動性與鑄件的微觀結構。合適的鑄造溫度可以增強金屬液的流動性，減少氣孔、冷隔等缺陷。但溫度過高，易引發鎂合金過熱，增大氧化風險，導致晶粒粗大，降低合金的力學性能。真空度對鑄件的密實性極為關鍵。較高的真空度能有效排除鑄造過程中產生的氣體，減少鑄件內部氣孔數量，提升機械性能與抗腐蝕能力，不過這也會增加設備成本與控制難度。鑄造速度影響金屬液的流動和填充性能。速度過快，可能導致填充不均，產生缺陷；速度過慢，則會使金屬液冷卻過快，影響鑄型的完整性。保壓時間的合理控制，能夠確保金屬液充分填充鑄型并完成凝固，提升鑄件的整體質量。通過優化這些工藝參數，可以有效提高鎂合金輪轂的鑄造質量與性能。

3鎂合金汽車輪轂的設計

3.1設計要求

在鎂合金汽車輪轂的設計階段，需考慮多項關鍵要求，以確保其性能、可靠性及市場競爭力。在強度與剛度方面，必須符合汽車制造標準，能夠承受行駛中的各類負載與沖擊力，同時在高溫、腐蝕環境中保持穩定。輕量化設計至關重要，應盡可能減輕輪轂重量，以此提升車輛的燃油經濟性與操控性能，這正是鎂合金輪轂的顯著優勢。輪轂的幾何形狀與尺寸需與汽車整車設計要求相符，確保與車輪、剎車系統精確配合。設計過程中，生產工藝的可行性不容忽視，要保證設計的輪轂能夠通過真空高壓鑄造工藝高效生產，避免鑄造缺陷。

3.2計算與分析

在鎂合金汽車輪轂的設計進程中，計算與分析階段舉足輕重。首先進行結構強度分析，旨在確保輪轂在各類載荷作用下具備足夠的強度與剛度。借助有限元分析（FEA）軟件，模擬輪轂行駛時所承受的靜載荷與動態載荷狀況，以此幫助設計師精準識別潛在的疲勞點和應力集中區域，進而實現輪轂結構的優化。其次，進行材料性能計算，評估所選鎂合金的密度、強度、延展性、抗腐蝕性等物理化學特性對輪轂性能的影響。根據材料特性，參照相關工程手冊與標準，計算安全系數，確保輪轂在使用過程中的安全性與可靠性。此外，還需對輪轂質量進行分析，包括鑄造缺陷的預測與控制分析。通過模擬模具溫度、鑄造速度及真空度等參數，評估其對成品質量的影響，確保最終產品符合設計要求。

3.33D建模與仿真

在鎂合金汽車輪轂的設計過程中，3D建模與仿真是極為關鍵的環節。首先，運用計算機輔助設計（CAD）軟件進行輪轂的三維建模。構建精確的幾何模型，能夠有效評估輪轂的結構強度、剛度以及在不同工況下的性能表現。建模時需全面考慮輪轂形狀、尺寸、孔位等設計細節，確保符合車輛安裝要求。隨后，借助有限元分析（FEA）方法對建模結果進行仿真。該過程模擬輪轂在實際使用中的力學行為，包括靜力學與動態響應分析。通過輸入材料物理性質，仿真軟件能夠輸出應力、應變分布及安全系數等關鍵數據，幫助設計師識別潛在的失效模式。此外，利用仿真結果優化設計參數，如厚度、支撐結構、重心位置等，提升輪轂性能與安全性。最終，利用仿真結果開展多輪設計迭代，確保設計的鎂合金輪轂滿足強度、重量、成本等綜合要求，為后續的真空高壓鑄造工藝奠定堅實基礎。

4真空高壓鑄造的開發

4.1鑄模設計

鑄模設計在鎂合金汽車輪轂真空高壓鑄造中起著關鍵作用，直接決定著最終鑄件的質量與生產效率。進行鑄模設計時，需綜合考慮多個因素，包括鑄件幾何形狀、尺寸精度、表面質量及冷卻系統設計等。鑄模的幾何形狀必須與輪轂設計高度契合，準確呈現其細節特征。同時，要合理規劃模具分型面，以便鑄件順利脫模。為提升鑄件表面質量，通常需對模具內表面進行拋光處理。冷卻系統設計是鑄模設計的重要內容，合理的冷卻通道能有效調控鑄件冷卻速度，減少變形、裂紋等鑄造缺陷。借助計算流體力學（CFD）工具模擬模具內部流體流動，可優化冷卻通道的布局。鑄模材料的選擇要確保其在高溫下具備足夠強度與耐磨性。常用的鑄模材料有鋼材和鋁合金。綜合權衡上述因素，優質的鑄模設計能為鎂合金汽車輪轂的成功鑄造奠定堅實基礎。

4.2設備選擇與配置

在鎂合金汽車輪轂的真空高壓鑄造中，設備的選擇與配置對鑄造件質量、生產效率和成本起著關鍵作用。以下是設備選擇與配置時需重點考慮的因素。

（1）鑄造設備：首要任務是選擇高品質的真空高壓鑄造機。要考量機型的真空度、壓力范圍、加熱方式等技術參數，確保鑄造過程中氣體有效去除，金屬流動性良好。同時，設備的穩定性和耐用性也很關鍵，這能減少故障停機時間，提升生產效率。

（2）模具材料：依據鎂合金特性，選擇合適的模具材料。模具需具備良好的熱傳導性能和耐磨性，以承受高溫、高壓的鑄造過程。鋁合金或鋼材制成的模具通常是較理想的選擇。（3）真空系統：高效的真空系統是真空鑄造的基礎。要選擇抽真空能力強的真空泵，并確保其與鑄造機兼容，以實現最佳真空效果。（4）冷卻系統：為保持鑄造過程中模具溫度穩定，需配置高效冷卻系統。這有助于提高鑄造件質量，減少鑄造缺陷。

4.3生產流程的優化

在鎂合金汽車輪轂的真空高壓鑄造中，優化生產流程是提升產品質量、降低成本、提高效率的關鍵。具體優化措施如下：

（1）鑄造前準備優化：嚴格把控原材料選擇、熔煉溫度控制及合金成分配比。保證原材料高純度，精準控制熔化條件，有效減少氧化和夾雜物，提升鑄件機械性能。

（2）鑄造過程優化：優化真空系統設計與運行參數，確保鑄造全程維持穩定真空環境，降低氣泡缺陷產生概率。合理調整鑄造速度與壓力，增強金屬流動性，防止冷隔、孔洞等缺陷。

（③鑄造后處理優化：優化固化時間與后處理工藝。適當延長冷卻時間，采用合理的熱處理工藝，提升鎂合金的強度與韌性。同時，建立適配的生產調度體系，減少設備閑置與材料浪費，進一步提高整體生產效率與經濟效益。

（3）金相組織分析：借助金相顯微鏡觀察輪轂金屬組織，分析晶粒大小、相結構等，以判斷合金的均勻性與強度。（4）機械性能測試：通過拉伸試驗、沖擊試驗等方式，評估鎂合金輪轂的拉伸強度、屈服強度、延伸率等機械性能。（5）無損檢測：采用超聲檢測、×射線檢測等無損檢測技術，探測輪轂內部缺陷，確保產品完整。（6腐蝕測試：開展鹽霧試驗等環境腐蝕測試，評估合金在不同環境下的耐腐蝕性能。

5.3數據分析

整理和分析實驗數據，有助于評估鑄造過程的有效性與產品質量。在鑄造過程中，需精確測量并記錄鑄造溫度、真空度、壓力及澆注速度等工藝參數。隨后，通過統計分析方法，探究各參數與最終產品性能間的內在聯系。將實驗數據與行業標準對比，進而評估鎂合金輪轂的強度、硬度、韌性等物理和機械性能。

分析時，著重關注不同鑄造條件對合金組織與性能的影響，為優化鑄造工藝提供有力依據。利用圖表、曲線圖等數據可視化工具，直觀展現各項數據的變化趨勢及相關性，幫助研究人員精準把握鑄造過程的關鍵因素。同時，運用回歸分析等數學方法對數據建模，為后續工藝改進提供可靠支撐。通過全方位的數據分析，為提升鎂合金汽車輪轂的品質與生產效率夯實基礎。

5質量控制與檢測

5.1質量標準

在鎂合金汽車輪轂生產中，制定質量標準是保障產品性能與安全性的核心。具體如下：

（1）化學成分：鎂合金鑄件的化學成分需嚴格遵循相關國家和行業標準，如GB/T5190-2005，以保證材料的均勻性與抗腐蝕性能。（2）物理性能：輪轂的抗拉強度、屈服強度、延展性、硬度等物理性能必須符合設計要求，且需通過拉伸試驗、沖擊試驗等標準化實驗方法加以驗證。（3表面質量：需著重檢測表面有無氣孔、裂紋、砂眼等缺陷，保證表面光滑，提升美觀度與耐用性。可采用目視檢查、超聲波檢測、射線檢測等無損檢測手段。（4）外觀與尺寸精度：成品輪轂的外觀與尺寸精度要符合設計圖紙要求，尺寸公差需遵循GB/T1804相關規定，確保與汽車其他部件良好適配。

6結束語

綜上所述，本文對鎂合金汽車輪轂的真空高壓鑄造進行了全面開發與設計。經研究發現，鎂合金因其低密度、高強度、易加工等優異的物理化學特性，在汽車輪轂應用中展現出極大的輕量化與性能提升優勢。真空高壓鑄造工藝的應用，顯著提高了鎂合金鑄件的致密性與機械性能。通過深入探究其原理、流程及關鍵參數的影響，本文建立了優化的鑄造工藝條件，有效保障了產品質量。在輪轂設計階段，借助先進的計算分析工具以及3D建模、仿真技術，確保了設計的合理性與可制造性。從經濟性與可持續性分析來看，鎂合金輪轂生產成本相對較低，環境適應性良好，具備廣闊的市場應用前景與推廣價值。

5.2檢測方法

在鎂合金汽車輪轂制造過程中，為保證產品質量與性能，需采用科學、系統的檢測方法。主要方法如下：

（1）外觀檢查：憑借肉眼或放大鏡，檢查鑄造輪轂表面是否存在氣泡、裂紋、砂眼等缺陷，確保外觀質量達標。

（2尺寸測量：運用游標卡尺、千分尺等工具測量輪轂尺寸，嚴格按照技術要求控制精確度，保障輪轂幾何形狀與尺寸契合設計要求。

參考文獻

[郭俊卿，樊翠林，陳拂曉.鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝進展凹.鑄造2021，70（6）：639—645.

2傅松橋，常建娥.液態模鍛AZ31鎂合金汽車輪轂的性能分析J熱加工工藝，2021，50（7）：92-96.

③馮恩浪，羅禮營，盧葉，等.基于質量改善的汽車輪轂模具工藝設計研究[].內燃機與配件，2024（12）：41-43.

4夏志東，楊建軍，向峻伯，等.鎂合金汽車輪轂的表面防護層與性能研究J].機械設計與制造，2024（9：70-73.