铝轮圈的锻造与加工工艺de毕业设计

毕业设计题目：铝轮圈的锻造与加工工艺姓名：徐吉栋学号：0702043312院系：机电工程系专业：机电一体化指导老师：魏博2010年03月15日山东铝业职业技术学院目录绪论…………………………………………………………………...31.铝轮圈的优缺点…………………………………………………..41.1重量轻，提高马力……………………………………………41.2安全性能佳……………………………………………………51.3缺点…………………………………………………………...52．铝轮圈的铸造与成型……………………………………………62.1一种汽车铝合金轮圈的制造方法…………………………..62.2铝合金轮圈铸造模流分析………………………………………….112.3轮圈铸造缺陷程度判断准则……………………………………..142.4稳态温度状态下之轮圈铸造模拟分析…………………………172.4.1模拟重复铸造过程以达到稳态模具温度状态……..202.4.2稳态模具温度下吹气冷却对缩孔指标之影响……..212.4.3稳态模具温度下吹水冷却时间对缩孔指标之影响…222.5轮圈外型与铸造质量影响比对分析………………………………242.5.1肋几何形状对铸造质量的影响……………………………262.5.2SI指标与轮圈泄气率之关系…………………………….273.铝轮圈的外观品质标准………………………………………………………28总结……………………………………………………………………………………31参考文献…………………………………………………………………………….32致谢……………………………………………………………………………………33绪论随着经济的发展，现代社会越来越科技化了，汽车已经走进了千家万户，越来越多的人开始使用汽车了，在这个高速发展的社会里，人们外出已经离不开汽车了，不管是去很远的地方还是去附近的一些地方都会乘坐汽车的，而作为汽车的主要部件，汽车轮圈发挥了很大的作用，什么样的轮圈才是最好的呢，本文向大家介绍了铝制轮圈。铝轮圈的优缺点大家应该常听说用轻合金轮圈比钢圈好，到底好在哪里？好到什么程度？以下作一个完整的比较，给各位参考：重量轻，省油：以直径13吋为例，铝合金轮圈约比钢圈轻11％，14吋约轻22％，直径越大，则相差越大，到大型车使用的22.5吋轮圈，约较轻50％左右。以1.6自排房车为例，约可以节省1.76％的耗油量。1.1重量轻，提高马力：对于喜爱大尺寸轮圈的车主，更需要采用重量较轻的轻合金轮圈，来换回马力。当然对于喜爱重踩油门的追风族，也多少提供一点瞬间加速的快感及操控的灵敏度。散热效果好：铝合金不仅热传性能佳，而且多变化的造型设计，可以帮助通风散热，如此可以提高轮胎寿命，减少爆胎危险，以1.6自排房车为例，约可以增加5～6千公里寿命；也提高煞车来令片(提高1倍左右)及煞车油寿命，亦降低因煞车温度过高而煞车失灵的危险。真圆度及均质性较佳：可以降低车辆行驶的震动及噪音。美观多变化：以铸造方法成形，造型结构变化大；本身的金属光泽。多变化的涂装及电镀等方式，造就亮丽的外型。1.2安全性能佳：轻合金轮圈的安全性能测试比较钢圈严格许多，因为它质脆，所以必须额外通过严格冲击试验才行；另外弯矩疲劳试验小货车轮圈为例，轻合金轮圈必须通过比钢圈承受大1.13倍的负载，进行比钢圈长3.33倍寿命的测试；再以径向疲劳试验小货车轮圈为例，轻合金轮圈必须通过比钢圈承受大1.02倍的负载，进行与钢圈相同长寿命的测试。所以一个通过安全性能测试的轻合金轮圈，应该足以应付一般消费者的正常使用情况。回收成本低：铝材回收成本较钢材低，再利用效率高，更符合环保要求。1.3缺点质脆：通常延伸率较低，允许变形的能力较差，所以品质不佳的轻合金轮圈，容易产生断裂的危险。因此对轻合金轮圈进行安全性测试是非常重要的事。品质一致性较差：因为制造过程较复杂(包括材质成份。铸造技术。模具设计。热处理过程。切削及涂装过程),容易因人为疏失而产生问题。价钱较贵：以国产15吋轮圈为例，目前市价铝圈约为钢圈1.7倍。尤其镁圈或钛圈更贵，几乎每个都在万元以上，另外2片或3片组合式的铝圈，也在万元上下。大尺寸依然具有技术瓶颈：以国内传统的重力铸造。低压铸造方法，最大只能生产直径18～19吋以下的铝圈，尺寸越大，产品不良率越严重，建议读者想购买18吋以上的轻合金轮圈，最好选用知名品牌的产品，至少以后出问题时，还能知道找谁理论。当然还有其它铸造法(倾斜式。差压式及溶汤锻造式)及锻造法，各具特色。(有机会再为各位作进一步说明)眼尖的读者应该会注意到在路上有些大巴士(大卡车)好像也用轻合金轮圈，没错您看到的大概是22.5吋的大型轮圈，这些轮圈绝大部份是进口的，没有人知道这种轮圈品质如何？国内也无法可管，不过我相信它对于大型车的煞车效果帮助一定很大。在我国汽车用18吋以下轻合金轮圈检验标准中规定的测试项目有三种，分别如下：弯曲力矩耐久试验：实验室以弯曲力矩耐久试验，来模拟汽车在转弯时，在轮圈所必须承受的弯曲力的反复疲劳作用，轮圈的肋骨及安装盘面是否在规定的寿命内，不会产生裂纹或螺栓(螺帽)松脱的危险情况。承受的弯曲力的反复疲劳作用，轮圈的肋骨。安装盘面及胎环是否在规定的寿命内，不会产生裂纹或螺栓(螺帽)松脱的危险情况。铝轮圈的铸造与成型1、一种汽车铝合金轮圈的制造方法，其特征在于，包括a、采用铝合金材料，通过铝挤型加工方式，制成断面形状与所需要轮圈断面造型相同的长条平板形状的铝挤型板；b、通过圆周长公式的计算，用机具裁剪成特定长度的铝挤型板；c、将裁剪成特定长度的铝挤型板，放置在一组上模具、下模具之间，经由冲压加工方式使铝挤型板两端形成弧缘；d、在铝挤型板成型为弧缘的两端，裁切特定的倾斜角度；e、将两端具有倾斜角度的铝挤型板，放置在一组活动模具中，该活动模具包括设有一圆形外轮廓面的心模块以及可活动脱模的左右两模块，心模块可在铝挤型板上活动位移，使活动的左右模块通过油压系统驱动而相互位移，呈靠近或分离状态，两活动模块靠合时，将铝挤型板一次压合成型一圆圈体，并在圆圈体上形成一等宽平行的接缝；f、由焊接设备将接缝焊合；g、进行金属表面硬化处理；h、进行CNC自动车削加工，使圆形圈体壁厚达到标准值，且形成光滑的外表面，成为汽车轮圈的半成品。铝合金轮圈的铸造方式属于「永久模铸造法」，此铸造法除了考虑模具的尺寸设计与铸模的翘曲外，铸造过程所产生的铸件疵病，经常是轮圈在铸造上所遇到的主要问题，而工程师也经由讨论铸造疵病进而回溯设计模具，或修改制程参数，来降低轮圈铸造时所产生的缺陷问题。图1.1为铝合金轮圈铸造模具示意图，由于铝合金轮圈肋与胎环交接部分的几何型态变化很大，使得此处于凝固时不易得到中央冒口、胎环冒口铝水的补充，加上不干净的铝水、浇注的温度过高或太低、浇注的流速过快或过慢、不稳定的模具温度、不佳的通气性、不当的模具与冷却设计等，造成陷入铝水的气体无法如预期般排出、凝固时缺乏方向性，产生铸件气孔、各种缩孔、充填不足等现象，使得铝合金轮圈无法通过漏气测试以及疲劳测试。图1.1铝合金轮圈铸造模具示意图近年来铸造相关研究可以分成两个主要方向，一类是针对铸造材料的一些细部特性进行观察，如结晶、裂缝的成长等[Caton,2001;Cho,2001]，希望藉由铸造材料成分的或是改变某化合物所占的比例以改善铸造产品的质量；另一类则如Gwyn[1998]对铸造设计时所需考虑的因素，铸造方法、铸造截面设计、铸造截面连接处设计、表面整体性、内部整体性、尺寸大小等进行探讨，针对整个铸造流程以数学模型、CAE工具加以仿真、检讨，并经由实验比对模拟结果，希望由模具、铸件的设计，或应用各项帮助冷却凝固的方法，找出最佳的铸造流程及参数来提升产品的质量，这也是本研究探讨汽车轮圈铸造问题尝试采取之方向。2.铝合金轮圈铸造模流分析以Pro-E建立欲进行仿真分析之轮圈计算机实体模型，并以ANSYS网格此分析模型，配合自行撰写之程序将轮圈网格模型汇入铸造分析软件ProCAST中，图2.1所示即为所建立计算机实体模型各部位之名称与汇入ProCAST之有限元素模型，并将铸造程序中实际之铝水初始温度、浇注时间、吹气吹水冷却时间、模具初始温度等边界条件，施加于ProCAST有限元素模型进行轮圈铸造仿真。图2.1轮圈计算机实体模型与有限元素模型图2.2为铝合金轮圈铸造流动与温度分布分析结果，右侧颜色区块对应分析温度单位为，图中铝水充填时间共花费16秒，由图中可以看出在充填铝水的同时即产生热交换的作用，因此铝水流动的过程将影响铸件与模具的制程温度，且经由铝水的流动状态可观察到模穴内铝水卷气的现象，如图中分析时间8秒之胎环处可看到一明显的空洞，虽说此时铝水的流动性良好，气泡应可顺利排出，但若可避免此一现象将有助于铸造质量的提升。图2.2圆圈标示处显示轮圈铸件散热不均匀现象，此图显示轮圈凝固时，温度下降的变化无法均匀由铸件最下处往上降温，却于胎环及轮圈肋部区域产生一热集中区，位于此区域的铝合金熔液若是无法顺利得到胎环冒口或是中央冒口铝水的补充，则此区域将形成「液体陷入(Liquid-entrapped)」现象[Kreziak,1993]，亦为轮圈铸件最可能产生铸造缺陷之位置。选取胎环与轮圈肋交接的位置并进行此位置的剖面观察，图2.3为轮圈铸件包含胎环与轮圈肋交接的纵剖面图，图右侧颜色区块对应铝合金凝固比率（1为100%凝固，0为0%凝固），由此图可以清楚的观察到胎环与轮圈肋交接区周遭的铝合金凝固比率大于「关键凝固比率(Criticalsolidfraction)」70%[Kreziak,1993]，使得此区无法得到胎环以及中央冒口的铝水补充，因而产生Liquid-entrapped现象，图中以圆圈标示之处即为得不到由冒口补充之Liquid-entrapped位置。图2.2铝合金轮圈铸造流动与温度分布图图2.3轮圈凝固状态纵向剖面图图2.4为元富铝业工程师所提供此分析铝合金轮圈之铸造实际状况，图中经由探伤液所探测出的铝合金轮圈缺陷部分将以红色显示，其中可以看出位于胎环与轮圈肋交接处有明显的缺陷产生，从缺陷的分布看来此缺陷分布由中央部分向外扩展没有切断轮圈的肋骨部分，而于轮圈肋部处形成一个不连续的破坏区域，此缺陷明显为非结构性破坏，乃由不良的铸造环境所造成的铸造缺陷，而此缺陷产生的位置与轮圈模型所仿真出的Liquid-entrapped现象位置相同。进一步与元富铝业工程师讨论此分析结果，得知决大部分铝合金轮圈铸造问题皆发生于胎环与轮圈肋交接处，与分析结果相符，于是如何将分析结果以一定量的方式表示轮圈铸造产生的缺陷程度将于以下进行讨论。图2.4铝合金轮圈实际铸造缺陷位置3.轮圈铸造缺陷程度判断准则仿真软件所提供的判断准则为一种定性的图像型显示方式（如图2.2、2.3），仅可以快速的提供设计者缺陷形成的位置与视觉上的缺陷大小，对于缺陷产生的程度无法有明确量化数据，且仅能提供二维平面显示，实际胎环与轮圈肋部Liquid-entrapped区域乃是三维的空间，因此根据上述的讨论结果定义出以下的轮圈铸造分析模拟之「缩孔指标(ShrinkageIndex,SI)」，期望能有一量化方式由计算机仿真分析软件之分析结果，推估轮圈铸造过程中因前述Liquid-entrapped现象造成缩孔，以致产生缺陷之程度。图3.1显示轮圈胎环与肋交接区域范围，选取轮圈安装盘面外40mm与适当可包含轮圈肋之区域，并以轮圈肋交接胎环最高位置及轮圈J部三个条件决定选取的取样范围，所取得之指针范本如图3.1右侧之有限元素模型。图3.1收缩指标取样范围铝合金轮圈铸件在凝固时若无法得到冒口提供之铝水补充，则Liquid-entrapped现象将会出现于轮圈铸件之中，因此对于缩孔指标SI取样时间的选择，则依照轮圈铸件提供的胎环冒口与中央冒口可正常供应铝水的时间，作为缩孔指标取样时间，以Criticalsolidfraction70%作为判断冒口停止供应铝水的依据。图3.2显示当胎环冒口供应铝水至轮圈