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1、南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 绪论1.1摩托车车轮发展概况随着工业的飞速发展，摩托车工业也快速的壮大起来，摩托车成为了人们出行所使用的主要交通工具之一。尤其是在发展中国家里，摩托车的拥有数量非常庞大。在我国各大城市里，摩托车已经成为许多家庭的主要交通工具。正是由于摩托车市场的庞大的需求量，从而促使了摩托车企业的快速发展，制造摩托车的工艺也在不断进步。摩托车车轮是摩托车中极其重要的部件之一，它的质量好坏直接影响着摩托车行驶的安全和可靠。早期的摩托车速度较低，其车轮结构为刚性连接，轮胎为高压胎。随着轮胎及车轮技术的发展，低压轮胎逐渐取代了高压轮胎。与此同时，低压轮胎又出现了无内胎轮胎。目前
2、，摩托车车轮主要有三种结构形式：轮圈辐条组合式车轮、辐板式整体车轮和轻合金车轮。轮圈辐条组合式车轮是一种传统的结构型式，该种车轮与早期刚性连接的车轮相比，减震性能较好。但是，这种车轮受结构的限制，车轮的外形变化比较困难，不能适应摩托车外观造型日新月异的需要。并且由于这种结构车轮受轮圈冲孔的限制，不能装配无内胎轮胎，使它的发展大受影响。辐板式整体车轮分为辐板式整体钢车轮和辐板式整体铝车轮。辐板式整体钢车轮主要用于中、低挡小轮径摩托车。其钢制轮圈的工艺方法是用钢板卷制后焊接成型，使用一段时间后，焊接部位易生锈造成无内胎车轮漏气。辐板式整体铝车轮有质量小、铝辐板形状容易变化等优势。另外，铝合金轮圈和
3、铝辐板通过表面处理后，可以形成车轮所需要的各种颜色，满足了消费者对多种颜色的需求。轻合金车轮是一种整体式车轮，主要有铝合金车轮和镁合金车轮。镁合金车轮具有比铝合金车轮更诱人的潜在优势。虽然目前镁合金车轮已经开始应用于摩托车，但主要局限于赛车上，它不能像铝合金车轮那样进行大批量生产，其主要是因为：1) 镁与氧气有极大的亲和力，在液态下镁可以剧烈氧化和燃烧，在熔炼和整个铸造过程中必须在保护性气氛的覆盖下进行，否则会发生燃烧事故。而目前的保护性气氛都涉及环保问题，不仅会破坏大气臭氧层，而且对人体危害性较大，且极易损坏设备和建筑物。2) 镁合金的化学稳定性差，车轮在使用过程中极易发生腐蚀现象。3) 目
4、前，尚无公认的适合大批量生产的成套镁合金加工设备和工艺。铝合金的初次登场是在50年代，铝合金车轮首次被用于追求高性能的赛车中。因为铝合金车轮质量轻、散热性能好，并且具有良好的外观，所以，铝合金车轮逐步代替了钢制车轮。铝合金车轮具有以下特点：1) 散热快、安全。由于轿车在高速行驶时，轮胎与地面摩擦会产生较高的温度，制动盘和制动片摩擦会产生较高的温度，在这样的高温作用下，轮胎和制动片均会加速磨损和老化，制动效率下降，轮胎气压升高，易造成爆胎和刹车失灵的事故。铝合金的传热系数比钢材大3倍，可将轮胎和制动盘上产生的热量迅速传导到空气中去，避免了轮子在高速运转下产生的种种弊病，从而增强了制动效能、提高了
5、轮胎和制动盘的使用寿命、有效的保障了汽车的安全行驶。2) 重量轻、节能。铝材比重比钢材小，平均每只铝合金车圈比钢质车圈要轻2公斤左右，一辆轿车以5只车轮（包括一只后备车轮）计算可减轻重量10公斤。减轻重量也就意味着节省燃料。 3) 舒适性好。铝合金车圈是精密的铸造件，精加工表面达到80到90，失圆度和不平衡很小，特别是铝合金的弹性模数较小，抗振性好，能减少行驶中的车身振动，提高了整车的舒适性。 4) 外观漂亮。铝合金车圈外表是经抗腐蚀处理再静电粉体涂装，它可以铸成各种花式外形，让人感到有一种美观、精致和豪华的感觉。有车族往往不惜重金更换自己中意的花式外形。 基于铝合金材料有众多的优点，我国摩托
6、车工业也主要是生产铝合金车轮，本课题也采用应用广泛的铝合金材料做为摩托车轮毂的材料。1.2铝合金轮毂成形方法的选择与对比生产铝合金轮毂的方法有铸造法、锻造法、冲压法以及大直径焊管辊压轮圈法。热锻铝轮毂的应用较早，多采用加工性、耐腐蚀性、切削性均较好的6061铝合金。锻造铝轮毂的质量好，但成本高，效率低，适于年产10万件的生产规模，只模锻轮盘效果较好。冲压法是将5454合金的板材深冲成圆筒，再去掉下底和上缘，得到无缝大直径管坯，经辊压成型制得得轮圈性能好，但材料利用率仅为50，且壁厚不均匀。使用大直径焊管辊压轮圈法也能加工出性能高得铝轮毂，但这种方法主要适合于制造二件式铝轮毂。铸造法是目前铝合金
7、轮毂成型方法中非常成熟的一种成型方法，它拥有成套的制造铝合金轮毂的设备和工艺，非常适合制造轮毂这种结构复杂、要求较高的重要部件，被广泛的应用于摩托车铝合金轮毂的制造当中。根据本课题零件材料为ZL101A，年生产纲领为50000件，应选择铸造法来铸造出该摩托车轮毂。1.3铝合金轮毂铸造方法的选择和对比目前，国内外生产轮毂的主要铸造成型方法有压力铸造、金属型重力铸造、挤压铸造、和低压铸造。下面对现行各种主要轮毂铸造成型方法进行论述和比较。压力铸造的特点是在高压高速下充型，高压下结晶。在这一过程中，金属液容易卷入气体、夹杂物。高压射流会破碎气体，形成弥散的小气孔留在铸件中，致使铸件不能通过热处理来提
8、高强度。所以压铸一般适宜生产不需承受较大冲击载荷的薄壁类壳体、外罩体，根本不适合制造作为摩托车重要安全部件的轮毂。在轮毂的金属型重力铸造中，铸件的凝固收缩补偿只能通过建立顺序凝固必需的温度梯度来保证，因此必须在轮辐轮缘交接的热结处及中心厚大部位设置冒口，导致金属熔体工艺收得率较低，只有4060。同时，由于补缩所需得温度梯度及压力均较低，该方法得工艺过程必须严格控制，否则容易产生缩孔、缩松、夹渣、气孔等缺陷。相比于其他几种利用压力进行充型和凝固的铸造方法，该方法得到的轮毂铸件外部和内部质量都较差。由于仅靠重力作用下结晶，所产生的轮毂组织致密度、抗拉强度和硬度低于差压铸造、低压铸造、挤压铸造和压铸
9、等。其伸长率也远不及差压铸造和低压铸造。挤压铸造是借助挤压铸机压头的机械压力，把浇入铸型的合金液挤压成型，并在压力下凝固。挤压铸造的轮毂，表面粗糙度低，结晶压力高，组织致密。但是一般普通的油压机的功能简单，达不到挤压铸机的要求。另外，挤压铸造不如重力铸造有浇注系统，也不如低压铸造的升液管进液口在合金液中间有效避渣，其铸件氧化夹渣严重。挤压铸造虽然结晶压力大，但由于摩托车车轮特殊的结构，轮辐处很多窄小的薄壁处凝固后失去补缩通道作用，轮辋局部得不到补缩。低压铸造中，金属液在数倍于大气压的压力下进行充型和保压凝固，铸件的致密度较高，缩孔缩松较少，产品内部质量较好。并且由于该方法利用压力进行充型和补缩
10、，一般不需在轮辐上设置冒口，并简化了浇注系统，因此大大提高了金属熔体的工艺收得率。低压铸造的“缓慢充型” 、“顺序凝固”比压铸优越而不易产生气孔、补缩不足。它的“低压充型” 、“增压结晶”也比金属型铸造充型、补缩更好。另外，在低压铸造的基础上，又发展出一种差压铸造方法。这种方法比低压铸造充型更平稳、补缩更充分、结晶压力更大，因此差压铸造产品轮廓更清晰、组织更致密、力学性能提高较大。但是，由于国产差压铸造设备奇缺，工艺过程复杂，生产效率低，很少用此方法生产摩托车轮毂。所以，对各种铸造方法进行比较后，觉得低压铸造是制造摩托车铝合金轮毂的最佳的成型方法。1.4国内外低压铸造发展概况 低压铸造与我们普
11、遍应用的金属型铸造、压力铸造、熔模精密铸造等工艺相比较，它是一种新的特种铸造。低压铸造工艺具有优于其它铸造工艺的独特之处。我国是从五十年代开始研究低压铸造的。它的发展非常迅速，应用于工业生产仅有三十余年的时间。目前，国内汽车、拖拉机、摩托车等制造厂已经形成专业化的低压铸造车间，造船、电机、仪表、轻工和国防工业也广泛采用了这种工艺，并由生产简单件发展到了生产复杂件。由于低压铸造工艺有着上马快、投资少、占地小、容易实现机械化、自动化等优点。所以，我国的许多工厂和单位，可以成熟的运用低压铸造工艺来生产高要求的铝合金复杂铸件。如生产发动机上的铝合金汽缸体、汽缸头、曲轴箱、活塞体等复杂铸件。甚至有些单位
12、已成功的运用低压铸造法来浇注大型簿壁叶片复杂铸件，实现了以铸代锻。铝合金产品由于具有质量轻、导热率好、吸收冲击能力强以及不易生锈、外表美观等优点，近年来广泛的应用在航空、汽车及轻工业等领域中。低压铸造则主要应用于铝合金铸件的产品上，随着对铝合金铸件的质量要求和性能要求越来越高，铝合金低压铸造几乎已成为一项必不可少的工艺，并在一定情况下代替了部分压铸铝合金铸件。在国外，低压铸造的研究开始于二十世纪初期。第二次世界大战爆发后，随着航空工业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求较高地航空发动机地汽缸等轻合金铸件。并采用金属型低压铸造，大量生产北美的汽车工业和电子转子等重要铸件。这样，低压铸造工艺
13、迅速扩散到通用机械、纺织机械、仪表和商业产品等领域。目前，国外的低压铸造设备，已由专业生产厂家生产，使低压铸造生产逐步向专业化生产发展。专用的低压铸造设备的商品化，把低压铸造工艺技术提高到了一个较高的水平。2 低压铸造基本知识2.1低压铸造原理 低压铸造是液体金属在压力的作用下，完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造方法。它属于一种特种铸造工艺，由于低压铸造压力较低（一般为2060kPa），故称之为低压铸造。就低压铸造的工艺气压而言，它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种新的浇注工艺。图21低压铸造工艺示意图1 保温炉 2.液态金属 3.升液管 4.下型 5.滑套 6.导柱 7.顶板 8. 顶杆
14、 9.上型 10.型腔 11.浇口 12.密封垫 13.坩锅低压铸造的装置简图如图21所示。铸型由下型4和上型9组成，并安放在密封的保温坩锅13的上方，当给密闭的容器坩锅中通入干燥的压缩空气或惰性气体时，气体通过在金属液面2上的压力作用，使液态金属沿升液管3自下而上上升，经铸型下方的浇口11缓慢而平稳地充填型腔10，随后在压力作用下凝固。待型腔中的合金液体凝固成形后，即可解除坩锅内合金液体2表面的气体压力，使升液管3和浇口11中尚未凝固的合金液体靠自重流回坩锅内，完成一次浇注过程，经脱模后便得到了所需的铸件。低压铸造的实质是物理学中的帕斯卡原理在铸造方面的具体运用，根据帕斯卡原理有PFH =
15、PFH式中：P金属液面上的压力；F金属液面上的受压面积；H坩锅内液面下降的距离；P升液管中使金属液上升的压力；F升液管的内截面积；H金属液在升液管中上升的距离。图22 低压铸造原理示意图1.密封容器 2. 金属液 3. 升液管 4.密封盖 5.浇口 6. 铸件7. 铸型 8.紧固件 9.通气管由图22可知：由于F远远大于 F，因此，当坩锅中液面下降高度H 时，只要在坩锅中金属液面上施加一个很小的压力，升液管中的金属液就能上升一个相当的高度H。这也就是“低压”的来源。低压铸造所用的铸型可以是金属型、干砂型、湿砂型、石膏型、石墨型、熔模型壳和陶瓷型等。2.2 低压铸造工艺流程通常低压铸造的工艺流程为：1) 金属的熔炼及模具的准备；2) 浇注前的准备:包括坩锅密封（装配密封盖），升液管中的扒渣，测量液面高度，密封性试验，配模，紧固模具等；3) 浇注：包括升液，充型，结晶凝固，放气解压等四个过程；4) 脱模：包括松型脱模和取件。升液管上涂料升液管的加热和装配密封盖准备熔化除气精炼炉前检验金属的熔炼砂模造型造芯金属型准备：表面清理喷刷涂料排气道检查装配检查模具预热调节开合型速度和开合型的顺序控制（并调节控制铸件凝固后的静止时间）开关型控制台坩锅的密封（装配密封盖）扒去升液管中的浮渣测量液面高度做密封性试验并浇
