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镁合金车轮锻造成形工艺及设备研究

李建  
【摘要】:随着人们对轻量化和环保要求的不断提高以及能源日趋紧张,车辆轻量化发展已成为一个必然趋势,镁合金的密度仅为铝合金的2/3,将成为未来车轮轻量化材料的发展方向。国外一些发达国家已经采用塑性成形方法制作成功镁合金车轮,但大部分车轮仅用于赛车中,并且选用价格昂贵的变形镁合金,难以应用于日常乘用车中,国内研制能力较落后,以生产铸造镁车轮为主,难以满足乘用车的使用要求,因此本文在总结国内外研究成果的基础上,重点研究低成本、产品质量高以及生产效率高的镁合金车轮锻造生产工艺,为车轮产品轻量化提供了理论及实用技术。本文综合叙述了镁及其合金的特点,介绍了国内外镁合金成形技术的研究现状及其在车轮制造方面的研究及应用概况,讨论了镁合金车轮优点及存在的问题,阐述了本文选题的意义和主要内容。选取几种工业上常用的变形镁合金进行锻造性能进行研究,确定适合于车轮锻造的镁合金材料,针对选定材料进行了高温单向压缩试验,根据单向压缩试验得出的数据,采用双曲正弦方程建立了材料的本构关系,得出该型号合金的本构方程,然后对镁合金锻坯的旋压性能进行研究,并结合旋压裂纹处的金相分析结果,分析了裂纹产生的原因。根据镁合金锻造及旋压性能的研究结论,制定了适合于镁合金车轮的锻造成形新工艺,首次将“内旋”成形方法引入车轮成形工艺中,该方法有效的降低了材料在变形过程中的应变速率,有利于镁合金的塑性变形,并针对“内旋”工序设计了镁合金车轮专用扩旋液压机,可完成热扩口及内旋两个成形工序,为新工艺的顺利进行提供了装备基础。采用Deform-3DTM有限元模拟软件,应用数值模拟技术,分别对镁合金车轮预锻、终锻、扩口以及内旋工序进行计算机仿真,分析了金属流动规律,验证了工艺路线的可行性,并且总结了坯料尺寸、模具及坯料初始温度、摩擦条件等工艺参数对锻造成形过程的影响规律,获得了较合理的成形工艺参数,为后续镁合金成形试验提供参考。根据制定的镁合金车轮锻造新工艺,参考有限元模拟得到的工艺参数,进行了预锻、终锻、热扩口以及内旋工艺试验,试制得到了成形情况良好的镁合金车轮样件,验证了工艺的可行性。通过对试制得到的镁合金车轮产品进行金相分析和力学性能测试,结果表明:经过塑性变形铸坯中原始粗大晶粒得到较大程度细化,材料的强度和塑性大幅度提高,轮毂的抗拉、屈服强度及延伸率相比铸态试样均有大幅度的提高,车轮产品顺利通过了国家标准要求的弯曲疲劳、径向疲劳及冲击三大台架试验检测,并针对同款式的镁合金及铝合金车轮进行装车节能效果测试,节能效果显著,为产品产业化奠定基础。


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