轮毂是汽车和摩托车上极为重要的安全性能结构件。随着汽车摩托车轻量化和节能环保要求的逐步提高，现已有铸造和锻压成形的镁合金轮毂面世。轮毂的品质和可靠性不但关系到车辆和车上人员物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性能，这就要求轮毂具有疲劳强度高、刚度和弹性好、尺寸和形状精度高、质轻等性能，而镁合金轮毂以其良好的综合性能满足了上述要求，在减震性、安全性和轻量化等方面表现突出，赢得了市场青睐。
 

一、轮毂的成形工艺

　　目前，摩托车轮毂多用重力铸造和低压铸造工艺成形，为了提高其性能，也有采用挤压铸造(液态模锻)、半固态成形的工艺。但由于镁合金的收缩比较大，采用生产铝合金轮毂的低压铸造工艺生产镁合金轮毂，问题很多!镁合金铸件多以压铸的方式生产，然而压铸过程中气体的卷入又导致其力学性能下降。与传统的金属型重力铸造相比，压铸时金属液体在浇口的高速喷射比重力自然流入的高温液态金属有着更好的充型效果，但也正是由于高温、高压、高速的金属喷射，使金属液体与型腔内的空气和热金属与型腔内残留润滑剂所产生的烟气有更大可能的结合，这些气体来不及排出，从而形成气孔缺陷。为解决这一问题，近年来，研究者研究开发了真空压铸、充氧压铸、半固态压铸等新工艺。镁合金轮毂真空压铸工艺，即是在传统压铸工艺的基础上，辅以抽真空技术，在轮心处局部补压而获得高性能轮毂的工艺方法。

二、真空压铸的现状

　　真空压铸尤其是高真空压铸技术的瓶颈及难点之一是真空截止阀的结构及真空系统的设计。真空截止阀的主要作用有二，一是给型腔中的气体提供一个排出的通道;二是在抽出气体后及时关闭，阻止金属液体进入真空通道。图1为不同结构的真空阀。按其工作原理主要可分为3类：①改变通道的截面积，使金属液的流动性逐步下降(如果需要，可以通水冷却使其流动性下降)，而在进入真空管道前金属液的流动自然停止，如“Z”形槽(锯齿型)的真空阀(见图1a)；②通过检测型腔中金属液的充填位置，利用液压或气压使真空阀关闭；③利用金属液的惯性冲击力使真空阀的排气通道关闭，如瑞士方达瑞公司和赵芸芸等设计的真空阀(见图1b、图1c)等。

　　以上3种方法各有优缺点。针对“Z”形槽槽真空阀金属液在充型过程中浸入波浪形通道因激冷凝固而迅速堵塞排气通道，终止抽真空过程，但排气槽的薄片形通道截面小，导致其抽气速度慢，型腔真空度低，且其薄片的充填程度变化不定，影响压射比压最终建立的作用时间，更重要的是其型腔内真空度低且波动大而不能应用于高真空压铸，而且这种结构导致铸件投影面积增大，提高了铸件对设备的要求，造成资源的浪费；第2种方法在金属液刚充入型腔的时候可以有较高的真空度，但随着金属液的充型型腔的压力增大，甚至可以达到0.3~0.4MPa，起不到理想的抽真空效果，并导致最后充型部位缺陷明显增多，但这种方式可以采用大截面、直通径的抽真空通道增大前期真空度的方式改变，因为从封闭真空通道到金属液的充型完毕时间约为0.1S，增大前期真空度在如此短的时间内仍可达到理想的状态；第3种方法利用金属液惯性冲击力控制真空阀关闭，虽然其是目前应用最广的方法，但仍有不少问题。首先，为了防止惯性力关闭真空通道前金属液体进入真空通道，无论是瑞士方达瑞还是国内其他高校开发的利用惯性力关闭真空通道的方法，都采用曲折直径偏小的真空通道增大阻力延长金属液体到达真空通道的时间，防止金属液体进入真空通道。但正是由于这曲折直径偏小的真空通道增大了气体流阻，不利于在较短的时间内达到高的真空度，所以这种所谓的全程抽真空技术并没有明显的效果；其次，惯性力不稳定或者气压过大等原因造成真空阀没有关闭或关闭过早，而生产出不合格的产品；同时，由于这种结构的不稳定性，一旦金属液体进入真空截止阀内，维修成本特别高。针对以上不足，本课题在第2种方法的基础上采用直通排气大截面高速响应通道使真空通道关闭前达到较高的真空度，液压系统精确控制真空阀的关闭“并在此基础上优化浇注工艺。

三、两种抽真空浇注工艺

　　轮毂的生产工艺过程中有4点较为关键：①轮辐是主要受力区域，属于重要部位，该部位必须达到轮毂性能使用要求；②外轮缘部位要防止产生缩孔、缩松和卷气缺陷，以保证无内胎轮毂的气密性；③轮毂的中心厚大部位要防止缩孔和缩松的产生，以保证轮毂连接性能；④整个轮毂铸件应采用工艺手段消除构件内部疲劳缺陷(如渣孔、气孔、缩孔、缩松、宏观偏析等)。现对镁合金真空压铸轮毂在卧式压铸机上上面采用中心浇注顶部抽真空和底部浇注中心抽真空辅以大截面直通径抽真空的两种工艺方案进行讨论。

　　1、中心浇注顶部抽真空

　　轮毂浇注系统采用中心浇注顶部抽真空方式进行，这种充型方式决定了轮毂铸造模具最好采用垂直分型，这样不仅能使金属液均衡充型，方便排溢系统设计，而且能够对轮心厚大部位进行压力凝固补缩，有利于提高轮毂铸件致密度，减少缩孔、缩松缺陷。若在冷室压铸机上采用中心充型顶部抽真空方式(见图2)那么，模具需设计成三片两开式结构，不仅增加了模具成本，而且会降低生产效率，压头只能为轮心热节提供有效补缩，而分布在轮缘上的热节因薄壁轮辐较早凝固堵塞补缩通道而出现缩孔、缩松等缺陷，降低其力学性能。即使采用真空压铸工艺也无法降低轮缘上因热节而产生的缩松等缺陷(真空压铸可减少甚至消除压铸件中的气孔，铸件中的缩孔、缩松只能通过改变结构或者补压来解决)。有时为了保证轮辋在压力下凝固，减少轮辋部位的缩孔，需要使轮毂按照轮辋-轮辐-轮心的顺序增加壁厚，这样造成轮辐处及轮心部分的材料有一定的浪费，在后续机加工去除(如轮心)或保留在轮毂产品上(如轮辐)，这不仅增加了成本，而且也增加了轮毂质量，与应用镁合金减重以及压力铸造的初衷相悖。更重要的是轮辋是轮毂产品的高应力区，要求的充型品质最高，但中心浇注方式最后充填轮辋，致使氧化渣、冷隔、流痕等缺陷出现在轮辋上，降低了轮毂铸件的工艺品质和力学性能。传统的卧式冷室压铸机中心充型顶部抽真空轮毂成形工艺通过在轮缘上面开设溢流槽，并通过环形通道把溢流槽与真空通道连接，这样来抽取型腔内的气体。一方面这种工艺方法开设溢流槽和环形通道会显著降低轮毂产品的工艺出品率，增加生产成本;另一方面环形通道曲折小截面的特点不利于快速抽真空，这样的通道已经形成了抽真空的瓶颈，尾部的大截面、直通径的真空通道也无效果。

　　2、底部浇注中心抽真空

　　为解决上述问题，本课题组采用卧式压铸底部充型中心抽真空轮心处补压的成形工艺(见图3)，以期获得具有高品质的摩托车轮毂铸件。

　　采用卧室压铸机底部充型环形横浇道、加厚内浇口、中心抽真空轮心处局部补压的工艺，一方面环形横浇道会在第一时间封闭分型面(这也是与传统压铸不同的地方)，可以防止外部气体进入型腔，有利于保持高真空度，而且环形分布可以使模具的温度场更加均匀;另一方面通过加厚内浇口保证外部压力的传递，改善中心浇注轮辋缩松、缩孔缺陷多的问题，并且轮辋的厚度大于轮辐的厚度，使轮辐的补缩通道畅通而获得优质的铸件;在轮心厚大部位设置大的积渣包并辅以补压工艺以减少缩松、缩孔，整个轮毂在轮缘和轮心双向补压的作用下凝固获得更佳的力学性能"同时在中心位置开设大截面、直通径的排气通道而达到理想的抽真空效果。

四、模具加工以及实际生产中的问题

　　采用真空压铸由于要保证抽真空的效率，在模具的加工过程中对配合面的精度要求偏高。滑块与定模板的配合、顶针与动模板的配合以及密封条的放置位置都需要严格控制;加工过程中是冷配合的问题，而实际生产中模具存在热胀冷缩的现象，各配合面处的间隙要合理，若间隙过大会导致密封效果不好，若间隙过小，会出现卡模、拉毛的状况。

　　针对生产过程中出现的冷隔、夹杂、裂纹等缺陷，分别通过调节金属液温度或者模温机的温度"使用更加纯净化的金属液、加大连接处圆角或者调节模温的均匀性等方法来改善。而对于轮心处变形的问题，因为补压杆后退再开模跟踪会影响生产效率!解决方案为：①对补压杆通冷却水并周期性的施加润滑油;②补压杆的导滑套加长伸入定模芯一部分(见图4)减少金属液包裹补压杆的长度，这样补压杆就不用后退可直接跟踪开模。通冷却水以及润滑油在不降低生产效率的同时增加了补压杆的寿命(补压杆长时间与金属液接触，温度一直过高容易拉毛，不但配合容易出现问题，而且影响真空通道的关闭)。

　　生产中采用动模芯与4个滑块的配合面进行定位(见图5)，刚开始生产的时候没有问题，可是生产一段时间由于夹杂等一些污物跑到定位面的位置导致4个滑块不能完全合紧，在接触的地方产生披缝，并且此处开模后喷枪也不能扫到，很难清理。只有采用4个滑块接触的地方作为定位面原来的定位面为了防止干涉单边退后50µm，这样就可以解决污物在定位面累积造成无法精确定位的问题。

　　根据前期生产样件台架试验的结果，气门孔分布的轮辋处是冲击最容易破坏的地方，以往气门孔的位置通常是放置在两轮辐的中间部位，为了减小应力在不影响装配的情况下增加轮毂的可靠性，本课题组提出把气门孔移到两轮辐之间钝角一侧的方案，这样由于轮辐的支撑作用气门孔处的应力将大大改善。

五、结论

　　1、高压铸造采用真空辅助，可以减少甚至消除合金熔体高速喷射充型时模具型腔内气体来不及排出形成氧化夹杂、气孔等普通压铸的先天缺陷，提高了铸件的工艺品质，并可通过热处理提升铸件本体材料的力学性能。

　　2、镁合金轮毂采用底部浇注中心抽真空的充型方式，可以避开中心浇注顶部抽真空效率低下、轮辐和轮心必须加厚的缺点；相比中心浇注顶部抽真空中心单向补压的方式，轮缘和轮心双向补压可获得更佳的力学性能。

　　3、由于模具加工时处于常温状态，而真空压铸工艺在高温状态下，因此各配合面的间隙要合理，若间隙过大导致密封效果不好，若间隙过小，会造成卡模、拉毛的状况;针对轮心的变形，补压杆应通水冷却和通油润滑来维护设备并提高生产效率。