汽车轮毂由轮辐、轮缘、轮辋等构成，作为重要的车辆零部件，其结构设计应满足功能性、工艺性、安全性、经济性等要求，并具有一定的刚度、强度及较长的疲劳寿命等［7－8］。图1为汽车轮毂示意图。

图1 镁合金汽车轮毂

镁合金轮毂主要有锻造和铸造两种生产方式，且两种方式各有优缺点。本文以某型汽车轮毂作为研究对象，其轮毂的三维模型如图2所示，轮毂包含10个窗口，以及轮辐、轮辋等主要部分，窗口处有一个沟槽与冒口相连。从外观上看，轮毂结构复杂，本文采用锻造、配合铣削加工进行生产工艺研究。

图2 轮毂三维俯视图

镁合金轮毂的优势明显，但是其缺点也比较明显，主要包括以下几条：(1) 熔炼过程中镁合金烧损严重，同时易产生金属夹杂和非金属夹杂；(2)镁合金极易氧化，表面防护困难；(3) 深加工性较差；(4) 熔炼过程的环境污染［9 － 10］。针对以上锻造缺点，本文选择优良的镁合金材料，进行相应的工艺研究。

本文研究采用改性镁合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti(其中，A 代表金属铝，Z代表金属锌，8代表铝含量为8%，0代表锌含量小于1%，0. 5V代表钒含量为0. 5%，0. 1Ti代表钛含量为0. 1%)，其密度约为1. 84 g·cm－3，约为铝的2/3，是比铝更轻量化的轻质材料。该镁合金的弹性模量只有45GPa，在外力作用下可以很好地避免构件应力集中，经压力铸造后再加工所得部件的比强度高，且耐腐蚀性较纯镁有大幅提高。目前，影响镁合金大规模应用的因素之一就是其耐腐蚀性差，镁合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti基本上消除了该缺点，特别是钒、钛元素可以有效地控制镁合金中碳化物的增加，并细化晶粒，提高镁合金的韧性、冲击性能和耐磨损性能，能够在汽车零部件制作上广泛应用［11 － 12］。

本文选用ANSYS软件，首先对轮毂锻造过程及锻造参数进行仿真模拟，然后根据仿真结果进行工艺参数比对。从图2可以看出，轮毂结构满足轴对称结构，为此本文选取对称部分进行建模。AZ80-0. 5V-0. 1Ti镁合金仿真的材料模型参数如表1所示。

表1 AZ80-0. 5V-0. 1Ti镁合金的相关性能参数

镁合金轮毂在锻造各阶段的受力情况、变形过程及规律是随着锻造过程不断变化的。图3a为锻造初期的应力云图，可以看出：窗口处的应力较大，为主要变形区域，此区域窗口( 图3a中A区域) 的圆角处是其与轮辋、轮缘的过渡区域，在锻造过程中极易产生缺陷; 其余区域应力值较小，在42MPa以下，远低于常温下的材料屈服强度，因此，在锻造过程中不易产生锻造缺陷。图3b为锻造后期的应力云图，随着锻造上模向下运动，窗口圆角处和轮辐侧壁圆角区域的应力比较集中，轮毂成形后此区域应力最大，极易产生锻造缺陷。

图3 轮毂锻造过程中的应力分布情况

(a) 锻造初期(b) 锻造后期

成形温度的影响

成形温度是镁合金轮毂锻造的重要参数之一，因镁合金的伸长率与温度有关，温度升高，镁合金塑性提高，有利于镁合金的轮毂锻造; 但是，温度过高会导致腐蚀氧化，晶粒粗大，增大变形抗力。模拟工艺参数设定如下: 下模窗口处圆角半径为30mm，模具工作速度为6mm·s－1，摩擦系数为0. 1，成形温度分别为350，370，390 和410 ℃。仿真结果如图4所示。

图4 成形温度对变形抗力的影响

锻件变形抗力与成形温度关系较大，成形温度的适当增加使得镁合金的塑性变形能力提高，有利于金属流动，变形抗力下降。但是，随成形温度进一步升高，镁合金内部氧化，导致塑性降低、变形抗力上升。因此，成形温度宜选择在370～390 ℃之间。

模具工作速度对变形抗力的影响

材料的变形速度一般情况下体现在模具的工作速度上，本文在不同的模具工作速度下进行仿真计算。其模拟参数设定如下: 成形温度为380℃，摩擦系数为0. 1，下模窗口处圆角半径为30mm，模具工作速度分别为5，7和9mm·s－1。仿真结果如图5所示。

图5 模具工作速度对变形抗力的影响

下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响

为研究下模窗口( 图6a中的B区域) 圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响，选择不同下模窗口处圆角半径进行仿真计算，结合模型的实际生产加工和重量要求等情况，其模拟模型参数设定如下：成形温度为380℃，模具工作速度为6mm·s－1，摩擦系数为0. 1，下模窗口处圆角半径分别为12，16和20mm。模拟结果如图6所示。

图6 下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响(仿真结果)

(a) Ｒ12mm (b) Ｒ16mm (c) Ｒ20mm

从图6可以看出：下模窗口处圆角半径为12mm时，圆角处出现严重的横向折叠；圆角半径为16mm时，折叠现象减少；圆角半径为20mm时，折叠现象基本消失。这是因为圆角半径的增大，使得金属液流动阻力减小，充型顺畅，同时减小了此处的应力集中情况。

本文依照模拟试验结果，结合该型轮毂的实际锻造生产，设计的锻造模具如图7所示。

图7 锻造模具装配示意图

1. 上模座2. 上模芯3. 上顶料器4. 下模座5. 下模6. 下顶料器7. 模板8. 承压板9. 连接螺栓

进一步对该型轮毂进行锻造试验，其试验成形温度T在350～ 410℃之间，试验结果如下：T＜370℃时，塑性变形能力差，轮辋处出现开裂现象，见图8a；T＞390℃时，窗口部位出现叠状的裂纹，见图8b；T在370～390℃时，锻件外观质量较好，没有开裂或叠状缺陷，见图8c。试验结果与仿真结果基本保持一致。

图8 成形温度对镁合金轮毂锻造的影响

(a) T＜ 370℃ (b)T ＞ 390℃ (c) 370℃ ＜T＜ 390℃

图9 模具工作速度对镁合金轮毂锻造的影响

(a) 5mm·s－1 (b) 7mm·s－1 (c) 9mm·s－1

从试验的经济性和有效性等方面考虑，借鉴仿真分析结果，其下模窗口处圆角半径分别选择16和20mm两种进行试验。圆角半径为16mm时，镁合金轮毂窗口处出现叠装缺陷，如图10a所示；圆角半径增加至20mm时，镁合金锻造轮毂窗口处成形良好，没有出现折叠现象， 如图10b所示。

图10 下模窗口处圆角半径对镁合金轮毂锻造的影响(试验结果)

(a) Ｒ16mm (b) Ｒ20mm

(1) 坯料温度＜370℃时，锻造镁合金轮辋处产生开裂。坯料温度＞390℃时，窗口部位出现裂纹。

(2) 模具工作速度为5～7mm·s－1时，镁合金轮毂锻造成形质量较好。工作速度超过9mm·s－1时，变形抗力增加，轮毂窗口部位容易产生裂纹或折叠缺陷。

(3) 下模圆角半径≤16mm时，锻造轮毂窗口处出现叠装缺陷；下模圆角半径为20mm时，镁合金轮毂质量较好。

(4) 本文试验结果可以应用于镁合金轮毂锻造生产中，同时试验结果与模拟计算结果的相互吻合，表明采用数值模拟计算软件是切实可靠的，为以后其他类似研究提供了参考。