[发明专利]铸造镁合金车轮

说明书

技术领域

本发明涉及由铸造镁合金制成的汽车车轮的制造和加工，尤其是具有连接轮辋和轮毂部分的径向辐条的车轮。更具体地说，本发明涉及在铸造车轮的预定部分上采用搅拌摩擦加工以改善车轮的物理性能。

背景技术

为了美观以及使到达制动器的气流最大化，汽车车轮的设计趋向于强调开式设计，其中承载轮胎的轮辋被连接轮辋与轮毂的细长辐条或支柱支撑。对于(铝或镁)合金车轮尤其如此，而且有利于减小车轮的质量，但是造成其承受的应力要高于更加传统的通常设计为圆盘形的星形车轮。

在车辆使用中，车轮承受反复的周期性载荷，并且在不利的腐蚀条件下工作。尽管如此，要求车轮具有适当的使用寿命，为此目的，目前的镁制车轮采用锻造加工，主要是为了改善其在周期性载荷下的性能。然而镁是一种很难锻造的材料，只有少数镁合金是可以锻造的，这种特性限制了可选择的镁合金的数量。更进一步说，它限制了可经济地生产的车轮设计的范围，因为复杂的车轮设计实际上无法只通过锻造加工实现，而是需要综合运用锻造与多种加工工艺。

然而，试验和仿真证明，车轮承受的应力并非是均匀的，而是仅在局部范围内承受高应力。这给出了启示，即不需要通过锻造改善整个车轮的疲劳性能，而只需要选择性地改善铸造镁制车轮承受高应力的区域的疲劳性能，就同样可以满足改进性能的目标。因此，能够识别高应力区域并选择性地改善疲劳性能的程序，将能够使至少与现有锻造车轮的性能相当且成本降低的铸造镁制车轮得以应用。

发明内容

本发明提供了一种用于制造铸造镁合金车轮的方法，所述镁合金被选定为用于车轮。在多种实施方式中，所选的镁合金将采用铸模方法铸造，或者采用高压铸造或低压铸造，或者采用模压铸造，以降低铸造车轮的孔隙率。本方法适合于多种车轮设计(实心的和开式的)，尤其适用于采用辐条连接轮辋和轮毂的车轮。

在考虑铸造镁合金材料的物理性能的前提下对车轮形状进行分析。结构分析的目标之一是确定铸造车轮中需要改进疲劳强度的区域。根据本发明的实施方式，这些铸造车轮区域的表面可以被执行搅拌摩擦加工，从而在固体状态模式下对表面进行热塑性加工，以改善其机械性能，比如其疲劳强度。

对预期的轻金属合金铸造车轮设计的结构负载进行工程分析是确定搅拌摩擦加工是否有用的第一步。在使用中，载荷施加在轮胎与道路的接触块上，这些载荷通过车轮传递到车轴。当车轮设计采用辐条时，轮胎载荷便传递到轮辋，进而通过辐条传递给轮毂。轮辋对该负载的反应通常不如辐条的反应重要。车轮设计师所关心的一种特殊的负载条件是由于转弯而向轮毂施加旋转弯曲力矩的负载，其将导致辐条弯曲到车轮平面之外。出于分析的目的，车轮辐条可以被看作是从轮辋向轮毂延伸的柱体。因而，施加在轮胎接触块处的回转力将会把自身表现施加在悬臂梁的一端的载荷，并将在辐条(横梁)和轮毂的连接处产生高应力。

因此，如果可以选择性地改进最容易失效的那些高应力区域的材料性能，比如辐条与轮毂连接的区域，则可以增大车轮的疲劳强度。搅拌摩擦加工是一种可以实现这一目标的技术。

搅拌摩擦加工是一种由搅拌摩擦焊接演变而来的工艺，其涉及工件与大体上为圆柱形的旋转工具之间的相互作用，销从旋转工具的一个平直边界平面上伸出，从而在该工具上构成了轴肩。所述销通常与工具的旋转轴线对齐。当工具被旋转并向铸造车轮的预定表面区域压靠时，旋转的销开始加热被接触表面。所述旋转的销在局部加热被接触材料，降低其流动强度，并使得产生显著的塑性流动，该塑性流动使得销在长度方向上可以整体进入软化的金属。因此，销的长度应当被确定为能够伸入铸造车轮表面以下的期望深度。在工具完全伸入时，工具的轴肩实际上在基于轴肩直径的区域内与工件的表面接触。

由于工具的旋转而导致的轴肩在工件上的摩擦也将产生摩擦加热，并局部提高工件温度。销和轴肩的组合效应被用于连续加工并强化铸造车轮工件的区域。旋转工具可以在一个或多个固定点处与车轮表面接合，比如车轮辐条的轮辋端处。或者工具可以在伸入被处理车轮表面的同时被移动，以加工比工具的接触面更大的工件区域。

搅拌摩擦加工向零件传递很大的载荷。在很多应用中，工件可以被外部结构支撑，因此可以将工件加工到大体上与其厚度相等的深度。除非是相对简单的设计，否则车轮复杂的几何形状将通常不能在后面引入支撑结构。因此，大部分工艺将导致销的伸入厚度小于车轮总厚度。这或许足以满足期望的耐久性改进要求，又或者可能必须使用搅拌摩擦加工工具进行两次走刀——一次走刀加工车轮前表面，而第二次走刀加工车轮反面上的相对表面。