铸造镁合金车轮 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。
工件的局部温度低于工件的熔点，但是足以降低其强度，并使其可锻性更佳。 因此，位于轴肩下方的被加热的软化区域将随着旋转销在工件中引发搅拌作用而发生变 形，从而导致局部变形并使工件材料绕其旋转轴线传输。 这些复杂的金属流动和高温共 同作用，将导致晶粒细化和孔隙消除或减少。 因此，搅拌摩擦加工可以在局部产生通过 锻造全面获得的很多好处。 具体地说，在解决镁合金疲劳寿命改进的问题时，据报道经 过疲劳寿命改进后可以将寿命延长超过 10 倍。
金属部件的疲劳寿命也受到部件表面条件的很大影响，更平滑的表面相对较粗 糙的表面具有更长的疲劳寿命。 虽然搅拌摩擦加工将产生具有更好的耐疲劳性能的微观 结构，但是搅拌摩擦加工产生的最终部件表面并不平滑。 因此，车轮表面通常在经过搅 拌摩擦加工后会被再进行机械加工，以改善其在疲劳负载下的耐久性，并产生外表更美 观的车轮。
然而，搅拌摩擦加工更进一步的优势在于，搅拌摩擦加工可以加工的合金范围 比可锻造的合金范围大很多。 这种特性使得可以有机会选择具有其它所需属性的铸造合 金，比如耐腐蚀性，同时确保通过选择性的搅拌摩擦加工可以得到满意的疲劳寿命。
方案 1. 一种用于制造疲劳性能改善的铸造镁合金车轮的方法，所述方法包括 ：
使用选定的铸造方法铸造选定镁合金的车轮 ；
识别车轮的一个或多个高应力区域 ；以及
在固体状态下对之前识别出的车轮的高应力区域进行热塑性加工，以改善车轮 的疲劳性能。
方案 2. 如方案 1 所述的方法，其中所述固态热塑性加工包括搅拌摩擦加工。
方案 3. 如方案 1 所述的方法，其中所述车轮为汽车车轮，该汽车车轮包括通过 多条等间距的径向辐条与轮辋连接的毂，所述辐条具有与所述毂连接的连接部分，在车 轮的预期使用中高应力出现在所述连接部分中，所述高应力部分在固体状态下被进行热 塑性加工。
方案 4. 如方案 1 所述的方法，其中所述车轮的高应力区域通过数学建模或实验 调研来识别。
方案 5. 如方案 2 所述的方法，其中所述搅拌摩擦加工包括沿多条路径中的至 少一条横移旋转搅拌摩擦工具，其中所述多条路径中的每一条都横穿至少一个高应力区 域。
方案 6. 如方案 1 所述的方法，其中选定的镁合金为 AZ91 或 AMF50。
方案 7. 一种制造疲劳性能改善的铸造镁合金车轮的方法，所述方法包括 ：
使用选定的铸造方法铸造具有非必要特征的选定镁合金的车轮 ；
识别车轮的高应力区域 ；
对之前识别出的车轮的高应力区域进行搅拌摩擦加工 ；以及
对车轮进行机械加工以去除所述非必要特征，去除由于搅拌摩擦加工而产生的 表面粗糙部，并提供期望的表面精度和外形。
方案 8. 如方案 7 所述的方法，其中选定的铸造方法为模铸方法。
方案 9. 如方案 7 所述的方法，其中车轮的高应力区域通过数学建模或实验调研 来识别。
方案 10. 如方案 7 所述的方法，其中所述搅拌摩擦加工包括沿多条路径中的至少 一条横移旋转的搅拌摩擦工具，其中多条路径中的每一条都横穿至少一个高应力区域。
方案 11. 如方案 7 所述的方法，其中选定的镁合金为 AZ91 或 AMF50。
方案 12. 一种铸造镁合金车轮，包括致密的热塑性固态加工区域。
方案 13. 如方案 12 所述的铸造镁合金车轮，包括搅拌摩擦加工的热塑性固态加 工区域。
方案 14. 如方案 12 所述的铸造镁合金车轮，包括通过多条等间距径向辐条与轮 辋连接的毂，所述辐条具有与所述毂连接的连接部分。
方案 15. 如方案 13 所述的铸造镁合金车轮，其中所述车轮的连接部分是致密 的。
因此，本发明旨在对具有良好耐腐蚀性的铸造镁合金车轮选择性地进行搅拌摩 擦加工，以使车轮的承受最大使用应力的那些区域具有更好的耐疲劳性能。 附图说明
图 1 所示为代表那些可以应用本发明的客车合金车轮。图 2 所示为典型的车轮设计图，其上已经用轮廓线绘制并示出了在一种用于车 轮对行驶中负载的响应的专门评估方法——弯角疲劳测试期间得出的最大拉伸主应力值 的大小。 应当理解的是，当车轮旋转时，仅轮胎 ( 车轮 ) 的一部分将与道路接触，使得 所施加的载荷被局部化和定向化。 所示应力为瞬时应力，其将随着车轮的旋转而绕车轮 旋转，并且图 2 中的下部辐条中示出的应力将随着车轮的旋转而依次被所有辐条经受。
图 3 所示为通过高压模铸生成的镁 AZ91 测试试样的疲劳寿命的实验性测试数 据。 该测试试样的条件包括 ：毛坯铸件 (as-cast) ；经热处理的试样 (H.T.) ；经搅拌摩擦 加工的试样 (FSP) ；以及经热处理和搅拌摩擦加工的试样 (H.T.FSP)。
图 4 所示为搅拌摩擦加工的示意图，示出了工具的大致几何形状、搅拌或加工 区域以及工具通过之后左侧留下的粗糙表面。
图 5 所示为图 2 的车轮设计，进一步示出了采用搅拌摩擦加工的优选区域，参考 图 2，这些区域被示出为在弯角疲劳测试中具有最高主应力的区域。 如结合图 2 所指出 的，所有辐条都承受类似的负载，因此都将需要类似的加工。
图 6 所示为图 2 的车轮设计的毛坯铸件的几何形状，该图中加上了搅拌摩擦加工 的典型路径，并且示出了有助于进行搅拌摩擦加工的添加材料。 在大多数应用中，这些 添加材料将在以后被去除。 具体实施方式 图 1 示出了适于应用本发明的车轮 100，其示出了类似辐条的结构，在转弯载荷 条件下该结构将在轮毂处产生最大应力。 具体地说，图 1 标明了车轮具有包括螺栓孔 118 的毂 112，所述螺栓孔 118 用于连接车轮与车辆的轮毂 ( 未示出 )。 毂 112 通过柱形辐条 116 与边缘 114 和 124 连接。 在使用中，轮胎 ( 未示出 ) 将被安装在轮缘 114 和 124 上并 相对于轮缘 114 和 124 密封，从而当孔洞 122 被适于控制充放气的阀密封时，在车轮内腔 和轮胎之间建立一个密封的空气容积。
图 2 所示为第二种但与之类似的典型车轮 200，所述车轮 200 已经在用于仿真 急转弯时的负载的测试中被分析以确定整个车轮上的应力。 显然，与上述简支梁模拟一 致，最明显的最大拉伸应力产生在柱形辐条 216 和毂 212 的结合位置。 应该注意，在该 设计中，螺栓孔 218 没有与辐条 216 对齐。
图 3 示出了高压模铸的 AZ91 镁合金的实验性疲劳数据 ( 其标定成分按重量计算 为 ：铝 8.3％ -9.1％ ；锌 0.4％ -1.0％ ；其余为镁 )，在 4 种条件下进行了试验 ：毛坯铸 件 ；毛坯铸件经热处理 ( 标示为 AZ91 H.T.) ；毛坯铸件经搅拌摩擦加工 ( 标示为 AZ91 FSP) ；以及毛坯铸件经热处理后再经搅拌摩擦加工 ( 标示为 AZ91 H.T.FSP)。 显然可以 看出，虽然对铸件进行热处理在一定程度上提高了疲劳寿命，但是疲劳寿命的大幅增加 主要是通过搅拌摩擦加工实现的，搅拌摩擦加工将获得 1×107 次循环的疲劳寿命的应力 从约 55MPa 提高到约 75MPa。 尽管并非依此实现，但是这种改进归功于晶粒尺寸的减小 和搅拌区域的 ( 微小 ) 孔隙的基本消除。
因此，可以通过搅拌摩擦加工大大改善疲劳寿命。 图 4 示意性地描绘了搅拌摩 擦加工，图中示出了工具 10，所述工具 10 具有轴肩 18 和销 20 并且如箭头 12 所示绕工 具轴线 15 旋转，并沿箭头 14 所示的方向进给。 轴肩 18 的底面与工件 28 的上表面 30 接
触，而销 20 嵌入工件 28 中，并在其中产生搅拌区域 24。 轴肩 18 在一个基本上沿轴线 15 定向的力的作用下保持与工件 28 的表面 30 接触，而工具 10 沿表面 30 的运动在进刀之 后导致表面 26 变得粗糙。
通过观察图 4 可以认识到以下几个问题。 首先，可以注意到，工具的旋转使工 件材料绕着工具传输。 然而，虽然工件已经被摩擦热量加热，但是其并没有达到熔点， 因而仍然保持固态。 因此，搅拌作用导致大的塑性应变，而大的塑性应变和温度的升高 共同作用，导致产生固态条件下的热塑性加工，这有助于改良晶粒尺寸，从而减小或消 除孔隙。
应该注意，搅拌动作完全与销相关，因此搅拌区域的宽度将与销的直径直接相 关。 相反，如果希望对大面积区域实施有利的搅拌摩擦加工，就必须使用大直径销 20 或者使销反复通过该区域，每次通过时偏移销的位置。 第二个问题是，轴肩具有双重作 用 ：通过用作任何上流材料的障碍而执行销的搅拌动作 ；以及通过与表面 30 的摩擦交互 作用而普遍加热搅拌区域。 可以注意到，为了有效控制材料向上流动，轴肩 18 的底面应 紧密贴合表面 30。 这对于类似图中所示的平面来说很容易实现，但当表面为起伏状时将 面临更大的挑战，比如在车轮上将会遇到的。 因此，可能必须对应用搅拌摩擦加工的车 轮形状施加设计上的限制，以确保搅拌材料的良好输送。 在设计中应特别考虑的一个问题是控制从辐条向毂的过渡，因为如图 2 清楚示 出的，最大应力将发生在该区域。 因此，过渡应该是平缓的，从而可以使用简单的搅拌 摩擦加工工具。 可选地，由于在搅拌摩擦加工之后将需要进行一些机械加工以产生光滑 的表面，因此将铸件设计为易于进行搅拌摩擦加工，然后通过机械加工产生任何所需的 产品特征可能更加实际。 比如，通过沿着搅拌摩擦加工路径铸造一个平面，且仅在完成 搅拌摩擦加工之后再通过机械加工在该区域内引入所需的轮廓。 或者一开始就沿着搅拌 摩擦加工路径铸造一个平坦表面，然后在搅拌摩擦加工之后通过机械加工给出所需的轮 廓。 这种机械加工可能不是额外的工序，因为如下文论述的，粗糙的搅拌摩擦加工表面 不管怎样都需要机械加工。
通过对图 2 的分析可清楚地看到，最大拉伸应力产生在车轮辐条的边缘。 因 此，如图 5 中用 X 标明的，这些区域显然是应用搅拌摩擦加工的备选区域。 然而，应当 理解的是，因为目标是改善疲劳寿命，并且因为疲劳寿命受表面缺陷的不利影响，应在 车轮投入使用之前消除工具轴肩遗留的表面粗糙部 ( 图 4 中的 26)。
关于这点，该论述中没有解决的问题涉及工具 10 的进入和退出，其对应于搅拌 摩擦加工的开始和结束。 因为销 20 延伸超出轴肩 18，显然在销最初进入工件时，被销 移动的工件的部分将不受轴肩的约束。 因此，对于工件和销的初次接触，材料将远离搅 拌区域向上转移，从而搅拌区域将失去这部分材料，并且如果销被退出，则一个对应于 被移除材料的空腔将保留在该表面上。 与之类似，在加工结束时，销的退出将在该表面 上留下一个空腔。 显然，这样的空腔会对疲劳寿命产生不利影响，因而在成品车轮中是 不能容许的。 已经提出了很多用于更加复杂的工具的建议，比如设置可伸回的销，或者 对工具进行改型以使得可以增加填充金属，从而克服搅拌摩擦焊接与加工的这一常见不 足。 然而，不清楚这些加工方法的优点是否能抵消它们的额外复杂性。
一种可替换而且更加直接的方法是铸造带有非必要特征的车轮毛坯，所述非必
要特征用作搅拌摩擦工具进出车轮的位置，并且在实现这一目的之后将其切除。 图 6 示 出了一个实例。这里对铸件的几何尺寸进行了修改，从而形成附加的铸造部分 225，该铸 造部分 225 部分跨越辐条 216 和 216′之间的间隙。 搅拌摩擦加工工具路径 260 以虚线示 出，其穿过所有辐条，尤其是穿过预先确知承受高应力的那些区域。 然而，搅拌摩擦工 具路径 260 从附加铸造部分 225 中的 A 位置起始并终止，因此能够横向穿过所有关键的车 轮区域，而不需要插入或退出工具。 这样一来，因为工具的进入和退出而产生的非期望 的表面特征被限制在附加铸造部分 225 上，而附加铸造部分 225 可以在搅拌摩擦加工完成 之后被去除。
一种替代性方法是使用螺栓孔位置 218。如果铸件是实心的，则螺栓孔可用于为 搅拌摩擦工具提供进入和 / 或退出位置。 在这种情况下，工具退出留下的空腔可以被简 单地用作钻头的导向孔，从而有助于产生初始孔。
总体加工过程可以通过考虑一个例子而被最好地理解。
实例
适于生产车轮的材料为模铸镁合金 AZ91D( 标定成分按重量计算为 ：铝 9％，锌 1％，其余为镁 )，以及 AM50A( 标定成分按重量计算为 ：铝 5％，锰 0.26％ -0.60％，其 余为镁 )。 AZ91D 的强度较高，但 AM50A 的延展性和韧性更佳。 合金应该在保护性气体中熔解。 传统上，通常采用空气，其中增加少量 ( 通常 小于 0.2％ ) 的六氟化硫 (SF6)。 然而，对模铸而言，保温温度可能保持为低于 700℃， 这使得可以使用其他保护气体，比如氩气、 CO2、 N2 的混合气。
车 轮 的 典 型 剖 面 尺 寸 的 范 围 是 从 车 轮 轮 辋 处 的 3mm 到 4mm， 直 到 毂 处 的 35mm，辐条的厚度介于这些值之间，通常为从约 15mm 到 25mm。 尽管包括模压铸造和 改型的高压模铸在内的几种加工方法都被认为适合于铸造镁制车轮的制造，但是目前实 践中更青睐低压模铸技术，其铸模温度范围为 220℃到 240℃，典型的充填时间在 20 秒到 30 秒之间。 并且，在凝固期间，通常有益的做法是施加一个在 40MPa 到 100MPa 之间的 压力，从而最大程度地减少孔隙和气泡。 这些也可以在铸造之前通过部分抽空铸模而加 以抑制。 为了避免零件与铸模壁粘结，应该施加脱模剂，但是由于脱模剂通常需要用水 稀释，因此要尽量少用以避免在模具中通过水的蒸发而损失热量。
车轮性能通常将通过建模进行初步评估，而且可以根据这些结果来识别高应力 区域。 可选择地或附加地，高应力区域可以通过进行周期性疲劳测试而加以识别和确 认，所述测试遵循汽车工程师协会的 SAE1328 标准所列的步骤，该标准描述了两个基本 的测试程序 ：针对车轮圆盘进行的弯角疲劳测试，以及针对轮辋和车轮的附加部分进行 的径向疲劳测试。
无论怎样实现，一旦车轮的高应力区域被识别，则应该确定具有合适的进退刀 位置并包含所有高应力区域的适当的搅拌摩擦加工路径，并且开始搅拌摩擦加工。 优选 地，如图 6 中的 260 所示，所有高应力区域可以利用单条连续路径加工，但是一系列较短 的路径独立地或以分组形式处理这些高应力区域也是可以接受的。 在工具几何形状以及 工作条件的选择上具有一定的灵活性，但是如果工具的轴肩直径 20mm，销直径 6mm， 销长度 4mm，以每分钟 400 转操作，横移速率每分钟 100mm，则该工具能够产生可接 受的结果。 如果高应力区域的范围超过了被加工区域的尺寸，则使用工具进行一次以上
的循环可能是必须的或优选的。 在车轮的可见面和隐藏面上进行走刀加工是必须或优选 的，这能够更彻底地将加工效果传递到贯穿车轮的整个厚度。
当搅拌摩擦加工完成时，可以对车轮进行机械加工，通常是用端铣刀切除由搅 拌摩擦加工导致的表面特征，同时如果必要的话，使车轮得到最终外形。
虽然已经通过举例并从优选实施方式方面对本发明进行了描述，但是可以理 解，本发明不受所披露的实施方式的限制。 相反，本发明旨在涵盖对本领域技术人员来 说显而易见的各种改型和设置。 因此，所附权利要求的保护范围应予以最广泛的解释， 从而所有这些改型和类似设置都落在本发明的保护范围之内。