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第1篇

1．1鋁合金輪轂的特點

隨著科技的不斷進步，汽車越來越多地使用鋁合金輪轂。鋁合金輪轂相比鋼制車輪有如下4大特點：（1）節能。鋁合金密度低，輪轂質量輕，加工精度高，高速轉動時的阻力小、變形小，可提高汽車的行駛性能，減少油耗。（2）安全。鋁合金的導熱系數是鋼的3倍，散熱效果非常好，可增強制動性能，提高使用壽命，保障汽車行駛安全。（3）舒適。一般與鋁合金輪轂配用的是扁平輪胎，其緩沖和吸震性能均優于普通輪胎，使汽車坎坷道路上或快速行駛時，舒適性提高。（4）美觀。鋁合金輪轂外觀設計精美，造型多樣化，可做到對比突出、車轂合一，提高整車的視覺效果。

1．2輪轂的結構特點

輪轂由輪輞、輪輻、輪芯及輪轂蓋、附件等組成，如圖1所示。輪轂一方面通過輪輞與輪胎配合，另一方面通過輪輻與車橋相連，發揮其承載、行駛、轉向、驅動和制動等作用［2］。其中，輪輞的設計應按照標準規定選用與整車要求相配的輪輞規格，尤其是寬度和直徑尺寸應嚴格按標準檢測，以確認輪輞能否滿足與輪胎的配合要求。輪芯的設計則根據輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進行。可見輪轂造型中最關鍵的是輪輻，其造型可隨意變化，無標準和規律可循。輪輻作為輪輞與輪芯的中間連接件，主要起到支承和傳遞載荷的作用，在保證具有足夠的承載、抗彎、抗沖擊強度性能前提下，其造型應具有美觀、動感和時尚性。而附件、輪轂蓋對輪轂造型美觀起襯托、輔助的作用，可根據情況適當添加。

1．3輪轂造型設計目標

輪轂造型設計應以輪轂的材質、輪轂造型數量、輪轂的尺寸、輪轂外觀工藝的設定和輸入為指導［2］。結合輪轂的結構特點、配套車型、目標客戶群的審美特點和汽車品牌的文化特征，確定輪轂造型設計的目標：（1）滿足結構性能要求；（2）按車型選定車輪結構尺寸；（3）結合品牌文化的美觀造型；（4）彰顯用戶心理特征；（5）可制造加工性。

2造型與結構一體化設計

2．1性能要求

根據輪轂裝配于整車后的功能，針對鑄鋁合金輪轂各國均有相應的標準，考慮輪轂使用中的功能需求，SAE，JASO及ISO等標準和我國標準主要對輪轂的強度及疲勞性能提出了具體要求［3］，輪轂制造企業必須要對每一批制造出的產品進行如表1所示的性能試驗。

2．2尺寸設計

汽車輪轂的主要參數有胎環直徑、胎環寬度、螺栓孔節圓直徑、偏距、中心孔等，一般常根據胎環直徑和胎環寬度來劃分不同尺寸型號。直徑和寬度通常是在整車設計方案中確定的，綜合考慮了汽車動力、自身質量及阻力等方面因素，選擇使車輛性能最優的輪轂尺寸，轎車原車輪轂主要的直徑尺寸為381mm（15inch），406．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轎車的輪轂直徑達到508mm（20inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直徑和寬度確定后，輪轂的輪輞部分便可根據標準進行造型設計。螺栓孔節圓直徑、偏距及中心孔的尺寸亦由整車設計中輪轂的安裝要求確定，從而決定了輪轂的輪芯部分的造型要求。因此，輪轂的造型以輪輻部分的設計為主。

2．3造型與結構一體化設計

隨著計算機技術的飛速發展和廣泛應用，有限元法已成為求解科學技術和工程問題的有力工具［4］。將有限元分析方法應用于工業產品設計，用仿真引領設計，改變傳統仿照設計的方法，可增強產品設計的創新性。在輪轂的造型設計中，由于輪輻是造型的關鍵，也是承受載荷的關鍵部位，因此，非常適合將有限元分析的方法引入輪轂的造型設計中來，進行造型與結構的一體化設計。傳統的輪轂造型設計，首先進行二維造型草圖設計，設計中融入品牌文化及車型特征，經過反復在整車模型側面上的貼圖評審確定下來；其次進行三維模型的構建，根據車輪尺寸設計要求構建輪輞的三維模型，根據車輪的安裝配合尺寸設計輪芯的三維造型，主要是根據評審確定下來的二維造型草圖進行輪輻部分的三維模型設計，此階段更多考慮的是外觀造型；再次根據三維數據制作油泥模型，反復調整模型，更新三維數據，甚至在實車上評審造型；最后是制作硬質輪轂樣件，通常用ABS工程塑料，進一步檢驗輪轂設計的細節，完成造型設計。之后整車廠會將以上完成的造型設計提供給輪轂供應商制作小批真實樣件，通常這時輪轂制造廠在試制生產前會對客戶提供的模型進行有限元分析以保證樣件的試驗通過率，避免直接開模、試制、試驗不通過造成的報廢、修模、重新試制等過程的浪費，主要是針對結構性能的分析。可見，傳統設計中造型設計與結構設計是分開進行的，有限元分析并未發揮其最大的作用，沒能用于指導造型設計，因此可能會導致后期有限元分析驗證結構設計合理性時對前期造型設計方案的，或者獨立的造型設計導致結構的安全裕度過大，造成材料的浪費，不能實現最優的輕量化設計。因此，將有限元分析提前到造型設計的過程中，一旦二維造型方案確定，構造出三維模型就對其進行有限元分析，將避免一些不必要的嘗試，并帶來更加創新優化的設計結果。造型與結構一體化設計方法的流程如圖2所示。

3案例

以福特2015年新款Focus車型431．8mm×177．8mm（17inch×7．0inch）的輪轂設計為例，展示由于有限元分析方法的引入而形成的造型與結構一體化設計方法的應用。輪轂造型效果如圖3所示。采用福特產品設計通用的I－DEAS有限元分析軟件在輪轂造型設計的各階段對其進行有限元分析，分析中采用10節點四面體單元進行網格劃分，材料屬性取鋁合金材料的機械性能參數，彈性模量6．9×1010Pa，泊松比0．33。對13°沖擊試驗，根據前述試驗條件，在輪轂安裝盤面及5個PCD孔錐面上施加6個自由度的全約束，使車輪相對于水平o-xy平面旋轉翹起13°，在最高輪輞邊緣向輪芯偏移19mm的位置以外的輪輞上施加載荷，沖擊試驗的載荷是使質量為547kg的沖擊錘自230mm高度落下。彎曲疲勞試驗則根據前述試驗條件，在無輪輻支撐側的輪輞邊緣施加固定約束，在輪芯的安裝面及PCD孔上通過建模添加加載臂結構，加載臂長度為660mm，根據試驗要求的載荷3587N•m計算出加載臂末端應施加的力為5435N，根據不同的輪型結構通常根據旋轉一周的情況選定幾個方向進行加載計算，取分析所得最危險的結果進行評判。徑向載荷疲勞試驗按前述試驗條件，分析中對輪芯的安裝盤面和PCD孔錐面分別進行全約束，在60°夾角范圍內的輪輞兩側胎圈座上分別施加呈半正弦函數分布的徑向載荷q1和q2，根據試驗要求徑向載荷15007N和輪轂尺寸參數由以下公式計算得到，并在整個外輪輞上施加充氣壓力300kPa，同彎曲疲勞試驗，根據輪型結構選取幾個位置分別加載分析，取最危險的分析結果進行評判。該型輪轂最終造型設計在三性能試驗條件下的有限元分析結果分別如圖4a，4b，4c所示。其中，圖4a為在以上沖擊試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為56．8MPa，發生在沖擊部位正對的輻條根部；圖4b為以上彎曲試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為105MPa，發生在輻條背面根部位置；圖4c為以上徑向載荷試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為40．7MPa，發生在無輻條支撐側的輪輞外緣處。鋁合金材料的屈服強度為178MPa，根據文獻［3］中通過實驗驗證建立的分析模型和評價標準，以上3個性能試驗有限元分析的vonMises應力最大值分別小于70MPa，110MPa（30萬轉）和70MPa（100萬轉）為合格。從有限元分析的結果可以看出該設計可全部通過標準要求的輪轂性能試驗，在達到造型設計的同時滿足了結構設計的要求。在結合車型特點等因素確定初步的設計方向和設計尺寸后，首先根據標準要求的輪輞形狀、尺寸進行輪輞造型設計，其次進行輪輻的造型設計，設計中通過以上有限元分析結果，逐步實現了輪轂的最終造型設計。

4結論

第2篇

關鍵詞：鋁合金;預處理;化學鍍鎳;附著力

1引言

化學鍍Ni-P具有厚度均勻、硬度高、抗蝕性優異等特點，因此鍍層廣泛被應用于需耐磨的工件。但是，鋁合金表面即使在空氣中停留時間極短也會迅速地形成一層氧化膜，以致影響鍍層質量，降低鍍層與基體的結合力。

本項研究得出了比較好的預處理方案，從而得到結合力良好，表面比較光亮的Ni-P鍍層。

2實驗方法

2.1實驗工藝流程

試樣制備配制除油溶液化學除油水洗侵蝕水洗超聲波水洗去離子水洗一次鋟鋅水洗退鋅水洗超聲波水洗去離子水洗二次鋟鋅水洗去離子水洗堿性鍍水洗酸性鍍去離子水洗吹干冷卻

2.2除油配方及工藝

除油：Na3PO4•12H2O(30g/L)NaCO3(30g/L)溫度（65℃）時間（3min）

2.3浸鋅配方及工藝

ZnSO4(40g/l)NaOH(90g/l)NaF(1g/l)Fecl3(1g/l)KNaC4O4H406(10g/L)

溫度（42℃）一次浸鋅時間（90S）二次浸鋅時間（18S）

2.4鍍液配方與工藝

堿性預鍍液NiSO4•6H2O（30g/l）NaH2PO2•H2O（25g/l）NH4C6H5O7•H2O（100g/l）溫度（65℃）PH值（8.2）施鍍時間（8min）

酸性鍍液NiSO4•6H2O（30g/l）NaH2PO2•H2O（25g/l）NH4C6H5O7•H2O（10g/l）

乳酸C3H6O3（40ml/l）NaC2H302（10g/L）溫度（85℃）PH值（4.8）施鍍時間（120min）3實驗結果與分析

3.1鍍層表面形貌及硬度

鍍層表面為致密的胞狀、非晶態結構。小胞之間有明顯的界線，界線基本為直線，說明小胞在長大的過程中相互受到擠壓而發生了變形，鍍層中存在應力。鍍層的含磷量為13.1%，鍍層硬度可達686HV。

溫度是影響化學鍍沉積速率的最重要因。化學鍍的催化反應一般只能在加熱條件下發生，溫度升高，離子擴散速度加快，反應活性增強，當溫度高于50℃時，基體表面才有少量氣泡生成，化學鍍鎳磷合金才能進行，隨溫度升高基體表面可見明顯鍍層。反應溫度低于80℃時，沉積速率較慢；溫度高于80℃，基體表面有大量氣泡生成，沉積速率變快；當溫度高于95℃時，鍍液發生分解，鍍液迅速變黑，產生大量氣泡，在燒杯底部出現黑色沉淀。

3.2pH值對鍍速的影響

在酸性化學鍍液中，pH是影響沉積速率的重要因素之一。在化學鍍過程中，隨著反應的進行，H+不斷的生成，鍍液的pH值不斷降低，使沉積速率受到影響，因此在施鍍過程中必須隨時補充堿液來調整pH值在正常的工藝范圍內。pH值升高使Ni2+的還原速度加快，沉積速率變快。

4結語

(1)通過實驗研究得到比較適宜的鋁合金基材化學鍍鎳的前處理工藝,并得出了一套完整的鋁合金基材表面化學鍍鎳工藝條件及配方。

(2)溫度和pH值是影響反應速度重要的因素，溫度的最佳工藝范圍為85～95℃，超過95℃，鍍液自分解現象嚴重；pH值的最佳范圍是4.5～5.5，pH值超過5.5沉積速度開始下降。

(3)通過性能檢測表明此工藝獲得的鍍層,鍍層硬度可達686hHV,含磷量為11.17%且表面光亮、均勻、結合力好。

參考文獻

［1］齊曉全.化學鍍Ni-P工藝在制藥設備上的應用［J］.電鍍與涂飾,2006,25(7):15-16.

［2］ParkerK.ElectrolessNickle.StateoftheArtplatingandSurfaceFinishing，1992，34(3)：29-33.

［3］ColaruotoloJF.TrendsInElectrolessNicklePlating.PlatingandSurfaceFinishing，1985，27(12)：22-25.

第3篇

在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質和焊接結構的不同，焊接接頭中可以出現各種裂紋，裂紋的形態和分布特征都很復雜，根據其產生的部位可分為以下兩種裂紋形式：

（1）焊縫金屬中的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋（尤其在多層焊時）。

（2）熱影響區的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。按裂紋產生的溫度區間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點物質的存在所引起的。根據所焊金屬的材料不同，產生熱裂紋的形態、溫度區間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產生結晶裂紋，它是在焊縫結晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時填充，在凝固收縮應力或外力的作用下發生沿晶開裂，這種裂紋主要產生在含雜質較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區中被加熱到高溫的晶界凝固時的收縮應力作用下產生的。

在試驗過程中發現，當填充材料表面清理不夠充分時，焊接后焊縫中仍存在較多的夾雜和少量的氣孔。在三組號試驗中，由于焊接填充材料為鑄造組織，其中夾雜為高熔點物質，焊接后在焊縫中仍將存在；又，鑄造組織比較稀疏，孔洞較多，易于吸附含結晶水的成分和油質，它們將成為焊接過程中產生氣孔的因素。當焊縫在拉伸應力作用下時，這些夾雜和氣孔往往成為誘發微裂紋的關鍵部位。通過顯微鏡進一步觀察發現，這些夾雜和氣孔誘發的微觀裂紋之間有明顯的相互交匯的趨勢。然而，對于夾雜物在此的有害作用究竟是主要表現為應力集中源從而誘發裂紋，還是主要表現為脆性相從而誘發裂紋，尚難以判斷。此外，一般認為，鋁鎂合金焊縫中的氣孔不會對焊縫金屬的拉伸強度產生重大影響，而本研究試驗中卻發現焊縫拉伸試樣中同時存在著由夾雜和氣孔誘發微裂紋的現象。氣孔誘發微裂紋的現象是否只是一種居次要地位的伴生現象，還是引起焊縫拉伸強度大幅度下降的主要因素之一，亦還有待進一步的研究。

2熱裂紋產生的過程

目前關于焊接熱裂紋理論，國內外認為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認為結晶裂紋的產生與否主要取決于以下3方面：脆性溫度區間的大小；在此溫度區間內合金所具有的延性以及在脆性溫度區間金屬的變形率大小。

通常人們將脆性溫度區間的大小及在此溫度區間內具有的延性值稱為產生焊接熱裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區內金屬的變形率大小稱為力學因素。焊接過程是一系列不平衡的工藝過程的綜合，這種特征從本質上與焊接接頭金屬斷裂的冶金因素和力學因素發生重要的聯系，如焊接工藝過程與冶金過程的產物即物理的、化學的與組織上的不均勻性、熔渣與夾雜物、氣體元素與處于過飽和濃度的空位等。所有這些，都是與裂紋的萌生與發展有密切聯系的冶金因素。從力學因素方面看，焊接熱循環特定的溫度梯度與冷卻速度，在一定的拘束條件下，將使焊接接頭處于復雜的應力-應變狀態，從而為裂紋的萌生與發展提供必要的條件。

在焊接過程中，冶金因素和力學因素的綜合作用將歸結為兩個方面，即是強化金屬聯系還是弱化金屬聯系。如果在冷卻時，焊接接頭金屬中正在建立強度聯系，在一定剛性拘束條件下能夠順從地應變，焊縫與近縫區金屬能夠承受外加拘束應力與內在殘余應力的作用時，裂紋就不容易產生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反之，當承受不住應力作用時，金屬中強度聯系容易中斷，就會產生裂紋。在這種情況下，焊接接頭金屬的裂紋敏感性較高。焊接接頭金屬從結晶凝固的溫度開始，以一定的速度冷卻到室溫，其裂紋敏感性決定于變形能力和外加應變的對比以及變形抗力與外加應力的對比。然而在冷卻過程中，在不同的溫度階段，由于晶間強度與晶粒強度增長的情況不同、變形在晶粒間和晶粒內部的情況分布不同、由應變所誘導的擴散行為不同、應力集中的條件以及導致金屬脆化的因素不同，焊接接頭具體的薄弱環節以及它弱化的因素和程度也是不同的。

導致焊接接頭金屬產生裂紋的冶金因素和力學因素有著較為密切的聯系，力學因素中的應力梯度和熱循環特征所確定的溫度梯度有關，而后者與金屬的導熱性密切相關，如金屬的熱塑性變化特征、熱膨脹性以及組織轉變等構成的冶金因素，在很大程度上對焊接接頭金屬所處的應力-應變狀態起到重要作用，此外，隨著溫度的降低與冷卻速度的變化，冶金因素和力學因素也都是在變化著的，在不同的溫度區間對焊接接頭金屬的強度聯系作用各不相同，如結晶溫度區間大，固相線溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態金屬處，更容易引起應力集中，導致固相金屬產生裂紋；同樣，隨著溫度降低，如果收縮量較大，特別是在快速冷卻條件下，當收縮應變速率高，應力-應變狀態比較苛刻時也容易產生裂紋等等。

在鋁合金焊接時焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔共晶體被排擠在晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態薄膜”，此時由于在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮產生較大的拉伸應力，這時候液態薄膜就形成了較為薄弱的環節，在拉伸應力的作用下就可能在薄弱地帶開裂而形成裂紋。

3熱裂紋產生的機理

為了研究鋁合金焊接時那個時候最容易產生熱裂紋，把鋁合金焊接時焊接熔池的結晶分為3個階段。

第一個階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開始結晶時，只有很少數量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時間的延長，晶核逐漸長大，并且出現新的晶核，但是在這個過程中液相始終占有較多的數量，相鄰晶粒之間不發生接觸，對還未凝固的液態鋁合金的自由流動不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的鋁合金液態金屬所填滿，因此在液固階段產生裂紋的可能性很小。

第二階段是固液階段，在焊接熔池結晶繼續進行時，熔池中固相不斷增多，同時先前結晶的晶核不斷長大，當溫度降低到某一數值時，已經凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發生接觸，并且不斷傾軋在一起，這時候液態鋁合金的流動受到阻礙，也就是說熔池結晶進入了固液階段。在這種情況下，由于液態鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強烈發展，晶體間殘存的液相則不容易流動，在拉伸應力作用下產生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應力的存在就有產生裂紋的可能性。因此，這個階段叫做“脆性溫度區”。

第三階段是完全凝固階段，熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應力時，就會表現出較好的強度和塑性，在這一階段產生裂紋的可能性相對來說較小。因此，當溫度高于或者低于a-b之間的脆性溫度區時，焊縫金屬都有較大的抵抗結晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區間較窄，拉應力在這個區間作用的時間比較短，使得焊縫的總應變量比較小，因此焊接時產生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質比較多，則脆性溫度區間范圍比較寬，拉伸應力在這個區間的作用時間比較長，產生裂紋的傾向較大。

4鋁合金焊接裂紋的防止措施

根據鋁合金焊接時產生熱裂紋的機理，可以從冶金因素和工藝因素兩個方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產生的機率。

在冶金因素方面，為了防止焊接時產生晶間熱裂紋，主要通過調整焊縫合金系統或向填加金屬中添加變質劑。調整焊縫合金系統的著眼點，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結晶溫度區間。由于鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區間相對應，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時的合金組元，以便能產生“愈合”作用。而作為變質劑向填加金屬中加入Ti、Zr、V和B等微量元素，企圖通過細化晶粒來改善塑性、韌性，并達到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開始了，并且取得了效果。圖3給出剛性搭接角焊縫的條件下Al-4.5%Mg焊絲中加入變質劑的抗裂試驗結果。試驗中加入的Zr為0.15%，Ti+B為0.1%。可見，同時加入Ti和B可以顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B及Ta等元素的共同特點，是都能同鋁形成一系列包晶反應生成難熔金屬化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta等）。這種細小的難熔質點，可成為液體金屬凝固時的非自發凝固的晶核，從而可以產生細化晶粒作用。

在工藝因素上，主要是焊接規范、預熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態，也影響凝固過程中的應變增長速度，因而影響裂紋的產生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應變速度，而增大熱裂的傾向。可見，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結構裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預熱或適當降低焊接速度等措施。通過預熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產生焊接應力相應降低，減小了在脆性溫度區間的應力；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當的定位、焊接順序；焊接結束或中斷時，應及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。對于5000系合金多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。

而根據本文試驗所證明，對于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當重要。材料的夾雜在焊縫中將成為裂紋產生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。

參考文獻

[1]阿榮.鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝研究[A].蘭州理工大學碩士論文.2004

[2]付志紅，黃明輝，周鵬展等.攪拌摩擦焊及其研究現狀[J].焊接，2002，（11）：6～7