輪轂鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

劉艷明

輪轂是支撐汽車輪胎、圓形的、用于車軸安裝的金屬零件。鋁合金材質(zhì)的輪轂具有重量較輕、加工精度較高、較好的散熱能力等優(yōu)點(diǎn)。在汽車行駛中輪轂需要承受一定的載荷和強(qiáng)度，以及需要保持穩(wěn)定性。合理科學(xué)的鑄造工藝設(shè)計(jì)，可以保證輪轂有較好的性能，并可以提高汽車行業(yè)輪轂的質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)分析和工藝初步分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

輪轂尺寸為775mm×775mm×180mm，密度為2.68×103kg/m3,體積為 14.5×10-3m3，鑄件質(zhì)量為 39kg，鑄件質(zhì)量＜100kg時(shí)尺寸屬于中小型零件，適合于大批量加工生產(chǎn)，可以采用砂型鑄造，結(jié)構(gòu)較為簡單，分型面選擇在豎直方向中間的水平面上，將鑄件對稱分布在兩鑄型內(nèi)[1]。

1.2 零件凝固模擬

鑄件材料為鋁合金AlSi7M，初始金屬液溫度為752℃，初始鑄型溫度為503℃，初始空氣溫度為25℃；設(shè)定空氣與鑄件之間的換熱系數(shù)為300W/（m2·K），空氣與鑄型之間的換熱系數(shù)為50W/（m2·K），鑄型與金屬液之間的換熱系數(shù)是1800W/（m2·K）；設(shè)置澆口條件，選擇澆注口，設(shè)置澆注傳熱條件為1300℃，充型速度為0.5m/s。此工藝所需的砂芯采用熱芯盒法生產(chǎn)，以增加其強(qiáng)度及保證鑄件質(zhì)量。選擇使用射芯工藝生產(chǎn)砂芯。收縮率為0.8%～1.2%，垂直于分型面的壁上留有起模斜度，起模方便又不損壞砂型[2]。

圖1 零件缺陷預(yù)測圖

將零件進(jìn)行凝固模擬，結(jié)果顯示在輪緣上及軸孔周圍出現(xiàn)缺陷（見圖1）。據(jù)模擬預(yù)測的凝固缺陷，可對癥地計(jì)算繪制出各個(gè)澆道、冒口。

2 澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)及凝固模擬

此零件為托架，沒有過多的型腔，鑄件比較高，需要補(bǔ)縮，選擇重力底注式澆注為宜。

2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）澆注時(shí)間的計(jì)算

式中，t是澆注時(shí)間（s）；G2為澆入型腔內(nèi)的鋁合金溶液的質(zhì)量（kg）；K 是系數(shù)，K＝1.50；l為鑄件的平均壁厚。取澆道比例為35%，澆冒口的重量G1=39×35%kg=13.65kg，金屬液的重量G2=G+G1=52.65kg，鑄件的平均壁厚l=30 mm，可得:澆注經(jīng)驗(yàn)時(shí)間t=11.6s。

（2）液面上升速度

式中，C為鑄件最低與最高點(diǎn)距離 (mm)；t為計(jì)算的澆注時(shí)間（s），V=（180/11.6）mm/s=15.5mm/s。

（3）各澆道截面及尺寸的確定

輪轂質(zhì)量39.0kg，輪轂最薄厚度為20mm，最厚壁 40mm，取∑S內(nèi)=6.0 ，所以∑S內(nèi)∶∑S橫∶∑S直=1.0 ∶1.10 ∶1.15，因∑S內(nèi)=6.0 ，得：∑S橫=6.61 ，∑S直=6.91cm2，內(nèi)澆道的具體尺寸a=11.2mm,b=7.0mm，c=17.1mm，使用圓柱形直澆道，直徑D=42.0mm，查得S橫=6.61，可得 A=16.0mm，B=11.0mm,C=18.1mm；得S直=6.9 。

輪轂設(shè)計(jì)增加了澆注系統(tǒng)，凝固模擬后，輪輻處的鑄造缺陷有較為明顯的減少，但缺陷也有所轉(zhuǎn)移，由原來的中部集中轉(zhuǎn)移到了內(nèi)外輪緣與輪輻的交接處，而內(nèi)輪緣處的缺陷有所減少，但卻不明顯，為此增加冒口和冷鐵。缺陷的模擬預(yù)測如圖2所示。

圖2 加澆注系統(tǒng)的缺陷預(yù)測

2.2 冒口冷鐵的設(shè)計(jì)

根據(jù)冒口的選擇原則以及加入澆道后的缺陷位置，選內(nèi)輪緣處位置增加冒口以改善缺陷，利用Pro/E軟件繪制冒口。在內(nèi)輪緣上方增加冒口。冒口共設(shè)置了三個(gè)，截面40.5mm×40.5mm，高為60.3mm。增設(shè)冒口模擬后，在內(nèi)輪緣中心的鑄造缺陷轉(zhuǎn)到冒口處，已消除。

由于沒有形成順序凝固條件，冒口補(bǔ)縮距離又有限，致使外輪緣和輪輻連接處的缺陷仍未消除，冷鐵能使冒口的補(bǔ)縮距離加大，故需設(shè)計(jì)冷鐵進(jìn)行局部范圍冷卻，使得輪輻上由外到內(nèi)形成順序凝固，打通冒口補(bǔ)縮通道[3]。用Pro/E繪制設(shè)計(jì)六個(gè)冷鐵，尺寸為60.5mm×20.3mm×20.4mm，繪制好的澆冒系統(tǒng)和冷鐵三維設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 全部澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 鑄件充型凝固模擬

澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵設(shè)計(jì)好后，進(jìn)行充型模擬仿真，可以清楚地看到整個(gè)過程比較平穩(wěn)，沒有飛濺，充型時(shí)間為 0.1845s（見圖 4）。

凝固進(jìn)程如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)輪緣的外部最早凝固，接下來是輪輻凝固，然后是冒口和澆注系統(tǒng)發(fā)生凝固，符合順序凝固，從澆注系統(tǒng)或冒口到輪輻、輪緣，形成暢通的補(bǔ)縮通道[4]。

圖4 不同時(shí)刻充型進(jìn)程

圖5 凝固進(jìn)程圖

圖6 最終缺陷圖

可以看出，由于在凝固過程中增設(shè)冷鐵，保證不會(huì)形成熱量集中區(qū)域。在輪轂?zāi)倘讨?，通過設(shè)計(jì)形成順序凝固，冒口和內(nèi)澆道成為最后凝固區(qū)域，所以輪轂鑄件中的各種缺陷大幅減少。縮孔縮松是不可能完全避免的，現(xiàn)在已經(jīng)減少到了無法減小的范圍內(nèi)?？梢园凑赵O(shè)定的澆鑄工藝安排實(shí)際的澆注生產(chǎn)，保證鑄件的性能。最終缺陷圖如圖6所示。實(shí)際澆注生產(chǎn)中鑄件出現(xiàn)的缺陷與此大致相同。

4 結(jié)論

（1）對未進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行缺陷預(yù)測，可精準(zhǔn)找出缺陷，為工藝設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

（2）澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵需配合使用，才能達(dá)到最佳的工藝效果。

（3）充型模擬、凝固模擬、缺陷預(yù)測三項(xiàng)配合使用，可以大大提高工藝設(shè)計(jì)成功率。

[1] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:35-38.

[2] 李宏英,趙成志.鑄造工藝設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:122-125.

[3] 胡亞民,馮小明,申榮華.材料成型技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2004:98-101.

[4] 于百庫，白文弟.鑄件凝固過程溫度場的數(shù)值模擬[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2002(2):17-19.