鋁合金輪轂加壓鑄造技術(shù)研究

潘小雨　董琦

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)低壓鑄造工藝補(bǔ)縮壓力低、補(bǔ)縮能力不足的問(wèn)題，本文在其基礎(chǔ)上提出改進(jìn)創(chuàng)新，新工藝中將補(bǔ)縮壓力提高到2MPa，顯著增強(qiáng)了鑄件凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮驅(qū)動(dòng)力。利用數(shù)值模擬軟件對(duì)一款16英寸的鋁輪轂進(jìn)行低壓鑄造工藝和改進(jìn)新工藝的收縮缺陷分析對(duì)比。結(jié)果表明：傳統(tǒng)低壓鑄造工藝輪轂的內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接部位、輪盤中心部位均出現(xiàn)了明顯的縮孔縮松缺陷，且凝固時(shí)間較長(zhǎng)；第一次工藝優(yōu)化，以上部位出現(xiàn)收縮缺陷概率明顯降低，缺陷面積顯著減??；第二次工藝優(yōu)化，輪轂中的縮孔縮松缺陷全部消除，且凝固時(shí)間也大幅縮短，生產(chǎn)效率大幅提升。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂；壓力鑄造；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG249.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）03-0098-04

Research on Pressure Casting Technology of Aluminum Alloy Wheel

PAN Xiao-yu， DONG Qi

（Dongfeng Automotive Wheel Co.， Ltd.， Shiyan 442042，China）

Abstract：Aiming at the problem that the traditional low pressure die casting process has the disadvantages of low filling pressure and insufficient feeding capacity， this paper puts forward some suggestions on improvement， in the new process， the feeding pressure was increased to 2MPa， which greatly enhanced the feeding force during the casting solidification process. The shrinkage defects of a 16 inch aluminum wheel with low pressure die casting process and improvement of new technology were analyzed by means of numerical simulation software. The results show that there are obvious shrinkage porosity and shrinkage defects in the inner rim， connection site of the rim and the spokes and the center of the wheel， and the solidification time is very long； After the first process improvement， the probability of shrinkage defects in the above parts decreased obviously， and the defect area decreased significantly； After the second process improvement， the shrinkage porosity and shrinkage defects in the hub are eliminated， and the solidification time is shortened， and the production efficiency is greatly improved.

近年來(lái)，汽車行業(yè)處于快速發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)外的整車供應(yīng)商不但在供貨量上穩(wěn)步提升，還在車型的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及材料的使用等方面不斷的推陳出新，由此也帶來(lái)了汽車零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與繁榮時(shí)期[1]。輪轂作為汽車整體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分，在汽車的安全性和外觀美化方面有不可估量的作用。因此，一直以來(lái)輪轂的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)都得到了廣大研發(fā)人員的關(guān)注和重視。

引 言

隨著全球資源的日益緊張，以及人們節(jié)能環(huán)保觀念的日益加深，汽車輕量化已經(jīng)成為時(shí)代的主題。要實(shí)現(xiàn)輕量化有三種途徑：第一種是結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化；第二種是使用新材料；第三種是改進(jìn)現(xiàn)有工藝技術(shù)。對(duì)于汽車輪轂來(lái)講，多年以來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化已經(jīng)做了很多工作，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的提升空間不大。近年來(lái)，汽車輪轂中開(kāi)始大量使用鋁合金、鎂合金等質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料來(lái)替代以往的鋼質(zhì)材料，取得了不錯(cuò)節(jié)能減排效果。在車輪的成形工藝方面，目前以低壓鑄造工藝為主要生產(chǎn)方式[2～3]，利用這種方式生產(chǎn)的輪轂占到了市場(chǎng)總額的80%左右。該工藝在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)和提高材料的利用率等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此，在業(yè)內(nèi)被廣泛的采用。但是，這種工藝所使用的設(shè)備造價(jià)高昂，前期生產(chǎn)成本投入較大；升液管損壞頻率較高，需經(jīng)常更換；凝固時(shí)補(bǔ)縮能力較低，產(chǎn)品的綜合性能偏差[4～5]。

為改善輪轂質(zhì)量，本文在低壓鑄造的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)嘗試，新工藝擬用較低的壓力實(shí)現(xiàn)輪轂型腔的充填過(guò)程，然后采用較高的壓力來(lái)推動(dòng)金屬液實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮過(guò)程，其中的補(bǔ)縮壓力約為2～3MPa，最高補(bǔ)縮壓力是普通低壓鑄造工藝的30倍，大大的提升了鑄件凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮能力。

1 有限元模型建立

1.1 三維實(shí)體模型

本文選用某型號(hào)16英寸鋁合金輪轂，利用CATIA軟件建立輪轂及鑄型三維實(shí)體模型，如圖1所示：

1.2 網(wǎng)格劃分

采用非均勻四面體網(wǎng)格對(duì)鑄件和鑄型的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格過(guò)程中，對(duì)鑄件輪輻和輪輞進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化劃分；鑄型則采用較大的網(wǎng)格尺寸，這樣既可以保證模擬結(jié)果的精度又可以節(jié)省模擬時(shí)間，單元總數(shù)為1150368，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為269329。

1.3 材料熱物理參數(shù)

輪轂材料為A356，其液相線、固相線溫度分別為615℃、577℃，材料成分及熱力熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表1、表2[6～7]。

鑄型材料為H13鋼，模具的初始溫度為350℃，A356充型溫度設(shè)定為700℃，模具與鑄件之間的熱傳系數(shù)1500W/（m2·K），模具與模具之間的傳熱系數(shù)為3500 W/（m2·K），鑄件與冷卻介質(zhì)之間傳熱系數(shù)為25 W/（m2·K）[8～9]。

2 模擬結(jié)果與分析

充型及凝固過(guò)程壓力設(shè)置為0.08MPa，凝固總時(shí)間270S，冷卻方式為自然條件下冷卻。該工藝條件下的收縮缺陷分布如下圖2所示，

分析圖a），在輪轂內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接部位、輪盤中心部位均有部分區(qū)域的殘余熔體模數(shù)值小于0.3，而當(dāng)某一部位的殘余熔體模數(shù)值較低時(shí)則很容易出現(xiàn)收縮缺陷；分析圖b），在以上幾個(gè)部位均出現(xiàn)高亮區(qū)，這就表示這些地方出現(xiàn)縮孔縮松的概率會(huì)非常的大，而且在輪輞與輪輻連接處缺陷出現(xiàn)的可能性最大，對(duì)該部位縮孔縮松缺陷面積大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，平均缺陷半徑達(dá)到12.515mm。

3 工藝優(yōu)化方案

3.1 補(bǔ)縮壓力優(yōu)化

鑄件成形過(guò)程中導(dǎo)致收縮缺陷出現(xiàn)的原因有很多，補(bǔ)縮壓力就是最主要的影響因素之一。針對(duì)低壓鑄造工藝補(bǔ)縮壓力偏低的特點(diǎn)，本工藝將凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮壓力增強(qiáng)至2MPa，以提高中心澆口高溫金屬液對(duì)熱節(jié)部位的補(bǔ)縮能力。對(duì)本次改進(jìn)工藝進(jìn)行仿真模擬，除了澆口處補(bǔ)縮壓力增加至2MPa以外，其余參數(shù)與上一節(jié)低壓鑄造工藝參數(shù)相同，其模擬結(jié)果如下圖3所示。

分析圖3a），增加補(bǔ)縮壓力使得內(nèi)輪緣部位、輪盤部位的殘余熔體模數(shù)明顯提高，輪輞與輪輻連接處也有改善；分析圖3b）云圖，內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接處、輪盤中心部位的收縮缺陷出現(xiàn)的概率均顯著降低。對(duì)輪輞與輪輻連接處的縮孔縮松缺陷面積大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，平均缺陷半徑為7.054mm，相比低壓鑄造工藝減小了5.461mm。

3.2 冷卻工藝優(yōu)化

由于本款輪轂的內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接處都較為厚大，在自然冷卻條件下容易形成熱節(jié)，導(dǎo)致出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。本節(jié)在第一次工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)輪緣部位和輪輞與輪輻連接處添加強(qiáng)制冷卻條件，以消除熱節(jié)達(dá)到順序凝固條件。冷卻管道分布如下圖4所示。

模擬結(jié)果如下圖5所示。從圖5可知，通過(guò)添加冷卻條件各熱節(jié)部位的縮孔縮松缺陷均得以消除，輪轂鑄件的質(zhì)量得到顯著改善。另外，本次仿真凝固總耗時(shí)約為210s，相比初始低壓鑄造工藝降低了60s，添加的強(qiáng)制冷卻條件加快了輪轂各個(gè)厚大部位的冷卻速率，使得生產(chǎn)效率顯著提高。

4 結(jié)論

1）仿真結(jié)果表明，該款輪轂采用初始低壓鑄造工藝成形時(shí)在內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接處以及輪盤中心部位都會(huì)出現(xiàn)明顯的縮孔縮松缺陷。

2）第一次工藝改進(jìn)將補(bǔ)縮壓力提升至2MPa，使得內(nèi)輪緣部位、輪輞與輪輻連接處以及輪盤中心部位的收縮缺陷出現(xiàn)的概率顯著降低，缺陷面積明顯減少。這表明增大補(bǔ)縮壓力顯著的改善了鑄件的性能。

3）第二次工藝改進(jìn)在第一次工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上在熱節(jié)部位添加強(qiáng)制冷卻條件，完全消除了初始工藝中出現(xiàn)的縮孔縮松缺陷，鑄件凝固時(shí)間也大幅減小，生產(chǎn)效率顯著提升。

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