基于ProCAST的汽車輪轂綠色生產(chǎn)研究

鐘強(qiáng)強(qiáng) 王晶

摘 要：綠色發(fā)展在工業(yè)中的直觀體現(xiàn)是建設(shè)能源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展模式，而傳統(tǒng)的汽車輪轂企業(yè)輪轂更新周期長(zhǎng)，試生產(chǎn)時(shí)廢品率高，極大地增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，不符合綠色發(fā)展的理念。本文應(yīng)用 CAE軟件（ProCAST）對(duì)汽車輪轂的鑄造凝固過程進(jìn)行仿真，通過固液相分布情況、溫度場(chǎng)及Niyam判據(jù)等的分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品鑄造缺陷的產(chǎn)生及分布情況，并介紹如何依據(jù)此分析結(jié)果對(duì)輪轂的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，以減少資源與人力的浪費(fèi)，使輪轂的生產(chǎn)過程更加低碳、環(huán)保、可持續(xù)，讓企業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

關(guān)鍵詞：綠色發(fā)展;輪轂;ProCAST ;企業(yè)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)也不斷增強(qiáng)，為了更好地保護(hù)環(huán)境，十八屆五中全會(huì)著重強(qiáng)調(diào)了“綠色發(fā)展”的理念。綠色發(fā)展包括政治、經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境等多個(gè)方面的內(nèi)容，綠色發(fā)展在工業(yè)中的直觀體現(xiàn)便是建設(shè)能源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展模^[1～2]。傳統(tǒng)工業(yè)模式高速發(fā)展之下，給環(huán)境與資源帶來了沉重壓力，發(fā)展模式與資源環(huán)境間的矛盾愈加突出，綠色發(fā)展是在傳統(tǒng)發(fā)展模式基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新，是一種以生態(tài)環(huán)境容量和資源承載力為基礎(chǔ)，以人的健康和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與環(huán)境的平衡，并以此為核心內(nèi)容的一種新型發(fā)展模式。

鋁合金汽車輪轂的制造需消耗大量的資源，且因輪轂形狀的多樣性，廢品率居高不下，不符合綠色發(fā)展的理念。如今汽車數(shù)量的快速增加，越來越多的人擁有自己的汽車，因此人們開始追求汽車輪轂的裝飾作用，強(qiáng)調(diào)個(gè)性及與眾不同。這表明傳統(tǒng)汽車輪轂批量生產(chǎn)的模式將因輪轂款式的日新月異而轉(zhuǎn)變成“靈活多變”小批量生產(chǎn)方式，這也意味著為適應(yīng)市場(chǎng)變革企業(yè)需縮短汽車輪轂制造與研發(fā)周期，并且保證成品率。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段必須實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，減少不必要的試生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可運(yùn)用CAE軟件ProCAST對(duì)汽車輪轂鑄造凝固過程進(jìn)行仿真模擬，通過分析充型過程中鋁液溫度場(chǎng)變化、凝固云圖及Niyama云圖等，可預(yù)測(cè)鑄造過程的缺陷分布情況，避免因外觀設(shè)計(jì)人員不能全面地考慮鑄造工藝及材料性能而出現(xiàn)產(chǎn)品造型與鑄造工藝上的矛盾，導(dǎo)致廢品率的增加。因此新產(chǎn)品研發(fā)前進(jìn)行CAE軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支撐及改進(jìn)建議， 可實(shí)現(xiàn)汽車輪轂生產(chǎn)企業(yè)的綠色發(fā)展，減少對(duì)環(huán)境和資源的負(fù)擔(dān)。

一、ProCAST于輪轂綠色生產(chǎn)中的應(yīng)用模式

ProCAST屬于CAE軟件，自身CAD建模能力并不突出，因此一般情況下需事先創(chuàng)建CAD模型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析。

（一）CAD模型的構(gòu)建

本文應(yīng)用UG NX10.0軟件創(chuàng)建汽車輪轂及其模具模型，如圖1、圖2所示。企業(yè)在進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)或加工第三方的產(chǎn)品時(shí)都會(huì)創(chuàng)建好CAD模具，同時(shí)也會(huì)創(chuàng)建好模具的CAD模型，因此實(shí)際生產(chǎn)中可對(duì)這些CAD模型進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后直接導(dǎo)入ProCAST。

（二）鑄造CAE分析

ProCAST可依據(jù)實(shí)際的合金成分自定義材料數(shù)據(jù)庫，生成合金的相圖、凝固曲線及粘度曲線等，并依據(jù)此對(duì)鑄造凝固過程進(jìn)行模擬，分析該過程中溫度場(chǎng)的變化、Fraction Solid、Niyam判據(jù)和Shrinkage porosity等。圖3是合金液鑄造過程的仿真模擬，應(yīng)用ProCAST軟件能直觀地模擬合金液的充型過程，觀察該過程中是否發(fā)生湍流、紊流，初步預(yù)測(cè)縮松縮孔等缺陷的分布情況;圖4是充型完成后凝固過程中合金固液相分布情況，圖中紅色與黃色區(qū)域?yàn)橐合?，灰色區(qū)域?yàn)楣滔啵瑥闹锌捎^察到中心澆口處及輪輻處凝固速度較慢，液相比例高，基本實(shí)現(xiàn)順序凝固，避免因輪輻等狹窄區(qū)域提前凝固而造成澆不足或補(bǔ)縮不及時(shí)的情況;凝固過程中股液相分布情況結(jié)合該過程中溫度場(chǎng)的分布情況可更準(zhǔn)確地判斷是否會(huì)出現(xiàn)因溫度分布不合理而出現(xiàn)的鑄造缺陷，此次凝固仿真過程合金液溫度分布情況如圖5所示，其中紅色域表示其溫度高于液相線，橘色區(qū)域溫度略低于液相線但高于固相線，意味著該區(qū)域內(nèi)開始出現(xiàn)固相，屬于固液共存狀態(tài)，黃色區(qū)域溫度低于固相線，這表明該區(qū)域合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?圖6是凝固時(shí)的Niyam判據(jù)情況，Niyama判據(jù)是新山英輔等人以溫度梯度法為基礎(chǔ)提出的，認(rèn)為其值越小出現(xiàn)縮松縮孔的傾向越大，因此從圖中可發(fā)現(xiàn)輪輞處及澆鑄中心的冒口處容易出現(xiàn)縮松縮孔。

二、ProCAST的應(yīng)用意義

通過對(duì)新研發(fā)的產(chǎn)品或第三方設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行CAE分析，可推測(cè)鑄造凝固過程中各種缺陷的產(chǎn)生原因，有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，避免盲目地通過試生產(chǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)而導(dǎo)致人力及資源的大量浪費(fèi)。例如：依據(jù)ProCAST對(duì)充型過程進(jìn)行模擬的，可判斷外觀設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品是否適合生產(chǎn)，若模擬充型過程中發(fā)現(xiàn)大量的湍流、紊流情況，這表明設(shè)計(jì)時(shí)輪輻、輪輞等區(qū)域的形狀設(shè)計(jì)不合理，必須進(jìn)行優(yōu)化，否則在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中廢品率必定大幅度增加;依據(jù)凝固過程中合金固液相分布情況及溫度場(chǎng)分布情況，可預(yù)測(cè)實(shí)際澆鑄后凝固時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)因溫度場(chǎng)分布不合理或輪轂形狀尺寸設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的部分區(qū)域提前凝固導(dǎo)致后續(xù)合金液充型不滿或補(bǔ)縮不及時(shí);依據(jù)凝固時(shí)的Niyam判據(jù)的情況可預(yù)測(cè)輪轂實(shí)際澆鑄過程中各區(qū)域的縮松縮孔情況，通過優(yōu)化輪轂的結(jié)構(gòu)、模具中水冷空冷的分布情況及澆鑄時(shí)的速度壓力等，減少鑄造凝固時(shí)的縮松縮孔傾向。

更合理的設(shè)計(jì)、更有效的工藝就意味著更少的浪費(fèi)，也意味著更短的生產(chǎn)周期、更好的效益，同時(shí)還意味著企業(yè)的生產(chǎn)更加地環(huán)境友好，企業(yè)在綠色發(fā)展的道路上走地更遠(yuǎn)。

三、總結(jié)

綠色發(fā)展是傳統(tǒng)工業(yè)前進(jìn)的方向也是必然要求，尤其是汽車輪轂生產(chǎn)企業(yè)這類對(duì)環(huán)境影響較大的企業(yè)，有效地減少生產(chǎn)過程中對(duì)資源的浪費(fèi)，能在提升企業(yè)效益的同時(shí)更好地實(shí)踐低碳、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展。

通過ProCAST軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的輪轂產(chǎn)品進(jìn)行鑄造仿真，分析鑄造與凝固過程中的各種現(xiàn)象與參數(shù)，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及實(shí)際生產(chǎn)過程提供更具針對(duì)性的優(yōu)化建議，減少試生產(chǎn)的次數(shù)，提升成品率，同時(shí)縮短生產(chǎn)周期提升企業(yè)效益，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，并且為企業(yè)的綠色發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄔曉霞，張雙悅.“綠色發(fā)展”理念的形成及未來走勢(shì)[J].經(jīng)濟(jì)問題，2017（2）：30-34.

[2] 黃娟.科技創(chuàng)新與綠色發(fā)展的關(guān)系——兼論中國特色綠色科技創(chuàng)新之路[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2017，38（2）：33-41.