鋁合金汽車輪轂低壓鑄造的數(shù)值模擬

魏 劍 ，張永堅(jiān) ，高 浩 ，3，4

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明 365004)

我國(guó)汽車工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問(wèn)題。中國(guó)原油對(duì)外依存度2016年則高達(dá)65.4%，遠(yuǎn)超國(guó)際安全警戒線。此外從2006年就已經(jīng)取代美國(guó)成為世界第一大CO2排放國(guó)，全球27.6%的CO2排放來(lái)自中國(guó)。在2015年巴黎氣候峰會(huì)上，我國(guó)再次提出了 2030年單位GDP的CO2排放量比2005年下降60%～65%的目標(biāo)。節(jié)能預(yù)測(cè)線路中提出輕量化技術(shù)作為重要整車技術(shù)，具有極大的節(jié)油潛力[1]。目前汽車輪轂選用合適的鋁合金材料進(jìn)行制造，尺寸、重量隨具體車型而定，滿足力學(xué)性能的同時(shí)能夠滿足批量生產(chǎn)，并盡量使輪轂輕量化。輪轂的設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)法進(jìn)行[2]?？茖W(xué)化、數(shù)字化的方式對(duì)減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的不確定性、減少試模的次數(shù)，減少工件的廢品率有很大幫助。本文選用AnyCasting軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬觀察輪轂低壓鑄造缺陷，提出最佳工藝參數(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論支持。

1 鑄造工藝及數(shù)值模擬

1.1 模型建立

采用AnyCasting Pro/E軟件對(duì)某鋁合金整體式汽車輪轂進(jìn)行建模，尺寸為455 mm×250 mm，質(zhì)量15.767 7 kg，材料為 A356，如圖 1。

圖1 輪轂三維圖

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)置

金屬液流從澆道流入后，與外界不斷地?fù)Q熱，溫度會(huì)不斷下降。當(dāng)金屬液達(dá)到固相點(diǎn)時(shí)將會(huì)凝固。鑄件鑄型的傳熱過(guò)程是通過(guò)高溫金屬的輻射換熱、液體金屬與鑄型的對(duì)流換熱以及金屬向鑄型導(dǎo)熱三種方式[3]。由于每個(gè)型腔的形狀差異，金屬液的溫度不是同時(shí)降低，所以凝固時(shí)間也不同，可能造成不同程度的缺陷，模擬可以有效預(yù)測(cè)并減少缺陷的發(fā)生。

內(nèi)澆口選擇時(shí)應(yīng)最好讓金屬液能緩慢有序的流入型腔當(dāng)中，一般設(shè)計(jì)在金屬不容充填的部位，或者設(shè)計(jì)在整個(gè)鑄件的中心部位。根據(jù)此原則內(nèi)澆口設(shè)置在輪轂的輪輻中心處，如圖2箭頭所示處。

采用內(nèi)切圓滌圓法，根據(jù)式1確定內(nèi)澆口截面積

圖2 內(nèi)澆口設(shè)置

式中，Sg為內(nèi)澆口截面積，cm2；Zc為鑄件的質(zhì)量，g；ρ為合金的密度，g/cm3；v 為內(nèi)澆口的線速度，m/s；t為充型時(shí)間，s。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取鋁合金充型速度20～60 cm/s，內(nèi)澆口的截面積為400π mm2時(shí)，充填時(shí)間約20 s。

升液管與內(nèi)澆口直接相連。在壓力的作用下金屬液進(jìn)入升液管，通過(guò)升液管進(jìn)入澆口中，這個(gè)過(guò)程中升液管控制升液壓力和升液速度[4]。由于升液速度應(yīng)該低于充型速度，為了使升液管的金屬液能穩(wěn)定的流入澆口，采用漏斗型的升液管，升液管的直徑應(yīng)大于澆口的直徑，然后再緩慢地縮小以與內(nèi)澆口接合，如圖3。

圖3 升液管

1.3 模擬初始條件設(shè)置

AnyPRE模塊是AnyCasting的前處理軟件。將輪轂和澆注系統(tǒng)一并導(dǎo)入到軟件中，劃分939 504個(gè)網(wǎng)格，對(duì)壓鑄對(duì)象進(jìn)行前期參數(shù)設(shè)置。

鑄型溫度的高低直接影響著輪轂鑄件的結(jié)晶組織和成型質(zhì)量，根據(jù)鑄型種類、鑄件結(jié)構(gòu)、合金特性進(jìn)行合理選擇[5]。根據(jù)鋁合金相圖，初步選擇澆注溫度分別是630、660、690℃進(jìn)行模擬。

由于鑄造壓力與速度成正比例關(guān)系，充型的速度隨時(shí)間的變化而變化，充型速度的設(shè)置關(guān)系著充型過(guò)程和凝固過(guò)程的結(jié)果。冷卻裝置是前處理比較重要的環(huán)節(jié)，由于型腔的形狀，需要在壁厚處增加冷卻管路以控制凝固時(shí)間減少缺陷。

首次實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇充型速度20 m/s，澆注溫度為630℃，3條冷卻管道（兩條水冷管道和一條空冷管道）。在充型80 s的時(shí)候打開(kāi)管道使空氣進(jìn)入零件壁厚的區(qū)域開(kāi)始進(jìn)行冷卻，設(shè)置體積流量和出、入口溫度。在充型的第140 s打開(kāi)第一條水冷管道進(jìn)行液體冷卻。在充型的第280 s打開(kāi)最后一條水冷管道。在充型的第300 s同時(shí)關(guān)閉這三條冷卻管道。升液管是金屬液流入的管道，為了保證充型過(guò)程中金屬液足夠充滿型腔，升液管應(yīng)該在充型結(jié)束后關(guān)閉。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖4金屬液經(jīng)升液管流入內(nèi)澆口，9.21 s時(shí)金屬液從內(nèi)澆口流入型腔開(kāi)始填充，13.53 s時(shí)局部充型，17.63 s繼續(xù)順序充型，直至22.35 s充型整個(gè)輪轂型腔，與預(yù)測(cè)充型時(shí)間基本吻合。

圖4 充型過(guò)程

圖5為輪轂的凝固過(guò)程，在金屬液凝固過(guò)程中，主要存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射三種傳熱方式[6]。凝固時(shí)間480 s時(shí)，從壁薄的地方首先凝固，輪輻處最后凝固。鋁合金輪轂自上而下、自外而內(nèi)的凝固結(jié)晶，保證了鑄件整體的順序凝固[7]。凝固時(shí)間320 s時(shí)箭頭指示處形成凝固的孤立液相區(qū)，得不到補(bǔ)縮，產(chǎn)生收縮缺陷，在凝固后期這個(gè)相區(qū)與其他區(qū)連接處可能存在裂紋。

圖6為充型溫度場(chǎng)，充型45.3%時(shí)金屬液出現(xiàn)了溫度差，充型82.5%時(shí)鑄件就已經(jīng)開(kāi)始凝固，與充型速度、冷卻系統(tǒng)設(shè)置及澆注溫度有較大關(guān)系。圖7為殘余熔體模數(shù)，圖中顏色最深處可能會(huì)出現(xiàn)縮松缺陷。

圖5 凝固過(guò)程

圖6 溫度場(chǎng)

圖7 殘余熔體模數(shù)

為消除以上缺陷區(qū)域，改變澆注溫度、充型速度尋求最佳工藝參數(shù)。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 澆注溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響

圖8～10為充型速度為20 cm/s澆注溫度分別為630、660和690℃的充型過(guò)程、凝固過(guò)程和殘余熔體模數(shù)。

圖8 充型過(guò)程

圖9 凝固過(guò)程

圖10 殘余熔體模數(shù)

在鑄件鑄造充型開(kāi)始直至最后凝固結(jié)束的過(guò)程中，型腔里面的溫度都在不斷的變化。由于在型腔各處冷卻速度不同，靠近冷卻管道冷卻條件好的部位形成等軸細(xì)晶粒，隨著晶體凝固，溫度梯度減小，冷卻條件變差，這些部位形成的晶粒會(huì)變粗[8]，同時(shí)金屬液體中的氣體無(wú)法從冷卻管排除，形成縮松或縮孔，影響鑄件質(zhì)量。對(duì)圖8進(jìn)行對(duì)比分析，不同溫度對(duì)充型結(jié)果影響基本很小，充型過(guò)程均為順序充型，因?yàn)檫@三個(gè)溫度均在鋁合金的液相線上且鋁合金的充型速度合適。從圖9和10發(fā)現(xiàn)溫度為630和690℃時(shí)都出現(xiàn)了多處的孤立液區(qū)域，使得鑄件產(chǎn)生缺陷，說(shuō)明凝固過(guò)程受澆注溫度影響較大。由此選用660℃的澆注溫度。

經(jīng)過(guò)對(duì)鋁合金輪轂充型過(guò)程、凝固過(guò)程及殘余熔體模數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果的觀察與分析，可以得知最合適的澆注溫度應(yīng)為660℃。

3.2 充型速度對(duì)模擬結(jié)果的影響

圖11～13為澆注溫度660℃時(shí)充型速度分別為20、40和60 cm/s的充型過(guò)程、凝固過(guò)程和殘余熔體模數(shù)。

圖11 充型過(guò)程

圖12 凝固過(guò)程

圖13 殘余熔體模數(shù)

充型速度與澆注過(guò)程有著密切的聯(lián)系。當(dāng)速度較大時(shí)，內(nèi)澆口部位會(huì)產(chǎn)生“噴射”現(xiàn)象，當(dāng)速度較慢會(huì)導(dǎo)致金屬液未充型完成，就開(kāi)始凝固，甚至可能出現(xiàn)金屬液堵住型腔壁薄的部位導(dǎo)致后面的部分不能完成充型，使整個(gè)制造鑄件失敗。對(duì)圖11進(jìn)行對(duì)比分析，不同充型速度對(duì)充型結(jié)果影響基本很小。從圖12發(fā)現(xiàn)凝固過(guò)程中，不同速度都有出現(xiàn)孤立液區(qū)域，20 cm/s充型速度時(shí)區(qū)域較小。從圖13中發(fā)現(xiàn)不同速度時(shí)都有收縮缺陷。由此選用20 cm/s來(lái)作為最佳的充型速度。

4 結(jié)論

運(yùn)用AnyCasting軟件對(duì)鋁合金汽車輪轂進(jìn)行低壓鑄造數(shù)值模擬，通過(guò)不同澆注溫度和充型速度下進(jìn)行模擬，從充型過(guò)程、凝固過(guò)程和殘余熔體模數(shù)進(jìn)行分析，獲得最佳工藝參數(shù)為澆注溫度660℃、充型速度20 cm/s。在此參數(shù)下仍不可避免地局部產(chǎn)生少量殘余熔體，溫度場(chǎng)也不是非常完美，這與輪轂內(nèi)部厚薄不一的結(jié)構(gòu)有關(guān)，尤其是在輪輻處和壁厚處，容易產(chǎn)生溫度變化不一致，而在輪輞處容易出現(xiàn)殘余熔體。后續(xù)可以對(duì)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使鑄件質(zhì)量不斷完善，為輪轂低壓鑄造工藝提供理論上的技術(shù)支持。