鋁合金輪轂低壓鑄造仿真成型及質(zhì)量預(yù)測

朱建勝，李凝，李月樵，胡成群，蔡勇，盛婷，伍海龍

（1.金華市計(jì)量質(zhì)量科學(xué)研究院，浙江 金華321000；2.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院，浙江 金華321000；3.浙江?？递嗇炛圃煊邢薰?，浙江 武義321000）

0 引言

輪轂作為汽車的一個(gè)零部件，承受車體的整體重力并保持運(yùn)動精度，是關(guān)系到汽車安全的關(guān)鍵零件。其成型過程主要有鑄造和鍛造兩種成型方式，目前大多采用的為鑄造成型，其中低壓鑄造、重力鑄造是輪轂成型的主要成型方法[1-3]。低壓鑄造是鋁液在壓力作用下充入模具，在有壓力的情況下進(jìn)行凝固結(jié)晶的工藝。同樣的情況下，與重力鑄造相比，低壓鑄造輪轂內(nèi)部組織更為密實(shí)，強(qiáng)度更高。此外，低壓鑄造利用壓力充型和補(bǔ)充，極大簡化了澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使金屬液利用率達(dá)90%。目前低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產(chǎn)的首選工藝[4-6]。汽車輪轂對汽車輪轂用材的力學(xué)性能有很苛刻的要求，不僅要有足夠的強(qiáng)度，還要有很好的塑性和沖擊韌性。與此同時(shí)，對鋁輪轂鑄件的內(nèi)部冶金質(zhì)量也有很高的要求[5-10]。由于對鋁輪轂鑄件在凝固過程中的不可視性，為了了解高溫液態(tài)金屬的冷卻過程，采用有限元仿真軟件對輪轂的冷卻進(jìn)行可視化表征，以了解輪轂冷卻時(shí)的氧化夾雜、縮松、裂紋等任何缺陷存在的位置，以合理地改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)及成型工藝參數(shù)的選擇，提高輪轂的綜合力學(xué)性能。

1 工藝方案及分析

1.1 鑄件工藝性分析

輪轂鑄件尺寸及結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪轂結(jié)構(gòu)尺寸形狀極不規(guī)則，相對復(fù)雜，整體來看，輪轂壁厚相對均勻，筋板及轉(zhuǎn)接處呈對稱分布，形狀為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但整體為一具有錐度的圓形件，輪轂中間具有隔板效應(yīng)，利于分模；內(nèi)腔和外接部分易于成芯，同時(shí)兩面本身帶有一定的斜度，易于脫模。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)形狀示意圖

1.2 輪轂材料選擇

本次選用輪轂最常用的A356.2鋁合金材料，其成分如表1所示。A356.2具有流動性好、熔鑄工藝簡單、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等良好的鑄造性能，可以鑄造薄壁和形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，成型及切削加工性能良好，同時(shí)具有比重小、耐蝕性良好、隨鑄件壁厚增加而強(qiáng)度降低的程度小、鑄錠斷口致密、無熔渣和非金屬夾雜物等特點(diǎn)[1-7]。

表1 A356.2鋁合金材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.3 其他成型工藝參數(shù)

依照生產(chǎn)過程中鋁合金的壓鑄成型工藝條件，采用表2所示的成型工藝參數(shù)進(jìn)行仿真成型生產(chǎn)，獲取鑄件成型時(shí)的溫度場分布、充填時(shí)間、缺陷預(yù)測等結(jié)果。

表2 主要成型工藝參數(shù)

速度和溫度邊界一般都設(shè)置在澆注口上。虛擬模具的內(nèi)壁與澆注材料作用設(shè)置鑄件和虛擬模具的界面速度為0。根據(jù)垂直澆注通道的垂直方向，重力作用在上平面位置上，加速度的方向?yàn)閥軸正向，大小為9.81 m/s2。在每次模擬開始時(shí)，參數(shù)重新設(shè)置。

1.4 模擬前期準(zhǔn)備

本文使用3D軟件UG對零件進(jìn)行實(shí)體造型（如圖1），然后以STL格式導(dǎo)入Moldflow中進(jìn)行鑄型的定義及網(wǎng)格劃分，為保證模擬精度與計(jì)算速度，選用等間隔的剖分方法將整體模型（鑄件和鑄型）分為細(xì)網(wǎng)格，再用增加/刪除的網(wǎng)格修改方法將鑄型部分的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放寬，以提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

在鑄造數(shù)值模擬過程中，將金屬液看作是不可壓縮的流體，對于低壓鑄造來說，由于升壓速率較慢，忽略湍流作用。鑄件充型過程中合金液的流動遵循流體動力學(xué)規(guī)律，合金液和鑄型之間的熱交換遵循能量平衡、質(zhì)量守恒和動量守恒方程。金屬液體接觸金屬模具后，溫度自然降低；金屬液體的后期充填行為視為重力鑄造，此時(shí)，充填力場主要有2個(gè)分量:液體重力和大氣阻力。材料在鑄型中凝固過程的溫度場和應(yīng)力場是相互影響、相互作用的，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，易于促使鑄件形成縮松或縮孔。由此本次模擬低壓鑄造做了以下假設(shè)[11-15]：1）液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)均勻分布，以模擬整個(gè)平穩(wěn)充填過程；2）液態(tài)金屬是不可壓縮的；3）液態(tài)金屬為均質(zhì)流體材料。以此預(yù)測鑄件凝固過程中縮松、縮孔的形成，從而實(shí)現(xiàn)對鑄件內(nèi)部質(zhì)量的控制。

圖2 鑄件網(wǎng)格劃分

1.5 澆注系統(tǒng)及冷卻回路

依鑄件尺寸設(shè)計(jì)對應(yīng)的澆注系統(tǒng)，其計(jì)算相關(guān)參數(shù)如表3所示，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建澆注系統(tǒng)如圖3（a）所示，澆注系統(tǒng)連通性診斷結(jié)果如圖3（b）所示。從診斷結(jié)果來看，澆注系統(tǒng)完全貫通。根據(jù)鑄件的形狀結(jié)構(gòu)，利用Moldflow自帶的冷卻回路設(shè)置相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建完成之后的冷卻回路如圖3（c）所示。

表3 澆注系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

圖3 鑄件的澆注系統(tǒng)及冷卻回路

2 結(jié)果及分析

2.1 充填過程相關(guān)參數(shù)

本次設(shè)計(jì)的輪轂的充型時(shí)間大約在4.6 s，充填結(jié)果如圖4（a）所示，4個(gè)澆口的位置充型液態(tài)金屬同時(shí)到達(dá)（因選擇視角位置問題，冷卻水管遮擋澆道不易看出，在圖4（e）和圖4（f）中可以明顯看出）。兩側(cè)面的充型時(shí)間的偏差可能是由于造型過程中單邊澆道沒有倒角所導(dǎo)致。但鑄件的整個(gè)填充過程相對平穩(wěn)。根據(jù)輪轂的實(shí)際尺寸推算，在實(shí)際充填的時(shí)間大約在20 s左右，可見鑄件的充型過程在很短時(shí)間內(nèi)結(jié)束。結(jié)合鑄型的充填程度可以看出，短時(shí)間內(nèi)的充型是比較飽滿的（如圖4（b）），滿足充型的各種參數(shù)。從需求的材料量來看，約需3962.4 cm3（如圖4（c）），為熱態(tài)下材料的體積量，計(jì)算料流量為鑄件室溫下的材料體積3452.03 cm3，基本吻合，所計(jì)算偏差未考慮材料的線收縮系數(shù)，因此存在微小偏差值，考慮鋁合金材料的線收縮系數(shù)后，其值基本一致。充填結(jié)束后的鑄件溫度分布如圖4（d）所示，從圖中可以看出鑄件的溫度分布相對均勻，在650 ℃左右，整體溫差較小，保證了鑄件的整體冷卻，以減少冷卻過程中鑄件內(nèi)的缺陷產(chǎn)生。充型結(jié)束后鑄件內(nèi)的材料取向和表層取向基本均勻（如圖4（e）、（f）），減弱了材料的內(nèi)應(yīng)力傾向。

圖4 充填過程相關(guān)參數(shù)

2.2 壓鑄件的缺陷預(yù)測及分析

縮孔、縮陷和疏松是鑄造生產(chǎn)中常見的鑄件缺陷，其成因主要是因?yàn)楦邷匾后w在冷卻時(shí)收縮無法得到足夠的液體補(bǔ)充，或是型腔內(nèi)的氣體無法及時(shí)排出。其存在破壞了金屬材料的連續(xù)性，降低了鑄件性能。因此在鑄造生產(chǎn)時(shí)應(yīng)能夠給予克服或避免其發(fā)生。圖5為研究鑄件冷卻時(shí)的缺陷位置預(yù)測，表征了輪轂冷卻過程中氣體沒有及時(shí)排出和液體金屬流動前沿交疊固化后的整體鑄件特征。

圖5 鑄件缺陷位置預(yù)測

從圖5中可以看出，鑄件產(chǎn)生縮松的位置大概在鑄件棱形交匯處，此處基本為模具凹陷處，液體最后填充的位置，其他接觸模具的壁面易于凝固成型，其補(bǔ)縮效果減弱，增大了交匯處產(chǎn)生縮松的可能性。冷卻后鑄件夾雜的位置與縮松的位置大致一致，這與充填過程中高溫液態(tài)金屬的流動前沿接觸鑄型壁面，易于沖刷壁面的雜質(zhì)或灰塵，同時(shí)前沿易于被氧化，當(dāng)兩相向的液態(tài)金屬接觸后，易于將夾雜的物質(zhì)包裹其中，形成鑄件夾雜。這與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)鑄件內(nèi)應(yīng)力開裂及鑄件缺陷存在的位置一致性相吻合。

2.3 充型結(jié)束后的力場分布

圖6為鑄件整體充填后的力場分布情況。從圖6中可以看出，液體充填結(jié)束后整體壓力分布相對均衡，結(jié)合鑄件缺陷位置分析可知，液體充填過程中流動前沿的液體易于形成渦流，由于工件的尺寸相對較小，氣體容量較少，因此在整個(gè)充型過程中，壓力差主要分布在充填的最后凝固區(qū)域與澆注口之間，但相對較小。因此整個(gè)充型相對平穩(wěn)，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的可能性較小。

圖6 充填結(jié)束時(shí)的壓力分布

3 結(jié)論

結(jié)合理論計(jì)算與模擬軟件，對輪轂的熱態(tài)成型過程進(jìn)行了模擬分析，預(yù)測了鑄件易于產(chǎn)生的鑄造缺陷，同時(shí)就模擬過程的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行獲取，表明模擬計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了采用軟件的可信性。

1）鑄件溫度在充型結(jié)束時(shí)很快冷卻至650 ℃，易于材料的快速冷卻成型。

2）輪轂鑄造缺陷易于出現(xiàn)在熱節(jié)處，為模具排氣位置的選擇設(shè)計(jì)指明了方向。

3）低壓鑄造輪轂的內(nèi)部材料取向及應(yīng)力分布相對均勻，減弱了材料冷卻固化后的應(yīng)力狀態(tài)。