鋁合金輪轂低壓鑄造數(shù)值分析及模具設(shè)計(jì)

韓 超

（1.秦皇島中秦渤海輪轂有限公司，河北秦皇島 066010；2.河北省輕合金車輪工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島 066010）

1 低壓鑄造鋁合金輪轂

鋁合金輪轂的制造工藝直接決定其產(chǎn)品的性能，輪轂的主要生產(chǎn)方法有鑄造和鍛造，鑄造方法包括金屬重力鑄造、低壓鑄造和壓力鑄造等。截止到當(dāng)前，國內(nèi)鋁合金輪轂的生產(chǎn)主要方法依然是低壓鑄造，該方式具有低成本、高質(zhì)量的特點(diǎn)，約占總產(chǎn)量的80%；其次是簡單重力鑄造，約占總產(chǎn)量的10%。部分生產(chǎn)工藝提供了更好的產(chǎn)品，但由于成本和技術(shù)限制，尚未廣泛用于商業(yè)用途。

2 合金輪轂低壓鑄造數(shù)值分析

實(shí)現(xiàn)輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是穩(wěn)定的制造過程。如圖1所示模擬和分析了鑄鐵中液態(tài)金屬的流動和固化的熱傳遞狀態(tài)，并提供了變速場、應(yīng)力場等多項(xiàng)參數(shù)，為分析輪轂結(jié)構(gòu)提供重要的理論基礎(chǔ)。該示例是以616 ℃的液相溫度和556 ℃的固相溫度為基礎(chǔ)的A356 鋁合金制成的，上模具、下模具和四個側(cè)模具的材料為H13 型鋼，輪轂低壓鑄造合金液體的鑄造溫度為720 ℃，鑄造模具預(yù)熱至350 ℃。經(jīng)過五個循環(huán)，鑄模的溫度在每個鑄造循環(huán)結(jié)束時沒有顯著變化，這意味著鑄造過程是穩(wěn)定的，整個循環(huán)需要大約300 s，壓實(shí)壓力約為0.95 MPa。

圖1 低壓鑄造循環(huán)過程

低壓成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對模具強(qiáng)制冷卻。在低壓鑄造廠中，強(qiáng)制冷卻介質(zhì)通常是壓縮空氣和水，通過熱對流傳遞熱量。在整個冷卻過程中，模具的背面溫度可以達(dá)到300～400 ℃，型腔的表面溫度可以達(dá)到450～500 ℃，并且輻射高，在模具與模具之間建立了接觸關(guān)系。在鑄造過程開始時，合金液體過熱，并且界面接觸良好；冷卻后，出現(xiàn)固相并降低了接觸狀態(tài)，熱交換系數(shù)逐漸下降。當(dāng)模制件的固相速率達(dá)到0.9 時，在模制件基本固化后，模制件和模具之間通入空氣，進(jìn)一步降低熱交換系數(shù)。

使用ProCAST 軟件對輪轂的低壓造型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖2 所示，包括鑄造部件的灌裝、冷卻和解調(diào)三個步驟。灌裝開始時，合金液體在灌裝半徑內(nèi)流動不規(guī)則；灌裝速度超過50%，提高了鑄件的均勻性。合金液體填充良好，最終填充成型形狀。灌裝結(jié)果表明，在內(nèi)邊緣容易發(fā)現(xiàn)灌裝不規(guī)則現(xiàn)象，導(dǎo)致殘留物等缺陷。

圖2 鑄件充型模擬

通常情況下，RSP（Rapid Solidification Process，快速凝固過程）的主要決定因素是冷卻速度，RSP 的數(shù)值越小，說明材料的成型性能越好。輪轂在凝固過程中較厚部位凝固速度比較慢，先凝固的輪輻阻止了中心澆口鋁合金液向輪轂較厚部位的補(bǔ)給，故該部位最易產(chǎn)生縮松、縮孔、裂紋等缺陷。通過分析二次晶體臂的間隔和總晶體半徑的間隔，可以獲得不同區(qū)域鑄造輪轂材料的不同性能，并且在芯和車輪半徑上的性能低于材料的性能。這也是裂縫和其他疲勞損傷往往首先出現(xiàn)在車輪的中心和輻射區(qū)的原因。

模擬分析及計(jì)算結(jié)果表明，鑄造工藝制造的鋁合金輪轂的材料性能在不同區(qū)域有所不同，從外輪緣到輪心，輪轂材料性能逐漸降低，輪心處材料性能最差，輪轂處材料性能最好。

3 低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)

輪轂作為汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是連接道路和汽車的重要傳動工具。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，包括汽車性能的提高，輪轂在汽車零部件中起著非常重要的作用，包括承載器的重量、變速器控制的方向、整車的制動等，以及汽車的整體質(zhì)量和速度的提高，輪轂對整車安全的影響尤為重要。輪轂是汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是連接道路和汽車的重要傳動工具。隨著近年來汽車工業(yè)的發(fā)展，包括汽車性能的提高，輪轂在汽車零件中起著非常重要的作用，包括載重量、變速器控制方向、整車制動器等，以及整體質(zhì)量的提高，輪轂對整車安全性能的影響尤為重要。

模具和工藝缺一不可，兩者相輔相成。將鑄造過程調(diào)整到0.16 MPa（1600 mbar），以增加鑄造的填充壓力。更快的充填速度可以補(bǔ)償?shù)蜏兀s690 ℃）的鋁液體的流變成形性，提前結(jié)晶的啟動時間，縮短結(jié)晶周期，提高組織密度；鼓勵形成薄壁，改善金屬的使用效果。但是存在一個問題：原四沖擊砂型未配備自鎖裝置，在生產(chǎn)過程中，如果側(cè)油缸漏油或其他原因，四側(cè)模塊會完全被側(cè)缸堵塞。

如果灌裝壓力過高，導(dǎo)致模具橫向不適配，鋁泄漏到橫向模具旁路是非常危險(xiǎn)的。如果要增加灌裝壓力而不在橫向模塊產(chǎn)生鋁泄漏，可以在側(cè)模塊的外緣增加止口凸緣，以將外力施加到邊緣。其次，上、下模具采用水冷卻結(jié)構(gòu)，不僅提高了產(chǎn)品性能，而且提高了成型生產(chǎn)的效率。

檢查結(jié)果表明，改進(jìn)鑄造工藝可產(chǎn)生以下結(jié)果：①鑄造漏鋁及鑄件飛邊、錯模問題得到了很好的解決；②鑄造生產(chǎn)效率提升20%左右；③鑄造本站毛坯質(zhì)量提升，X 光檢測報(bào)廢率降低5%左右；④提升金屬材料利用率，數(shù)據(jù)見表1；⑤上下模配置水冷工藝后輪輻部位的金相組織明顯優(yōu)于風(fēng)冷工藝；⑥紅外線檢測顯示，在同一位置上激光束模具的溫度和普通低壓模具的溫度幾乎沒有差別，但激光束模具的開始位置在同一溫度下是相同的，偏心現(xiàn)象大大高于普通低壓模具。這是由于激光束模具之間的差別為39.2 ℃，光束發(fā)熱會引起所發(fā)出的激光的強(qiáng)度先增加、后降低，比普通低壓模具高21.4 ℃，并且鑄件成型后更容易脫模。

4 模具優(yōu)化方式

實(shí)現(xiàn)效率和效益的最關(guān)鍵的解決方式是合理的模具設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)低壓模具時，通過確定模具所需梯度類型的鑄造鋼厚度的方法及其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只有在適當(dāng)配置的情況下，才能取得更好的結(jié)果。

4.1 模具的梯度優(yōu)化

模具梯度指的是模具輪轂腔的內(nèi)部，在輪轂腔的某些部分中，可以觀察到一種與冷凝需求相匹配的由上到下、由外到內(nèi)的順序依次凝固。舍弗勒輪轂的冷凝從輪轂的周邊部分開始，在整個輪轂中逐漸冷凝。在半徑和中間輪轂連續(xù)冷凝可以減少收縮等缺陷，在保證連續(xù)冷凝的基礎(chǔ)上，應(yīng)將輪轂厚度減至最小，從而減少零件質(zhì)量問題，改善金屬的使用效率。減少原材料的使用和能源消耗，減少鑄造過程中產(chǎn)生的鋁屑，同時減少加工量，并提高鑄模的壽命。

4.2 優(yōu)化模具的厚度

模具的厚度是整個設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，因?yàn)殍T鋼吸收熱量降低了鋁的溫度，鑄鋼的厚度由于鋼的高導(dǎo)熱性，鋁液與模具之間的接觸面更快地硬化，結(jié)構(gòu)和性能得到改善。鑄鋼通過使用冷卻介質(zhì)的對流輻射參與散熱階段，鑄鋼越厚，散熱率越慢，散熱越慢。在這個階段，鋼模對產(chǎn)品是有利的。鋼的厚度在產(chǎn)品的擠壓和冷卻過程中，鋼水需要兩個不同的流動方向，以使鑄鋼的合理厚度能夠滿足產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)速度的要求。

4.3 優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)

空氣冷卻效率已不能滿足生產(chǎn)節(jié)奏，結(jié)晶器的冷卻系統(tǒng)正朝著水冷方向發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，模制件鋼材受到劇烈溫度變化的影響，很容易產(chǎn)生裂縫，成為阻礙水冷發(fā)展的主要障礙。由于模制件是環(huán)形結(jié)構(gòu)，而且左側(cè)和右側(cè)抽屜芯用于補(bǔ)充泵芯，因此溢出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求將鑄造件分成兩個密封平面，以便于過量排氣，并設(shè)置溢出槽。設(shè)計(jì)在環(huán)形裝置的零件槽上，如果排氣口的數(shù)量太少，可以使用一個橫截面將排氣口相互連接。

4.4 優(yōu)化控制模具溫度

模具的外部溫度應(yīng)控制在300～350 ℃，因?yàn)槟＞咧圃烨皯?yīng)被砂、清洗和涂漆，并加熱2～3 h 達(dá)到350 ℃，從干燥機(jī)中取出模具并將其安裝在低壓模具的輪轂上，所需時間不得超過0.5 h。通過控制模具的溫度，減少了固化時間并提高了生產(chǎn)率。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)鑄造數(shù)字模擬技術(shù)可預(yù)測鑄造件的質(zhì)量，確定缺陷的位置和范圍，以可視化反映缺陷的分布和嚴(yán)重性，有效幫助設(shè)計(jì)者改善設(shè)計(jì)，平衡溫度、壓力、系統(tǒng)剪切率和摩擦熱等參數(shù)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模制件技術(shù)可以減少模制件工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)開發(fā)周期的盲目性，引導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，優(yōu)化模制件平面，提高模制件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。