基于ProCAST汽車鋁合金輪轂鑄造數(shù)值模擬及其優(yōu)化

莫文鋒

摘 要：使用UGNX軟件建立汽車鋁合金輪轂三維模型?；赑roCAST軟件進行鋁合金輪轂低壓鑄造工藝數(shù)值模擬仿真，對模擬中鋁合金低壓鑄造溫度場、凝固場和容易形成縮松、縮孔的缺陷分布進行研究。在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整了澆注溫度、冷卻系統(tǒng)、充型壓力。鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化后模擬分析顯示，鋁合金輪轂的縮孔、縮松等缺陷顯著減少，極大改善了鑄件的質(zhì)量，為汽車鋁合金輪轂生產(chǎn)制造提供了較為合理的工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;輪轂;低壓鑄造;數(shù)值模擬;工藝參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TG27 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0029-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.006

Numerical Simulation and Optimization of Aluminum Alloy Wheel

Casting Based on ProCAST

MO Wenfeng

（Liuzhou Vocational and Technical College， Liuzhou 545006，China）

Abstract：Using UGNX software to establish 3D model of automobile aluminum alloy wheel.Numerical simulation of low pressure casting process of aluminum alloy wheel hub based on ProCAST software，The temperature field， solidification field and defect distribution of easily forming shrinkage porosity in low-pressure casting of aluminum alloys are studied.On the basis of numerical simulation results，adjusting pouring temperature， cooling system， filling pressure.The simulation analysis after the optimization of the casting process parameters shows that the shrinkage holes， shrinkage porosity and other defects of the aluminum alloy wheel hub are significantly reduced，greatly improve the quality of castings，provides more reasonable process parameters for the production of automobile aluminum alloy wheels

Keywords：aluminum alloy;hub;low pressure casting;numerical simulation;process parameter optimization

0 引言

運用ProCAST軟件，對汽車鋁合金輪轂低壓鑄造充型凝固過程進行數(shù)值模擬仿真，優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，提高鑄件質(zhì)量，縮短研發(fā)制造周期，從而大大降低生產(chǎn)成本。現(xiàn)階段隨CAD/CAE軟件的快速發(fā)展，更多的企業(yè)將鑄造數(shù)值模擬方法應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，并取得良好的經(jīng)濟效益[1]。本研究利用該數(shù)值模擬方法對鋁合金輪轂鑄件的原工藝參數(shù)方案進行模擬仿真分析，提取存在缺陷信息，并優(yōu)化和確定新的工藝參數(shù)，提高鑄件質(zhì)量。

1 模型建立

1.1 鋁合金輪轂的三維建模

采用UGNX軟件對汽車鋁合金輪轂進行建模，直徑為633 mm、寬度為252 mm，輪轂三維模型如圖1所示。輪轂表面有大量的倒角和凹槽結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)薄厚不均勻，采用現(xiàn)有的工藝參數(shù)生產(chǎn)的輪轂輪輞部分分布大量的縮孔、縮松缺陷，鑄件的品質(zhì)不夠理想。

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格的質(zhì)量將影響后續(xù)的計算時間和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)鋁合金輪轂鑄件的結(jié)構(gòu)特征，可將輪轂鑄件網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置小些，將模具網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置大些，這樣可以有效反映輪轂鑄件的模擬情況，同時可以提高計算效率。將UGNX建立的鋁合金輪轂三維模型導(dǎo)入到ProCAST軟件的MeCAST模塊中，先進行2D網(wǎng)格劃分，再創(chuàng)建3D網(wǎng)格，最終完成劃分。將由輪轂、澆注系統(tǒng)和模具組成的模型共劃分出體網(wǎng)格688 809個。如圖2和圖3所示。

2 模擬前處理參數(shù)設(shè)定

2.1 輪轂和模具材料選擇

A356.2鋁合金具有流動性好、無熱裂傾向、線收縮小等良好的鑄造性能。同時，具有比重小、耐腐蝕、易氣焊，隨鑄件壁厚增加強度降低的程度小，可在鑄態(tài)下使用，變質(zhì)后有較好的機械性能等特點?；谝陨狭己玫蔫T造性能和機械性能，可以達到輪轂強度、外觀、精確度的要求，因此被廣泛用作汽車鋁合金輪轂鑄造材料，其化學(xué)成分如表1所示。模具材料采用H13模具鋼。

2.2 邊界條件設(shè)置

2.2.1 換熱系數(shù)確定。低壓鑄造鋁合金輪轂生產(chǎn)中鑄件是由液態(tài)逐漸變成固態(tài)的過程，換熱系數(shù)隨著溫度變化而發(fā)生改變。當(dāng)鋁合金從液態(tài)到固態(tài)直至到脫模過程中，鑄型和鑄件間產(chǎn)生了間隙，導(dǎo)致模具和鑄件之間的換熱系數(shù)因溫度降低而減小。在此次數(shù)值模擬中，鑄件和鑄型之間換熱系數(shù)設(shè)置為500 W/（m2·K）[2]，升液管與鑄件之間換熱系數(shù)設(shè)置為2 000 W/（m2·K）。

2.2.2 現(xiàn)有條件的確定。鑄件的澆注溫度設(shè)置為680 ℃，鑄型溫度為300 ℃，升液管溫度為600 ℃，充型壓力約為0.2 MPa。

3 鋁合金輪轂原有方案模擬結(jié)果與分析

3.1 原有方案的充型過程數(shù)值模擬

對原有方案進行模擬仿真，從模擬的結(jié)果來看，充型用的時間短、速度快。充型過程如圖4所示。

從充型開始到結(jié)束經(jīng)歷6.372 3 s，在t=4.534 1 s時，金屬液順利從升液管流入內(nèi)澆口到達輪芯部位;在t=5.226 5 s時，金屬液到達輪輞和輪輻交界處;在t=5.722 6 s時，金屬液充滿整個輪輻輪芯;在t=6.372 3 s時金屬液充滿了整個型腔。

從圖4（a）可以看到，澆口到輪輻這一階段，鋁合金熔液沿著澆道往上噴沖，流速比較快，激烈沖擊模具型腔內(nèi)壁，使得型腔內(nèi)的空氣被金屬熔液包裹著，很容易形成卷氣、氣孔和夾渣等缺陷。從圖4（c）可以看到，在金屬熔液充型輪輻時，鋁液流速趨于緩和，液面平緩穩(wěn)定上升，隨著液面不斷上升渣料和氣體可以最大程度排出，有效避免了夾渣、夾氣等缺陷的產(chǎn)生[3]。從圖4（d）可以看到，在輪輞充型階段，降低充型速度，液面平穩(wěn)上升，最后充滿型腔。

3.2 原有方案溫度場數(shù)值模擬

溫度梯度的定義是指溫度在一個特定的區(qū)域范圍內(nèi)朝著什么樣的方向和以何種速率變化最快的物理量，用Gradt表示。鋁合金輪轂鑄件的溫度梯度能顯示出鑄件的凝固順序，通過分析可以有效判定鑄造工藝的合理性。在鋁合金輪轂溫度場數(shù)值模擬中采用溫度梯度法分析鑄件形成缺陷的原因，是一種常用行之有效的方法。其計算公式為式（1）。

式中：T為某一單元節(jié)點某時刻的初始溫度，T為某一單元節(jié)點變化后的溫度，ΔL為某時刻與某一單元節(jié)點之間的距離。

此方法說明了凝固溫度梯度會影響鑄件軸心方向上縮松和縮孔的形成，溫度梯度越大，各節(jié)點之間的溫度差越大，進而導(dǎo)致凝固過程不順暢，比較容易產(chǎn)生鋁液流動阻隔，以至于某些部位金屬液補充不及時，形成縮松縮孔。若溫度梯度小趨于均勻時，各節(jié)點之間的溫度差較小，凝固順序合理，則產(chǎn)生縮松縮孔概率低。

鋁合金輪轂鑄件在沖型階段結(jié)束后不同固相分?jǐn)?shù)的溫度場云圖如圖5所示，其中圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）固相分?jǐn)?shù)分別是25.2%、49.7%、75.5%、100%。鑄件固相分?jǐn)?shù)為25.2%時，從溫度場云圖可以看出輪轂鑄件大部分區(qū)域溫度高于液相線613 ℃，該區(qū)域鑄件呈液體狀態(tài)，小部分區(qū)域處于鋁合金的液相線和固相線之間，輪輞上邊緣處部分區(qū)域溫度低于固相線548 ℃，該區(qū)域合金呈固相形式。鑄件固相分?jǐn)?shù)為75.5%時，輪轂上邊緣區(qū)域溫度為328～372 ℃，低于固相線548 ℃，基本完成凝固結(jié)晶，輪輞中部、下邊緣和中心處區(qū)域合金呈固液共存狀態(tài);鑄件固相分?jǐn)?shù)為100%時，輪轂澆鑄中心顯現(xiàn)黃色，可以看出澆鑄中心黃色區(qū)域為固液共存狀態(tài)，其余部位為固相。根據(jù)溫度梯度法的原理，以及從溫度云圖中觀測到的變化情況，可大致推斷輪轂合金凝固結(jié)晶狀況為：鋁合金輪轂冷卻的過程中，遠離澆鑄中心的輪輞區(qū)域溫度首先下降，進而凝固結(jié)晶，由于補縮不及時，導(dǎo)致輪輞上邊緣會產(chǎn)生孤立液相區(qū)的可能，因此縮松和縮孔的概率高。

3.3 原有方案凝固過程固相率場數(shù)值模擬

由圖6可知，鋁液遵循從上往下、由外到內(nèi)依次凝固的順序。如圖6（a）所示，鑄件的部分區(qū)域已經(jīng)開始凝固。如圖6（b）所示，這一階段輪轂上輪緣已經(jīng)達到了臨界固相率。如圖6（c）所示，因外輪緣比輪輞中部厚，冷卻速度慢，輪輞中部部分區(qū)域出現(xiàn)透明空隙，該區(qū)域不能得到有效補縮。在鋁合金輪轂?zāi)痰倪^程中，外輪緣出現(xiàn)熱節(jié)，因此該部位較大概率出現(xiàn)缺陷。

3.4 原有方案鑄件縮松、縮孔缺陷分布

由于鋁合金輪轂鑄件在進行鑄造成型過程中，產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷與諸多因素有關(guān)，如合金特有的性質(zhì)、鑄型的特性、澆注的條件、補縮的壓力等。利用ProCAST軟件自帶的探傷功能及分析計算方法對鋁合金輪轂進行縮孔、縮松預(yù)測，缺陷主要分布在外輪緣和輪芯部位，其結(jié)果如圖7所示。

4 鑄造工藝方案優(yōu)化

針對鋁合金輪轂低壓鑄造數(shù)值模擬仿真過程中所出現(xiàn)的問題，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，對鑄造工藝方案進行了提高澆注溫度、改進冷卻系統(tǒng)、增加充型壓力等方面的優(yōu)化。

4.1 提高澆注溫度

從充型過程、溫度場、凝固過程數(shù)值模擬分析，以及缺陷圖中看到的缺陷主要集中在輪輞處。澆注溫度低會使鋁液的流動性和補縮能力下降，特別是遠離澆注口的輪輞壁厚的部位容易形成缺陷。提高澆注溫度，可以有效減小鋁液黏度，改善鋁液流動性。因此，將澆注溫度設(shè)置為750 ℃，鑄型溫度300 ℃保持不變，升液管溫度為600 ℃。

4.2 改進冷卻系統(tǒng)

鋁合金輪輞中部結(jié)構(gòu)比較薄，短時間內(nèi)即到凝固狀態(tài)，導(dǎo)致外輪緣位置出現(xiàn)液相孤島的狀況，從數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，輪輞中部位置達到臨界固相率所需時間和孤島熱節(jié)區(qū)域凝固時間相當(dāng)[4]。針對以上分析發(fā)現(xiàn)的問題，從生產(chǎn)現(xiàn)場實際和成本因素考慮，采用在上模和側(cè)模對應(yīng)的輪輞中部位置處包棉保溫的方法來減慢該位置的鋁液凝固速度。

4.3 增加充型壓力

鋁液在型腔中的流動狀態(tài)、溫度階梯分布與充型速度有較大的關(guān)聯(lián)性，進而影響到鋁合金輪轂鑄件的品質(zhì)。沖型速度與充型壓力成比例關(guān)系，而充型速度會影響充型階段、凝固階段的結(jié)果，現(xiàn)有方案輪輞缺陷是由沖型速度慢所致，因此適當(dāng)增加充型的壓力來增大充型速度，充型壓力調(diào)整為0.25 MPa。

5 工藝方案優(yōu)化后數(shù)值模擬

5.1 工藝方案優(yōu)化后的充型過程

從模擬的結(jié)果來看，整個充型階段平緩順利，全程用時約為6 s鋁液即將整個型腔給充滿。充型過程如圖8所示。

在t=4.632 2 s時，金屬液順利從升液管流進內(nèi)澆口到達輪芯部位;在t=5.226 6 s時，金屬液到達輪輞和輪輻交界處;在t=5.824 9 s時，金屬液將整個輪輻輪芯填滿;在t=6.189 1 s時金屬液充滿了整個型腔。

5.2 工藝方案優(yōu)化后的溫度場

從圖9可以看到，優(yōu)化后的工藝方案各部位溫度分布基本一致，基本沒有熱節(jié)產(chǎn)生，可以推測出優(yōu)化后的工藝方案能夠消除輪輞部位存在的縮孔、縮松缺陷。

5.3 工藝方案優(yōu)化后的縮孔、縮松缺陷分布

從圖10可以看出，工藝方案優(yōu)化后，輪輞上的縮孔、縮松缺陷顯著減少，升液管和澆口之間的縮孔、縮松已消除。輪芯部位存在的缺陷比工藝方案優(yōu)化前體積大幅度縮小，該部位在后續(xù)的機械加工中被去除，因此不會影響輪轂的性能。

6 結(jié)語

在ProCAST軟件平臺上，根據(jù)輪轂鑄件材料和鑄型材料設(shè)定數(shù)值模擬仿真模型初始條件和邊界條件，對汽車鋁合金輪轂鑄造進行了數(shù)值模擬仿真。通過分析得知鑄件缺陷產(chǎn)生的原因，并準(zhǔn)確預(yù)測了鑄件缺陷的位置。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)實際，優(yōu)化改良工藝方案。使用優(yōu)化后的方案進行模擬仿真和試制，結(jié)果表明鑄造工藝參數(shù)合理、鑄件質(zhì)量符合要求。

參考文獻：

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