ProCAST在汽車輪轂制造中的應用

鐘強強，王 晶

（1. 寧德職業技術學院 機電工程系，福建 寧德 355000；2. 臺州科技職業學院 機電與模具工程學院，浙江 臺州 318020）

輪轂在汽車領域的應用越來越廣泛，并且越來越多的人開始追求汽車輪轂的裝飾作用。這意味傳統“制式”輪轂的大批量生產模式將受到款項“靈活多變”小批量生產方式的沖擊，輪轂制造企業為適應市場變革而縮短輪轂研發周期迫在眉睫。

傳統的輪轂研發周期包括：外觀設計、模具設計、試生產、修正以及正式生產。而設計人員在進行外觀設計時很少能全面地考慮材料性能和鑄造工藝，這使得試生產階段常出現較多的影響輪轂生產的因素，所以設計人員和技術人員不斷修正設計方案，最終使輪轂各方面性能達到要求后再投入生產[1-3]。為縮短研發周期，在設計之初便對鑄造結果進行預測將變得十分重要。CAE技術是一項涉及多學科、多工程的復雜技術，是利用軟件數據庫和科學的計算方法，對產品進行有效的過程分析[4-7]。因此汽車輪轂生產時可借助CAE軟件，進行動態仿真模擬，對產品的充型過程、流動過程及凝固過程等進行合理的比較和分析，從而找出設計中不合理的地方，并加以修正，使得后續生產更具有效性，縮短產品研發周期。

本文以實際生產中的輪轂模型為例，運用有限元分析軟件ProCAST，對汽車輪轂鑄造過程進行模擬，通過鋁液充型過程中的溫度場變化、凝固云圖以及Niyama云圖等分析凝固過程，并提出改進意見。

1 模型的建立

1.1 實體模型建立

許多研究都是以極度簡化后的輪轂模型進行仿真的，這樣的仿真結果對于實際生產過程的指導意義不大。為貼近實際生產，本文以生產中真實的輪轂尺寸應用UG建模，只簡化影響網格質量的微小特征，并創建長方體的模具模型，如圖1、圖2所示。

圖1 輪轂3D模型Fig.1 3D model of hub

圖2 輪轂與模具裝配模型Fig.2 Assembly model of wheel hub and mold

1.2 網格劃分

將裝配好的輪轂與模具的三維模型導入ProCAST，調用Applications選項中Mesh模塊，對存在問題的實體修復后進行2D網格的創建。本次導入的模型不存在影響網格劃分的實體問題，因此直接進行2D網格劃分。完成2D網格劃分后，ProCAST可以以此創建3D體網格，完成網格劃分后共創建體網格526 817個，實體2個 ，如圖3、圖4所示。

圖3 輪轂網格模型Fig.3 Grid model of hub

圖4 輪轂與模具裝配網格模型Fig.4 Grid assembly model of wheel hub and mold

對創建好的網格進行檢查，檢查結果如圖5所示。Failed elements共53 304個，只占總網格數量的10.12%，因此所生成體網格質量較好，可直接進行后續分析。

圖5 網格質量檢查結果Fig.5 Quality check results of grids

1.3 ProCAST前處理

ProCAST前處理常用于定義模型的材質、鑄造方式、初始溫度以及界面交換系數等。之前許多研究在進行模擬時都直接采用ProCAST自帶的材料數據，但鑄造不同性能要求的輪轂時需選擇不同型號的鋁合金用于生產，如果能更好地應用ProCAST前處理功能，將可以很好地適應各種材料的變換。

ProCAST中Cast模塊下的Material database窗口允許使用者自行創建新的合金數據，以汽車輪轂鑄造常用的A356.2鋁合金為例，結合該合金的各項性能，分析該功能的現實意義[8-10]。在Base項中選擇鋁作為基體，ProCAST將顯示出鋁合金的常見合金元素，根據A356.2鋁合金 ASTM標準(如表1所示)輸入各合金元素含量，再單擊Compute，ProCAST將自動生成相圖、凝固曲線、焓變以及粘度曲線等，如圖6～圖9所示。其中圖6詳細地展現了合金各組成相的固液相線和結晶時各組成相析出的先后順序。結合凝固曲線圖7將更好地理解汽車輪轂的微觀鑄造過程。同時以該數據庫中的數據作為后續有限元分析的基礎，可以讓模擬結果更貼近實際。

表1 A356.2鋁合金化學成分（質量分數，%）Tab.1 Compositions of A356.2 aluminum alloy（mass fraction, %）

圖6 A356.2鋁合金相圖Fig.6 Phase diagram of A356.2 aluminum alloy

圖7 A356.2鋁合金凝固曲線Fig.7 Solidification curve of A356.2 aluminum alloy

圖8 A356.2鋁合金焓變曲線Fig.8 Enthalpy change curve of A356.2 aluminum alloy

圖9 A356.2鋁合金粘度曲線Fig.9 Viscosity curve of A356.2 aluminum alloy

定義好材料數據后進入Generic窗口，分別對加工過程、模型各部分成分、澆口和網格一致性等進行定義。本次模擬的加工過程選擇低壓鑄造，模具成分選擇鑄鐵，鑄件成分選擇剛建立的A356.2鋁合金, 網格一致性選擇Coinc，其他參數按照常見鑄造工藝設定。所有參數定義完畢之后，點擊Data check進行檢查，若參數設定合理，將顯示“No Errors/Warnings found in this Model”, 再單擊 Run 進行整個鑄造過程的仿真計算。

2 仿真結果及分析

ProCAST后處理模塊將Cast模塊中的計算結果通過云圖形式直觀地表現出來，為后續研究提供方便。在本次鑄造仿真過程計算結束后選擇Viewer模塊，進入該模塊后彈出Contour panel窗口，該窗口下的Thermal類別中提供Temperature, Fraction solid和Niyama criterion等分析鑄造過程常用數據結果的云圖，可通過Animation toolbar下的Step工具條查看，如圖10所示。

圖10 輪轂鑄造仿真過程Fig.10 Simulation process of casting wheel hub

2.1 溫度場分析

溫度梯度法是分析鑄件缺陷產生原因的常用方法，可利用溫度場的模擬結果將其定義為：

該方法認為鑄件中心線上的縮孔與縮松受凝固時溫度梯度影響，溫度梯度越大則補縮通道的擴張角越大，冒口補縮作用就越好，鑄件內部產生縮松和縮孔的概率降低；反之溫度梯度較小時補縮通道會在凝固結束前的某個時刻被截斷，因而產生縮松和縮孔[11]。

圖11 不同固相體積分數時鑄件溫度場分布Fig. 11 Temperature distributions of the castings with different solid fractions

圖11 是鑄件充型完成后不同固相體積分數的溫度場，其中圖 11（a）～圖 11（c）固相體積分數分別為 17.5%，66.9%，96.1%。鑄件固相體積分數為17.5%時填充比例剛好達100%，即剛好完成充型，對比色標可看出此刻輪轂大部分區域溫度高于液相線616 ℃，合金以液態形式存在鑄件中，部分區域處于A356.2鋁合金的液固相線之間，輪輞下邊緣處部分區域呈現黃色，即溫度低于固相線556 ℃，合金以固相形式存在于該區域；固相體積分數達66.9%時，輪轂上半部分呈綠色，溫度在330～380 ℃，遠低于固相線，基本完成結晶，同時輪輞中心處以及下邊緣處部分區域呈現黃色，處于A356.2鋁合金的液固相線之間，合金以固液共存形式存在于該區域；固相體積分數達96.1%時，輪轂澆鑄中心處呈黃色，其余部位為藍色，即澆鑄中心黃色區域固液共存，其余部位為液相。通過觀察冷卻過程中溫度云圖的變化情況，結合溫度梯度法的原理，可初步判斷出合金的結晶情況：充型完成至固相體積分數達96.1%的過程中，輪輞區域的溫度基本隨著離開澆鑄中心距離的增加而降低，但輪輞中心處先于輪輞上邊緣結晶，表明輪輞上邊緣可能會產生孤立液相區，將增大縮松和縮孔的傾向性。

2.2 Fraction solid分析

溫度梯度法具有簡便、計算量較小的特點，能對不穩定熱傳導問題進行凝固數值模擬，并且具有良好的預測可靠性。但是溫度梯度法的判斷依據——臨界溫度梯度卻受鑄件的合金成分、形狀以及尺寸等因素的影響，因此通常臨界溫度梯度只能靠試驗來確定，這意味著在“靈活多變”的生產中直接應用溫度梯度法去判斷縮松與縮孔并不適用。

不同于溫度梯度法，Fraction solid分析提供了另一種更直觀的方式去判斷鑄造過程中的縮松與縮孔傾向。鑄造過程中縮松和縮孔的出現主要是由于補縮通道的過早閉合，導致液態合金被金屬硬殼封閉，外部液態合金無法對其補縮，該現象即到Fraction solid中孤立液相區的出現。圖12是鑄件充型完成后不同固相體積分數時的固相分布情況，采用“Cutoff”方式觀察，Cutoff values設定為 0.9，即不顯示固相分數在90%以下的區域。其中圖12（a）～圖 12（c）分別為固相體積分數是 17.5%，66.9%，96.1%時的固相分布情況。從圖12（a）中可觀察到輪輞上邊緣以及澆鑄中輪輞下邊緣部分區域出現灰色區域，對比色標可得出這些區域固相體積分數達90%以上，合金基本以固相形式存在；從圖12（b）中可看出，輪輞與輪輻交接處固相體積分數在90%以下，輪輻兩側合金基本結晶完成，而中心處固相體積分數同樣在90%以下，這表明金屬液能從該未凝固的通道通過，未出現完全孤立的液相區，但輪輻中心的液相通道較窄，后續凝固過程中會阻礙液相及時補縮，仍有很大可能出現縮松和縮孔，與溫度場判斷結果一致；圖12（c）中，固相體積分數已達96.1%，鑄件基本完全凝固，只有冒口小部分區域存在固相體積分數低于90%的合金液，該區域的存在正是冒口存在的作用，即將補縮后產生的縮松和縮孔等鑄造缺陷留在冒口中，以保證產品質量。

2.3 Niyama criterion及Shrinkage porosity分析

Niyama判據是新山英輔等以溫度梯度法為基礎提出的，對于鑄鋼認為＜1時該區域內就會產生縮松和縮孔，并且越小，該區域內產生縮松和縮孔的傾向越大，同時該方法不受鑄件成分以及形狀尺寸的影響，是目前最常見的鑄件縮松和縮孔的判定法。但該判據提出之初是通過試驗獲得的經驗公式，沒有適合的量綱，缺乏明確的物理意義，因此賈寶仟和柳百成應用達西定律和枝晶間的滲流補縮理論推導出Niyama判據公式：

圖12 不同固相體積分數時鑄件固相分布Fig.12 Solid distributions of the castings with different solid fractions

式中：η為液相粘度系數；fL為液相體積分數；β為凝固收縮率；ΔT為結晶溫度區間大小；ΔP為壓力降。

式(2)表明判據所判斷的縮松和縮孔形成原理是合金凝固過程前沿糊狀區枝晶骨架間枝晶臂閉合生長后枝晶間形成的微小空洞，即判斷枝晶間的顯微縮松和縮孔傾向[12-15]。

Shrinkage porosity是ProCAST中的縮松量，單位是體積分數，通常低于1%時為微觀縮孔，高于1%時是宏觀縮孔。其縮松和縮孔的判定模型為：當鑄件凝固過程中出現孤立液相區域時，該區域先被糊狀區域包圍，在糊狀區域外則是一個固體外殼，隨著時間延長，孤立液相區會分裂成幾個區域，這些區域冷卻下來時密度會隨著溫度的降低而增大，即體積收縮，因此會產生縮松。若孤立液相周圍區域固相體積分數低于Macrofs卻不呈現糊狀區域時，固相體積分數在Macrofs和1之間的區域因只有局部剩余液體補縮，從而導致局部出現微觀縮孔。

圖13～圖16分別是鑄件凝固時的溫度場、Niyama criterion、Shrinkage porosity以及宏觀縮孔分布情況。觀察圖13所示的溫度場，輪輞上邊緣處溫度最低約60 ℃，隨著到澆鑄中心處距離的縮小，溫度逐漸升高，直至中心處達到約600 ℃，符合順序凝固的溫度場要求。圖14為Niyama criterion，其中Niyama判據越小，縮松和縮孔傾向越大，如圖14中所示輪輞上下邊緣、輪輞中心處以及澆鑄中心處，Niyama判據小，即這些區域產生縮松和縮孔的可能性大。如圖15所示，凝固時Shrinkage porosity最大值出現在澆鑄中心處，且該區域位于冒口中。圖16是凝固時宏觀縮孔分布情況，宏觀縮孔主要分布在輪輞上下邊緣以及澆鑄中心處。綜合分析圖13～圖16，并結合凝固過程的溫度場變化以及Fraction solid，鑄件在澆鑄中心冒口處會出現較大體積的縮孔，這是由于該區域存在孤立的熱節，合金液在此處過冷度低，形核最晚，凝固過程中體積收縮且沒有液相予以補充 ；輪輞上邊緣處出現的縮孔是由于凝固過程中輪輞中心處過冷度大，液相較早凝固，阻斷了液相對輪輞邊緣處的補充，而下邊緣處的縮孔則是因為輪輻處合金液過冷度大，早于輪輞下邊緣的合金液凝固。

圖13 凝固時溫度場Fig.13 Temperature distribution during solidification

圖14 凝固時Niyama判據Fig.14 Niyama criterion during solidification

2.4 改進建議

本文應用ProCAST對汽車輪轂鑄造過程進行模擬分析，其目的是以理論為基礎在企業實際生產中建立一套比較全面的分析方法，給與后續生產提供技術指導。綜合上述分析結果，在不改變澆鑄中心位置及輪轂形狀的情況下，為有效減小鑄件缺陷出現的傾向，建立合適的溫度場十分必要，即在與輪輞中心接觸的模具區域增加模具的保溫效果，減小凝固時該區域的溫度梯度，實現順序凝固；輪輻與輪輞接觸處也應增加保溫效果，使得輪輻處液相后于輪輞處凝固；澆鑄中心縮孔密集處可適當增加冷卻強度，讓該區域液相先于冒口頂端處凝固。

圖15 凝固時的縮松和縮孔Fig.15 Shrinkage porosity during solidification

圖16 凝固時宏觀縮孔分布情況Fig.16 Distribution of macro-porosity during solidification

3 結 論

（1）ProCAST材料數據庫可自定義材料成分，并計算出相圖、凝固曲線、焓變以及粘度曲線等，為后續有限元分析提供數據基礎，可以讓模擬結果更貼近實際。

（2）觀察ProCAST仿真過程中的溫度場變化，并結合溫度梯度法原理，可初步判斷鑄件出現鑄造缺陷的情況。建立合適的溫度場，實現合金液順序凝固是鑄件獲得良好鑄態組織的必要條件。

（3）Fraction solid可以直觀地表現鑄件凝固過程中固相和液相的分布情況。通過Fraction solid分析，若發現凝固過程中出現孤立的液相，即表明該區域有較大可能出現縮孔。

（4）Niyama criterion可以將鑄件中出現微觀縮松和縮孔的傾向以云圖的形式表現出來，Niyama判據越小，出現微觀縮松和縮孔的傾向越大；Shrinkage porosity分析結果將縮松和縮孔的分布情況展示出來的同時，還可以分別直觀地顯示這些缺陷在鑄件中的分布情況。

（5）綜合上述各項的分析結果，實際生產時在模具與輪輞中心處及輪輞與輪輻交接處接觸區域做好保溫，減小凝固過程中這些區域的溫度梯度，在與澆鑄中心縮孔密集處接觸區域可適當增加冷卻強度，以實現鑄造過程的順序凝固。