基于ProCAST的汽車輪轂綠色生產研究

鐘強強 王晶

摘 要：綠色發(fā)展在工業(yè)中的直觀體現是建設能源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展模式，而傳統的汽車輪轂企業(yè)輪轂更新周期長，試生產時廢品率高，極大地增加環(huán)境負擔，不符合綠色發(fā)展的理念。本文應用 CAE軟件（ProCAST）對汽車輪轂的鑄造凝固過程進行仿真，通過固液相分布情況、溫度場及Niyam判據等的分析，預測產品鑄造缺陷的產生及分布情況，并介紹如何依據此分析結果對輪轂的設計和生產過程進行優(yōu)化，以減少資源與人力的浪費，使輪轂的生產過程更加低碳、環(huán)保、可持續(xù)，讓企業(yè)更好地實現綠色發(fā)展。

關鍵詞：綠色發(fā)展;輪轂;ProCAST ;企業(yè)

引言

隨著經濟水平的不斷提高，人們對環(huán)境保護意識也不斷增強，為了更好地保護環(huán)境，十八屆五中全會著重強調了“綠色發(fā)展”的理念。綠色發(fā)展包括政治、經濟、文化、環(huán)境等多個方面的內容，綠色發(fā)展在工業(yè)中的直觀體現便是建設能源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展模^[1～2]。傳統工業(yè)模式高速發(fā)展之下，給環(huán)境與資源帶來了沉重壓力，發(fā)展模式與資源環(huán)境間的矛盾愈加突出，綠色發(fā)展是在傳統發(fā)展模式基礎上的一種創(chuàng)新，是一種以生態(tài)環(huán)境容量和資源承載力為基礎，以人的健康和可持續(xù)發(fā)展為目標，協調經濟系統與環(huán)境的平衡，并以此為核心內容的一種新型發(fā)展模式。

鋁合金汽車輪轂的制造需消耗大量的資源，且因輪轂形狀的多樣性，廢品率居高不下，不符合綠色發(fā)展的理念。如今汽車數量的快速增加，越來越多的人擁有自己的汽車，因此人們開始追求汽車輪轂的裝飾作用，強調個性及與眾不同。這表明傳統汽車輪轂批量生產的模式將因輪轂款式的日新月異而轉變成“靈活多變”小批量生產方式，這也意味著為適應市場變革企業(yè)需縮短汽車輪轂制造與研發(fā)周期，并且保證成品率。

為實現這個目標，在產品設計階段必須實現優(yōu)化，減少不必要的試生產環(huán)節(jié)，可運用CAE軟件ProCAST對汽車輪轂鑄造凝固過程進行仿真模擬，通過分析充型過程中鋁液溫度場變化、凝固云圖及Niyama云圖等，可預測鑄造過程的缺陷分布情況，避免因外觀設計人員不能全面地考慮鑄造工藝及材料性能而出現產品造型與鑄造工藝上的矛盾，導致廢品率的增加。因此新產品研發(fā)前進行CAE軟件進行預測分析，為實際生產提供理論支撐及改進建議， 可實現汽車輪轂生產企業(yè)的綠色發(fā)展，減少對環(huán)境和資源的負擔。

一、ProCAST于輪轂綠色生產中的應用模式

ProCAST屬于CAE軟件，自身CAD建模能力并不突出，因此一般情況下需事先創(chuàng)建CAD模型，并以此為基礎進行仿真分析。

（一）CAD模型的構建

本文應用UG NX10.0軟件創(chuàng)建汽車輪轂及其模具模型，如圖1、圖2所示。企業(yè)在進行新產品研發(fā)或加工第三方的產品時都會創(chuàng)建好CAD模具，同時也會創(chuàng)建好模具的CAD模型，因此實際生產中可對這些CAD模型進行簡單處理后直接導入ProCAST。

（二）鑄造CAE分析

ProCAST可依據實際的合金成分自定義材料數據庫，生成合金的相圖、凝固曲線及粘度曲線等，并依據此對鑄造凝固過程進行模擬，分析該過程中溫度場的變化、Fraction Solid、Niyam判據和Shrinkage porosity等。圖3是合金液鑄造過程的仿真模擬，應用ProCAST軟件能直觀地模擬合金液的充型過程，觀察該過程中是否發(fā)生湍流、紊流，初步預測縮松縮孔等缺陷的分布情況;圖4是充型完成后凝固過程中合金固液相分布情況，圖中紅色與黃色區(qū)域為液相，灰色區(qū)域為固相，從中可觀察到中心澆口處及輪輻處凝固速度較慢，液相比例高，基本實現順序凝固，避免因輪輻等狹窄區(qū)域提前凝固而造成澆不足或補縮不及時的情況;凝固過程中股液相分布情況結合該過程中溫度場的分布情況可更準確地判斷是否會出現因溫度分布不合理而出現的鑄造缺陷，此次凝固仿真過程合金液溫度分布情況如圖5所示，其中紅色域表示其溫度高于液相線，橘色區(qū)域溫度略低于液相線但高于固相線，意味著該區(qū)域內開始出現固相，屬于固液共存狀態(tài)，黃色區(qū)域溫度低于固相線，這表明該區(qū)域合金全部轉變?yōu)楣滔?圖6是凝固時的Niyam判據情況，Niyama判據是新山英輔等人以溫度梯度法為基礎提出的，認為其值越小出現縮松縮孔的傾向越大，因此從圖中可發(fā)現輪輞處及澆鑄中心的冒口處容易出現縮松縮孔。

二、ProCAST的應用意義

通過對新研發(fā)的產品或第三方設計的產品進行CAE分析，可推測鑄造凝固過程中各種缺陷的產生原因，有針對性地進行調整，避免盲目地通過試生產進行檢驗而導致人力及資源的大量浪費。例如：依據ProCAST對充型過程進行模擬的，可判斷外觀設計人員所設計的新產品是否適合生產，若模擬充型過程中發(fā)現大量的湍流、紊流情況，這表明設計時輪輻、輪輞等區(qū)域的形狀設計不合理，必須進行優(yōu)化，否則在實際鑄造生產中廢品率必定大幅度增加;依據凝固過程中合金固液相分布情況及溫度場分布情況，可預測實際澆鑄后凝固時是否會出現因溫度場分布不合理或輪轂形狀尺寸設計不合理而導致的部分區(qū)域提前凝固導致后續(xù)合金液充型不滿或補縮不及時;依據凝固時的Niyam判據的情況可預測輪轂實際澆鑄過程中各區(qū)域的縮松縮孔情況，通過優(yōu)化輪轂的結構、模具中水冷空冷的分布情況及澆鑄時的速度壓力等，減少鑄造凝固時的縮松縮孔傾向。

更合理的設計、更有效的工藝就意味著更少的浪費，也意味著更短的生產周期、更好的效益，同時還意味著企業(yè)的生產更加地環(huán)境友好，企業(yè)在綠色發(fā)展的道路上走地更遠。

三、總結

綠色發(fā)展是傳統工業(yè)前進的方向也是必然要求，尤其是汽車輪轂生產企業(yè)這類對環(huán)境影響較大的企業(yè)，有效地減少生產過程中對資源的浪費，能在提升企業(yè)效益的同時更好地實踐低碳、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展。

通過ProCAST軟件對新設計的輪轂產品進行鑄造仿真，分析鑄造與凝固過程中的各種現象與參數，可以為產品設計以及實際生產過程提供更具針對性的優(yōu)化建議，減少試生產的次數，提升成品率，同時縮短生產周期提升企業(yè)效益，增強企業(yè)的競爭力，并且為企業(yè)的綠色發(fā)展打下良好的基礎。

參考文獻

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