鋁合金輪轂低壓鑄造仿真成型及質量預測

朱建勝，李凝，李月樵，胡成群，蔡勇，盛婷，伍海龍

（1.金華市計量質量科學研究院，浙江 金華321000；2.浙江師范大學 行知學院，浙江 金華321000；3.浙江保康輪轂制造有限公司，浙江 武義321000）

0 引言

輪轂作為汽車的一個零部件，承受車體的整體重力并保持運動精度，是關系到汽車安全的關鍵零件。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行凝固結晶的工藝。同樣的情況下，與重力鑄造相比，低壓鑄造輪轂內部組織更為密實，強度更高。此外，低壓鑄造利用壓力充型和補充，極大簡化了澆冒口系統結構，使金屬液利用率達90%。目前低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產的首選工藝[4-6]。汽車輪轂對汽車輪轂用材的力學性能有很苛刻的要求，不僅要有足夠的強度，還要有很好的塑性和沖擊韌性。與此同時，對鋁輪轂鑄件的內部冶金質量也有很高的要求[5-10]。由于對鋁輪轂鑄件在凝固過程中的不可視性，為了了解高溫液態金屬的冷卻過程，采用有限元仿真軟件對輪轂的冷卻進行可視化表征，以了解輪轂冷卻時的氧化夾雜、縮松、裂紋等任何缺陷存在的位置，以合理地改進模具結構及成型工藝參數的選擇，提高輪轂的綜合力學性能。

1 工藝方案及分析

1.1 鑄件工藝性分析

輪轂鑄件尺寸及結構如圖1所示，輪轂結構尺寸形狀極不規則，相對復雜，整體來看，輪轂壁厚相對均勻，筋板及轉接處呈對稱分布，形狀為不規則結構，但整體為一具有錐度的圓形件，輪轂中間具有隔板效應，利于分模；內腔和外接部分易于成芯，同時兩面本身帶有一定的斜度，易于脫模。

圖1 鑄件結構形狀示意圖

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雜的產品，成型及切削加工性能良好，同時具有比重小、耐蝕性良好、隨鑄件壁厚增加而強度降低的程度小、鑄錠斷口致密、無熔渣和非金屬夾雜物等特點[1-7]。

表1 A356.2鋁合金材料成分質量分數 %

1.3 其他成型工藝參數

依照生產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進行仿真成型生產，獲取鑄件成型時的溫度場分布、充填時間、缺陷預測等結果。

表2 主要成型工藝參數

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

1.4 模擬前期準備

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

在鑄造數值模擬過程中，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規律，合金液和鑄型之間的熱交換遵循能量平衡、質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，充填力場主要有2個分量: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力場是相互影響、相互作用的，由于合金的液態收縮和凝固收縮，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[11-15]：1）液態金屬在澆注系統均勻分布，以模擬整個平穩充填過程；2）液態金屬是不可壓縮的；3）液態金屬為均質流體材料。以此預測鑄件凝固過程中縮松、縮孔的形成，從而實現對鑄件內部質量的控制。

圖2 鑄件網格劃分

1.5 澆注系統及冷卻回路

依鑄件尺寸設計對應的澆注系統，其計算相關參數如表3所示，以此為基礎創建澆注系統如圖3（a）所示，澆注系統連通性診斷結果如圖3（b）所示。從診斷結果來看，澆注系統完全貫通。根據鑄件的形狀結構，利用Moldflow自帶的冷卻回路設置相關參數，創建完成之后的冷卻回路如圖3（c）所示。

表3 澆注系統相關參數

圖3 鑄件的澆注系統及冷卻回路

2 結果及分析

2.1 充填過程相關參數

本次設計的輪轂的充型時間大約在4.6 s，充填結果如圖4（a）所示，4個澆口的位置充型液態金屬同時到達（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）。兩側面的充型時間的偏差可能是由于造型過程中單邊澆道沒有倒角所導致。但鑄件的整個填充過程相對平穩。根據輪轂的實際尺寸推算，在實際充填的時間大約在20 s左右，可見鑄件的充型過程在很短時間內結束。結合鑄型的充填程度可以看出，短時間內的充型是比較飽滿的（如圖4（b）），滿足充型的各種參數。從需求的材料量來看，約需3962.4 cm3（如圖4（c）），為熱態下材料的體積量，計算料流量為鑄件室溫下的材料體積3452.03 cm3，基本吻合，所計算偏差未考慮材料的線收縮系數，因此存在微小偏差值，考慮鋁合金材料的線收縮系數后，其值基本一致。充填結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的缺陷產生。充型結束后鑄件內的材料取向和表層取向基本均勻（如圖4（e）、（f）），減弱了材料的內應力傾向。

圖4 充填過程相關參數

2.2 壓鑄件的缺陷預測及分析

縮孔、縮陷和疏松是鑄造生產中常見的鑄件缺陷，其成因主要是因為高溫液體在冷卻時收縮無法得到足夠的液體補充，或是型腔內的氣體無法及時排出。其存在破壞了金屬材料的連續性，降低了鑄件性能。因此在鑄造生產時應能夠給予克服或避免其發生。圖5為研究鑄件冷卻時的缺陷位置預測，表征了輪轂冷卻過程中氣體沒有及時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 鑄件缺陷位置預測

從圖5中可以看出，鑄件產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，其補縮效果減弱，增大了交匯處產生縮松的可能性。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金屬的流動前沿接觸鑄型壁面，易于沖刷壁面的雜質或灰塵，同時前沿易于被氧化，當兩相向的液態金屬接觸后，易于將夾雜的物質包裹其中，形成鑄件夾雜。這與實際生產時鑄件內應力開裂及鑄件缺陷存在的位置一致性相吻合。

2.3 充型結束后的力場分布

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，液體充填結束后整體壓力分布相對均衡，結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，因此在整個充型過程中，壓力差主要分布在充填的最后凝固區域與澆注口之間，但相對較小。因此整個充型相對平穩，產生內應力的可能性較小。

圖6 充填結束時的壓力分布

3 結論

結合理論計算與模擬軟件，對輪轂的熱態成型過程進行了模擬分析，預測了鑄件易于產生的鑄造缺陷，同時就模擬過程的相關參數進行獲取，表明模擬計算結果與理論計算值基本一致，驗證了采用軟件的可信性。

1）鑄件溫度在充型結束時很快冷卻至650 ℃，易于材料的快速冷卻成型。

2）輪轂鑄造缺陷易于出現在熱節處，為模具排氣位置的選擇設計指明了方向。

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