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(jìn)行鋁合金輪轂低壓鑄造工藝數(shù)值模擬仿真，對(duì)模擬中鋁合金低壓鑄造溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)和容易形成縮松、縮孔的缺陷分布進(jìn)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(hào)：TG27 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(yùn)用ProCAST軟件，對(duì)汽車鋁合金輪轂低壓鑄造充型凝固過(guò)程進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。本研究利用該數(shù)值模擬方法對(duì)鋁合金輪轂鑄件的原工藝參數(shù)方案進(jìn)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(duì)汽車鋁合金輪轂進(jìn)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(jì)算時(shí)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(shí)可以提高計(jì)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(jìn)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(gè)。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(dòng)性好、無(wú)熱裂傾向、線收縮小等良好的鑄造性能。同時(shí)，具有比重小、耐腐蝕、易氣焊，隨鑄件壁厚增加強(qiáng)度降低的程度小，可在鑄態(tài)下使用，變質(zhì)后有較好的機(jī)械性能等特點(diǎn)?；谝陨狭己玫蔫T造性能和機(jī)械性能，可以達(dá)到輪轂強(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)原有方案進(jìn)行模擬仿真，從模擬的結(jié)果來(lái)看，充型用的時(shí)間短、速度快。充型過(guò)程如圖4所示。

從充型開(kāi)始到結(jié)束經(jīng)歷6.372 3 s，在t=4.534 1 s時(shí)，金屬液順利從升液管流入內(nèi)澆口到達(dá)輪芯部位;在t=5.226 5 s時(shí)，金屬液到達(dá)輪輞和輪輻交界處;在t=5.722 6 s時(shí)，金屬液充滿整個(gè)輪輻輪芯;在t=6.372 3 s時(shí)金屬液充滿了整個(gè)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(shí)，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(chǎng)數(shù)值模擬

溫度梯度的定義是指溫度在一個(gè)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(guò)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(chǎng)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(jì)算公式為式（1）。

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

此方法說(shuō)明了凝固溫度梯度會(huì)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(diǎn)之間的溫度差越大，進(jìn)而導(dǎo)致凝固過(guò)程不順暢，比較容易產(chǎn)生鋁液流動(dòng)阻隔，以至于某些部位金屬液補(bǔ)充不及時(shí)，形成縮松縮孔。若溫度梯度小趨于均勻時(shí)，各節(jié)點(diǎn)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(chǎng)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(shí)，從溫度場(chǎng)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(shí)，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(shí)，輪轂澆鑄中心顯現(xiàn)黃色，可以看出澆鑄中心黃色區(qū)域?yàn)楣桃汗泊鏍顟B(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(cè)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(guò)程中，遠(yuǎn)離澆鑄中心的輪輞區(qū)域溫度首先下降，進(jìn)而凝固結(jié)晶，由于補(bǔ)縮不及時(shí)，導(dǎo)致輪輞上邊緣會(huì)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(guò)程固相率場(chǎng)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(kāi)始凝固。如圖6（b）所示，這一階段輪轂上輪緣已經(jīng)達(dá)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(bǔ)縮。在鋁合金輪轂?zāi)痰倪^(guò)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(jìn)行鑄造成型過(guò)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(bǔ)縮的壓力等。利用ProCAST軟件自帶的探傷功能及分析計(jì)算方法對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行縮孔、縮松預(yù)測(cè)，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(duì)鋁合金輪轂低壓鑄造數(shù)值模擬仿真過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)鑄造工藝方案進(jìn)行了提高澆注溫度、改進(jìn)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(guò)程、溫度場(chǎng)、凝固過(guò)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(huì)使鋁液的流動(dòng)性和補(bǔ)縮能力下降，特別是遠(yuǎn)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(dòng)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(jìn)冷卻系統(tǒng)

鋁合金輪輞中部結(jié)構(gòu)比較薄，短時(shí)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(dá)到臨界固相率所需時(shí)間和孤島熱節(jié)區(qū)域凝固時(shí)間相當(dāng)[4]。針對(duì)以上分析發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和成本因素考慮，采用在上模和側(cè)模對(duì)應(yīng)的輪輞中部位置處包棉保溫的方法來(lái)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(dòng)狀態(tài)、溫度階梯分布與充型速度有較大的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)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(huì)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(lái)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(guò)程

從模擬的結(jié)果來(lái)看，整個(gè)充型階段平緩順利，全程用時(shí)約為6 s鋁液即將整個(gè)型腔給充滿。充型過(guò)程如圖8所示。

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

5.2 工藝方案優(yōu)化后的溫度場(chǎng)

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(méi)有熱節(jié)產(chǎn)生，可以推測(cè)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(jī)械加工中被去除，因此不會(huì)影響輪轂的性能。

6 結(jié)語(yǔ)

在ProCAST軟件平臺(tái)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(duì)汽車鋁合金輪轂鑄造進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真。通過(guò)分析得知鑄件缺陷產(chǎn)生的原因，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(shí)際，優(yōu)化改良工藝方案。使用優(yōu)化后的方案進(jìn)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。

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