低壓鑄造大尺寸鋁合金輪轂的數(shù)值模擬及模具優(yōu)化

以實(shí)際生產(chǎn)中的鋁合金輪轂鑄件為例,采用商用軟件anycasting和自己開發(fā)的低壓鑄造過程數(shù)值模擬軟件對(duì)其充型過程進(jìn)行了模擬,并針對(duì)鋁合金輪轂件的氣孔缺陷分析提出了工藝改進(jìn)方案。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,有氣孔缺陷的產(chǎn)品明顯減少,表明數(shù)值模擬技術(shù)在低壓鑄造領(lǐng)域中對(duì)于改進(jìn)生產(chǎn)工藝、減少鑄件廢品等方面具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

鑄旋鋁合金輪轂以其高強(qiáng)度、輕量化的特點(diǎn)逐漸成為鋁合金輪轂的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過鑄造模擬軟件magmasoft對(duì)鑄旋的壓鑄過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，解決輪輻根部縮松問題，提高鑄造成品率，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)細(xì)輻條鋁合金汽車輪轂的低壓鑄造過程中,輻條根部容易產(chǎn)生的縮孔缺陷問題,設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)冷卻的溫度控制方法,并用試驗(yàn)證明了該方法的控制能力。通過輻條處的局部溫度有效監(jiān)測(cè)和控制,實(shí)現(xiàn)鋁合金液由輪轂邊緣到中心的順序凝固,消除了輻條根部縮松、縮孔,在生產(chǎn)中取得了良好的效果。

本文分析了低壓整體式鋁合金輪轂的低壓鑄造工藝性,并從鑄型分型面、鑄型型腔尺寸和鑄型壁厚的確定,鑄型排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾方面介紹了該產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

以某鎂合金汽車輪轂為研究對(duì)象,運(yùn)用專業(yè)鑄造模擬分析軟件,進(jìn)行低壓鑄造數(shù)值模擬,研究了填充和凝固過程中溫度場(chǎng)的分布,預(yù)測(cè)了在此過程可能出現(xiàn)的缺陷。模擬結(jié)果顯示,輪轂中心部位也可能產(chǎn)生縮松,并發(fā)現(xiàn)通過降低或者提高充型速度并不能有效解決問題,通過在模具上模增加局部冷卻水道,能夠較好地改善整體冷卻順序,有效減小輪轂中心的縮松現(xiàn)象。

利用procast軟件對(duì)某鋁合金輪轂新產(chǎn)品的多種工藝方案進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示,鋁合金,輪輞與輪輻的肋部交接位置易出現(xiàn)"孤立熔池"現(xiàn)象,為此提出降低邊模溫度,同時(shí)設(shè)計(jì)了輪輻與輪輞交接處的冷卻系統(tǒng)及相應(yīng)的工藝參數(shù)。通過對(duì)多種工藝方案模擬結(jié)果的對(duì)比分析,證明改進(jìn)后的工藝方案幾乎不出現(xiàn)"孤立熔池"現(xiàn)象,且實(shí)現(xiàn)了順序凝固的要求。將改進(jìn)后的工藝方案投入試生產(chǎn),產(chǎn)品抽檢結(jié)果與模擬結(jié)果基本符合。

為了預(yù)測(cè)鎂合金輪轂低壓鑄造過程中可能產(chǎn)生的缺陷,利用三維建模軟件對(duì)鎂合金輪轂進(jìn)行數(shù)值建模并通過procast模擬軟件對(duì)鎂合金輪轂的充型和凝固過程進(jìn)行模擬分析。由于加壓速度的快慢,對(duì)鑄件充型的平穩(wěn)性有很大影響,并且熱節(jié)及孤立熔池部位極易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷,因此對(duì)鎂合金輪轂鑄造過程的加壓速度及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,通過降低加壓速度能夠很大限度地減少在澆注過程中所產(chǎn)生的氣孔和縮孔縮松及氧化夾雜缺陷,對(duì)于輪輻處產(chǎn)生的熱節(jié),可以對(duì)該部位進(jìn)行激冷處理,使其優(yōu)先凝固,進(jìn)而改善了鑄件的質(zhì)量。

以鋁合金汽車輪轂為研究對(duì)象,運(yùn)用鑄造模擬軟件進(jìn)行了低壓鑄造數(shù)值模擬計(jì)算,獲得了充型和凝固的動(dòng)態(tài)過程,觀察到了低壓鑄造中金屬液流動(dòng)的狀態(tài),獲得了金屬液停止流動(dòng)和凝固的時(shí)間點(diǎn)以及預(yù)測(cè)了存在縮松縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)并重新進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,充型過程中金屬液流動(dòng)更加平穩(wěn),凝固過程中可能產(chǎn)生的縮孔、縮松等缺陷得到有效的消除。

本篇課題的研究目標(biāo)旨在通過進(jìn)行測(cè)試的方式對(duì)鋁合金輪轂的低壓鑄造過程進(jìn)行模擬,并且將其中溫度場(chǎng)變化的規(guī)律找到對(duì)相關(guān)結(jié)論給予佐證,與此同時(shí)也對(duì)由此測(cè)試產(chǎn)生的一系列結(jié)論進(jìn)行了對(duì)比與分析,為今后的汽車零件的配置技術(shù)創(chuàng)造更好的應(yīng)用環(huán)境與條件。

鋁合金輪轂是汽車工業(yè)中廣泛使用的一種輪轂。由于傳統(tǒng)的鑄造一機(jī)械加工存在諸多缺點(diǎn)，旋壓加工鋁合金輪轂越來越普遍。旋壓加工中，由上模和下模將坯料壓緊，當(dāng)旋壓輪施加的壓力大于壓緊油缸施加給坯料的壓緊的力時(shí)，坯料容易發(fā)生竄動(dòng)，影響了加工精度。本文提供了使得上模、坯料、下模中心位于同一軸線的固定和鎖緊方法，避免在毛坯在旋壓加工的過程中發(fā)生竄動(dòng)。

. '. 鋁合金輪轂基本尺寸 序 號(hào) 規(guī)格型 號(hào) 成品最 大外徑 成品最 大高度 鑄造毛 坯最大 外徑 鑄造毛 坯最大 高度 切冒口后鑄 造毛坯最大 高度 1.12x4.5341139351180145 2.13x4.5364.4139375180145 3.13x5364.4152375200158 4.14x6389.8178.4400225185 5.15x7415.2203.8426250210 6.16x7441203.8451250210 7.17x7471203.8481250210 8.17x7.5471218481265225 9.17x8471225481280232 10.18x8497.822550028

采用magma壓鑄模擬軟件模擬了a356鋁合金輪轂低壓鑄造中的缺陷分布及凝固場(chǎng),在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化;采用初始工藝和優(yōu)化工藝低壓鑄造了a356鋁合金輪轂,測(cè)試了其力學(xué)性能,觀察了其內(nèi)部缺陷并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明:模擬得到初始工藝(澆注溫度為730℃,各部位全部采用風(fēng)冷)壓鑄后輪轂內(nèi)輪緣、輪輻和輪輞交界處和輪輞處都產(chǎn)生了縮松,且凝固時(shí)間較長(zhǎng);將澆注溫度降至700℃,在邊模、頂模、輪輞及底模處提高保溫層熱交換系數(shù),邊模和輪心采用水冷等措施對(duì)初始工藝優(yōu)化后,輪轂中的縮松消除,輪轂各部位凝固完全;優(yōu)化工藝下鑄造的輪轂力學(xué)性能比未優(yōu)化的高,縮松及夾雜等缺陷減少,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模擬對(duì)低壓鑄造輪轂缺陷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

采用magma壓鑄模擬軟件模擬了a356鋁合金輪轂低壓鑄造中的缺陷分布及凝固場(chǎng),在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化;采用初始工藝和優(yōu)化工藝低壓鑄造了a356鋁合金輪轂,測(cè)試了其力學(xué)性能,觀察了其內(nèi)部缺陷并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：模擬得到初始工藝（澆注溫度為730℃,各部位全部采用風(fēng)冷）壓鑄后輪轂內(nèi)輪緣、輪輻和輪輞交界處和輪輞處都產(chǎn)生了縮松,且凝固時(shí)間較長(zhǎng);將澆注溫度降至700℃,在邊模、頂模、輪輞及底模處提高保溫層熱交換系數(shù),邊模和輪心采用水冷等措施對(duì)初始工藝優(yōu)化后,輪轂中的縮松消除,輪轂各部位凝固完全;優(yōu)化工藝下鑄造的輪轂力學(xué)性能比未優(yōu)化的高,縮松及夾雜等缺陷減少,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模擬對(duì)低壓鑄造輪轂缺陷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)擠壓鑄造a356鋁合金汽車輪轂進(jìn)行了模擬。根據(jù)輪轂不同位置的凝固時(shí)間,分析得出了輪轂不同位置的凝固方式,并試驗(yàn)研究了擠壓鑄造下輪轂不同位置的組織不均勻性。得出輪轂不同位置的組織與凝固方式的關(guān)系:急冷區(qū)的凝固方式為逐層凝固,晶粒尺寸與組織分布較為均勻;壓力結(jié)晶區(qū)的凝固方式為同時(shí)凝固,組織分布均勻,晶粒圓整;急冷區(qū)和壓力結(jié)晶區(qū)之間的區(qū)域的凝固方式屬于糊狀凝固,晶粒尺寸與組織分布不均勻,共晶si大量偏聚在晶界處。

應(yīng)用procast軟件對(duì)鋁合金輪轂低壓鑄造充型及凝固過程進(jìn)行模擬,分析其充型能力以及凝固過程的溫度場(chǎng),主要對(duì)其縮松縮孔進(jìn)行了研究,為鋁合金輪轂鑄造工藝的優(yōu)化,缺陷的消除提供依據(jù),具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

應(yīng)用procast軟件對(duì)鋁合金輪轂低壓鑄造充型及凝固過程進(jìn)行模擬,分析其充型能力以及凝固過程的溫度場(chǎng),主要對(duì)其縮松縮孔進(jìn)行了研究,為鋁合金輪轂鑄造工藝的優(yōu)化,缺陷的消除提供依據(jù),具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

以汽車輪轂為例,運(yùn)用anycasting鑄造模擬軟件開展低壓鑄造數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果顯示,鑄造模擬軟件能有效模擬鑄件充型和凝固產(chǎn)生的過程,并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋁合金低壓鑄造充型和凝固過程中汽車輪輻和輪轂產(chǎn)生缺陷的位置。針對(duì)凝固過程中縮松縮孔缺陷,設(shè)計(jì)了汽車輪轂風(fēng)冷系統(tǒng),消除了輪轂的縮松縮孔現(xiàn)象,提高了鑄造鋁合金輪轂的質(zhì)量。

我國的鋁合金輪轂行業(yè)起步較晚,20世紀(jì)80年代末,出現(xiàn)了第一個(gè)具有現(xiàn)代規(guī)模的輪轂制造企業(yè)——戴卡輪轂制造有限公司,90年代初,在廣東出現(xiàn)了南海中南鋁合金輪轂有限公司,隨后有不少具有相當(dāng)實(shí)力和規(guī)模的民營(yíng)資本進(jìn)入此行業(yè)。

在鋁合金輪轂的低壓鑄造充型過程中,壓力條件是影響壓鑄質(zhì)量的主要因素。提出了低壓鑄造充型非線性壓力條件的加載方法。結(jié)合線性與非線性壓力加載的數(shù)值模擬,分析與驗(yàn)證了非線性壓力條件的有效性,詳細(xì)說明了壓力條件對(duì)充型狀態(tài)的影響,以及缺陷的形成。對(duì)于復(fù)雜輪型,非線性壓力條件可以獲得穩(wěn)定充型狀態(tài);充型前流進(jìn)入型腔后,可適當(dāng)提高壓力加載速度;在輪輻與輪輞下緣充型時(shí),加載速度應(yīng)較平緩;在輪輞部分的上升充型中,壓力加載速度再次適當(dāng)提高。研究表明,非線性壓力條件可以有效地減少壓鑄充型缺陷,提高復(fù)雜輪轂的成品率;在保障前流穩(wěn)定的情況下,可以通過數(shù)值模擬與試壓鑄而獲得合理的非線性壓力條件。

采用低壓鑄造a356鋁合金輪轂進(jìn)行試驗(yàn),在固溶時(shí)間和時(shí)效時(shí)間不變的條件下,對(duì)同一批次的輪轂毛坯進(jìn)行不同固溶溫度和時(shí)效溫度的分析。結(jié)果表明,輪轂在555℃固溶溫度下進(jìn)行連續(xù)熱處理將產(chǎn)生過燒,在545℃固溶+150℃時(shí)效和550℃固溶+150℃時(shí)效下得到的鑄件性能較好。

1輪轂?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)輪轂?zāi)＞哂?個(gè)主要部件(頂模、底模、邊模),要求精度高,加工、裝配、調(diào)整的難度大。汽車輪轂類模具的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是把握工裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和如何將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于輪轂?zāi)＞吖ぱb設(shè)計(jì)中,以保證車間的加工進(jìn)度及保證模具制造的質(zhì)量。利用

鑄型數(shù)字化加工制造是一種全新的鑄件制造方法,具有精密化、快速化等特點(diǎn),可以提高鑄造精度、生產(chǎn)效率、鑄件質(zhì)量,降低鑄造過程中的資源消耗。