低壓鑄造鋁合金輪轂充型和凝固過程模擬分析

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。

為保證低壓鑄造鋁合金輪轂的品質(zhì),對(duì)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵特性、重要過程參數(shù)、產(chǎn)品特性值的監(jiān)控和過程能力指數(shù)cpk進(jìn)行了研究,采用minitab軟件對(duì)過程能力指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。針對(duì)凸峰直徑項(xiàng)目cpk達(dá)到2.27,充分發(fā)揮測(cè)量系統(tǒng)及其檢測(cè)頻次的作用,保證了產(chǎn)品的加工品質(zhì)要求。

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。

通過對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂進(jìn)行固溶處理后分別進(jìn)行人工時(shí)效、自然時(shí)效24h、自然時(shí)效48h后各部位進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),再分別對(duì)經(jīng)過涂裝后的成品進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和對(duì)比分析,探索低壓鑄造鋁合金輪轂的t4熱處理工藝。試驗(yàn)表明,t4(自然時(shí)效48h)熱處理比t6熱處理的屈服強(qiáng)度降低了20%～30%、抗拉強(qiáng)度降低了5%～10%、硬度降低了10%～20%,伸長率提高了70%～100%,但經(jīng)過涂裝烘箱烘烤后合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均有所提高,伸長率有所下降。就滿足客戶的力學(xué)要求而言,t4(自然時(shí)效24h)熱處理后比t6熱處理更能滿足客戶的要求。

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。

針對(duì)大型鋁合金輪轂低壓鑄造過程中在熱節(jié)處產(chǎn)生的縮松、縮孔問題,提出改變模具溫度和模具厚度的方法消除缺陷,但對(duì)＂孤立熔池＂現(xiàn)象影響較小。為此在以上兩種優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上,又在對(duì)應(yīng)產(chǎn)生缺陷部位的模具上加設(shè)水冷管。結(jié)果表明,該方法不僅使輪轂實(shí)現(xiàn)順序凝固,消除了輪轂厚大部位的缺陷,還提高了輪轂的冷卻速度,縮短了生產(chǎn)周期。

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。

針對(duì)鋁合金的壓鑄工藝特點(diǎn)和充型凝固過程的不透明性,采用華鑄cae軟件對(duì)鑄件進(jìn)行模流分析,預(yù)測(cè)鋁合金輪圈壓鑄缺陷位置,優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).模擬結(jié)果顯示,采用雙流道充型平穩(wěn),溫度場分布均勻,具有較少的氣體夾雜和冷隔等傾向,壓鑄件整體質(zhì)量較高.

以相似理論為理論基礎(chǔ),對(duì)鋁液的低壓充型過程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究,利用氣體向液面加壓的同時(shí)對(duì)模具型腔進(jìn)行抽真空。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進(jìn);當(dāng)真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時(shí)為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者具有良好的一致性。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對(duì)鋁液的低壓充型過程進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究,利用氣體向液面加壓的同時(shí)對(duì)模具型腔進(jìn)行抽真空。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進(jìn);當(dāng)真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時(shí),為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者具有良好的一致性。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對(duì)鋁液的低壓充型過程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究,利用氣體向液面加壓的同時(shí)對(duì)模具型腔進(jìn)行抽真空。試驗(yàn)結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進(jìn);當(dāng)真空度為-0.02mpa。加壓氣壓為0.02mpa時(shí)為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者具有良好的一致性。

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。

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、流場進(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。

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。

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。

在鋁合金輪轂的壓鑄充型過程中,壓力條件是影響壓鑄質(zhì)量的主要因素,可以通過數(shù)值模擬與試壓鑄來建立壓力條件。將有限元數(shù)值模擬手段與生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合,給出了壓力條件建立的非線性增加過程;具體分析了熔液進(jìn)入澆口初時(shí)、進(jìn)入芯部與輪輻部、進(jìn)入輪輞部時(shí),在壓力條件高低變化下,對(duì)流場狀態(tài)與缺陷形成的影響;指出了充型階段的一些現(xiàn)象與缺陷,如中心部氣隙的出現(xiàn)與前移,芯部產(chǎn)生飛濺而形成氣隙彌散,輪輞處產(chǎn)生縮松等。相應(yīng)的壓鑄缺陷得到了驗(yàn)證,從而獲得了輪轂型腔充型階段壓力條件的影響規(guī)律。

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。

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,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;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,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;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。

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)模的民營資本進(jìn)入此行業(yè)。