低壓鑄造鋁合金輪轂充型和凝固過程模擬及工藝優(yōu)化

以實際生產(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)值模擬軟件對其充型過程進行了模擬,并針對鋁合金輪轂件的氣孔缺陷分析提出了工藝改進方案。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證,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)域中對于改進生產(chǎn)工藝、減少鑄件廢品等方面具有實際指導(dǎo)意義。

為保證低壓鑄造鋁合金輪轂的品質(zhì),對產(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進行了研究,采用minitab軟件對過程能力指數(shù)進行了計算。針對凸峰直徑項目cpk達到2.27,充分發(fā)揮測量系統(tǒng)及其檢測頻次的作用,保證了產(chǎn)品的加工品質(zhì)要求。

針對細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)計了一種點冷卻的溫度控制方法,并用試驗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)測和控制,實現(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。

通過對低壓鑄造鋁合金輪轂進行固溶處理后分別進行人工時效、自然時效24h、自然時效48h后各部位進行力學(xué)性能檢測,再分別對經(jīng)過涂裝后的成品進行力學(xué)性能檢測和對比分析,探索低壓鑄造鋁合金輪轂的t4熱處理工藝。試驗表明,t4(自然時效48h)熱處理比t6熱處理的屈服強度降低了20%～30%、抗拉強度降低了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度、屈服強度、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(自然時效24h)熱處理后比t6熱處理更能滿足客戶的要求。

針對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＂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。

鑄旋鋁合金輪轂以其高強度、輕量化的特點逐漸成為鋁合金輪轂的一個重要發(fā)展方向。通過鑄造模擬軟件magmasoft對鑄旋的壓鑄過程進行模擬，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)濟效益。

本篇課題的研究目標旨在通過進行測試的方式對鋁合金輪轂的低壓鑄造過程進行模擬,并且將其中溫度場變化的規(guī)律找到對相關(guān)結(jié)論給予佐證,與此同時也對由此測試產(chǎn)生的一系列結(jié)論進行了對比與分析,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。

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,分析與驗證了非線性壓力條件的有效性,詳細說明了壓力條件對充型狀態(tài)的影響,以及缺陷的形成。對于復(fù)雜輪型,非線性壓力條件可以獲得穩(wěn)定充型狀態(tài);充型前流進入型腔后,可適當提高壓力加載速度;在輪輻與輪輞下緣充型時,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。

針對鋁合金的壓鑄工藝特點和充型凝固過程的不透明性,采用華鑄cae軟件對鑄件進行模流分析,預(yù)測鋁合金輪圈壓鑄缺陷位置,優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計.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),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬試驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。實驗結(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;當真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時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),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬實驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。實驗結(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;當真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時,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),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬試驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。試驗結(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;當真空度為-0.02mpa。加壓氣壓為0.02mpa時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象,運用專業(yè)鑄造模擬分析軟件,進行低壓鑄造數(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。

以鋁合金汽車輪轂為研究對象,運用鑄造模擬軟件進行了低壓鑄造數(shù)值模擬計算,獲得了充型和凝固的動態(tài)過程,觀察到了低壓鑄造中金屬液流動的狀態(tài),獲得了金屬液停止流動和凝固的時間點以及預(yù)測了存在縮松縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果進行改進并重新進行模擬,結(jié)果表明,充型過程中金屬液流動更加平穩(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。

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)上對工藝進行了優(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)果進行了對比驗證。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,試驗結(jié)果驗證了有限元模擬對低壓鑄造輪轂缺陷預(yù)測的準確性。

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)上對工藝進行了優(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)果進行了對比驗證。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,試驗結(jié)果驗證了有限元模擬對低壓鑄造輪轂缺陷預(yù)測的準確性。

為了預(yù)測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鎂合金輪轂進行數(shù)值建模并通過procast模擬軟件對鎂合金輪轂的充型和凝固過程進行模擬分析。由于加壓速度的快慢,對鑄件充型的平穩(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,因此對鎂合金輪轂鑄造過程的加壓速度及溫度場、流場進行研究。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,對于輪輻處產(chǎn)生的熱節(jié),可以對該部位進行激冷處理,使其優(yōu)先凝固,進而改善了鑄件的質(zhì)量。

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)計等幾方面介紹了該產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

以汽車輪轂為例,運用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,并準確預(yù)測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。針對凝固過程中縮松縮孔缺陷,設(shè)計了汽車輪轂風冷系統(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;具體分析了熔液進入澆口初時、進入芯部與輪輻部、進入輪輞部時,在壓力條件高低變化下,對流場狀態(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鋁合金輪轂進行試驗,在固溶時間和時效時間不變的條件下,對同一批次的輪轂毛坯進行不同固溶溫度和時效溫度的分析。結(jié)果表明,輪轂在555℃固溶溫度下進行連續(xù)熱處理將產(chǎn)生過燒,在545℃固溶+150℃時效和550℃固溶+150℃時效下得到的鑄件性能較好。

我國的鋁合金輪轂行業(yè)起步較晚,20世紀80年代末,出現(xiàn)了第一個具有現(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實力和規(guī)模的民營資本進入此行業(yè)。