ProCAST在汽車輪轂制造中的應(yīng)用

鐘強(qiáng)強(qiáng)，王 晶

（1. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 寧德 355000；2. 臺州科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電與模具工程學(xué)院，浙江 臺州 318020）

輪轂在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，并且越來越多的人開始追求汽車輪轂的裝飾作用。這意味傳統(tǒng)“制式”輪轂的大批量生產(chǎn)模式將受到款項(xiàng)“靈活多變”小批量生產(chǎn)方式的沖擊，輪轂制造企業(yè)為適應(yīng)市場變革而縮短輪轂研發(fā)周期迫在眉睫。

傳統(tǒng)的輪轂研發(fā)周期包括：外觀設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、試生產(chǎn)、修正以及正式生產(chǎn)。而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)時(shí)很少能全面地考慮材料性能和鑄造工藝，這使得試生產(chǎn)階段常出現(xiàn)較多的影響輪轂生產(chǎn)的因素，所以設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員不斷修正設(shè)計(jì)方案，最終使輪轂各方面性能達(dá)到要求后再投入生產(chǎn)[1-3]。為縮短研發(fā)周期，在設(shè)計(jì)之初便對鑄造結(jié)果進(jìn)行預(yù)測將變得十分重要。CAE技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多工程的復(fù)雜技術(shù)，是利用軟件數(shù)據(jù)庫和科學(xué)的計(jì)算方法，對產(chǎn)品進(jìn)行有效的過程分析[4-7]。因此汽車輪轂生產(chǎn)時(shí)可借助CAE軟件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，對產(chǎn)品的充型過程、流動(dòng)過程及凝固過程等進(jìn)行合理的比較和分析，從而找出設(shè)計(jì)中不合理的地方，并加以修正，使得后續(xù)生產(chǎn)更具有效性，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

本文以實(shí)際生產(chǎn)中的輪轂?zāi)Ｐ蜑槔?，運(yùn)用有限元分析軟件ProCAST，對汽車輪轂鑄造過程進(jìn)行模擬，通過鋁液充型過程中的溫度場變化、凝固云圖以及Niyama云圖等分析凝固過程，并提出改進(jìn)意見。

1 模型的建立

1.1 實(shí)體模型建立

許多研究都是以極度簡化后的輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真的，這樣的仿真結(jié)果對于實(shí)際生產(chǎn)過程的指導(dǎo)意義不大。為貼近實(shí)際生產(chǎn)，本文以生產(chǎn)中真實(shí)的輪轂尺寸應(yīng)用UG建模，只簡化影響網(wǎng)格質(zhì)量的微小特征，并創(chuàng)建長方體的模具模型，如圖1、圖2所示。

圖1 輪轂3D模型Fig.1 3D model of hub

圖2 輪轂與模具裝配模型Fig.2 Assembly model of wheel hub and mold

1.2 網(wǎng)格劃分

將裝配好的輪轂與模具的三維模型導(dǎo)入ProCAST，調(diào)用Applications選項(xiàng)中Mesh模塊，對存在問題的實(shí)體修復(fù)后進(jìn)行2D網(wǎng)格的創(chuàng)建。本次導(dǎo)入的模型不存在影響網(wǎng)格劃分的實(shí)體問題，因此直接進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分。完成2D網(wǎng)格劃分后，ProCAST可以以此創(chuàng)建3D體網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分后共創(chuàng)建體網(wǎng)格526 817個(gè)，實(shí)體2個(gè) ，如圖3、圖4所示。

圖3 輪轂網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of hub

圖4 輪轂與模具裝配網(wǎng)格模型Fig.4 Grid assembly model of wheel hub and mold

對創(chuàng)建好的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如圖5所示。Failed elements共53 304個(gè)，只占總網(wǎng)格數(shù)量的10.12%，因此所生成體網(wǎng)格質(zhì)量較好，可直接進(jìn)行后續(xù)分析。

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果Fig.5 Quality check results of grids

1.3 ProCAST前處理

ProCAST前處理常用于定義模型的材質(zhì)、鑄造方式、初始溫度以及界面交換系數(shù)等。之前許多研究在進(jìn)行模擬時(shí)都直接采用ProCAST自帶的材料數(shù)據(jù)，但鑄造不同性能要求的輪轂時(shí)需選擇不同型號的鋁合金用于生產(chǎn)，如果能更好地應(yīng)用ProCAST前處理功能，將可以很好地適應(yīng)各種材料的變換。

ProCAST中Cast模塊下的Material database窗口允許使用者自行創(chuàng)建新的合金數(shù)據(jù)，以汽車輪轂鑄造常用的A356.2鋁合金為例，結(jié)合該合金的各項(xiàng)性能，分析該功能的現(xiàn)實(shí)意義[8-10]。在Base項(xiàng)中選擇鋁作為基體，ProCAST將顯示出鋁合金的常見合金元素，根據(jù)A356.2鋁合金 ASTM標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)輸入各合金元素含量，再單擊Compute，ProCAST將自動(dòng)生成相圖、凝固曲線、焓變以及粘度曲線等，如圖6～圖9所示。其中圖6詳細(xì)地展現(xiàn)了合金各組成相的固液相線和結(jié)晶時(shí)各組成相析出的先后順序。結(jié)合凝固曲線圖7將更好地理解汽車輪轂的微觀鑄造過程。同時(shí)以該數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為后續(xù)有限元分析的基礎(chǔ)，可以讓模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。

表1 A356.2鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Tab.1 Compositions of A356.2 aluminum alloy（mass fraction, %）

圖6 A356.2鋁合金相圖Fig.6 Phase diagram of A356.2 aluminum alloy

圖7 A356.2鋁合金凝固曲線Fig.7 Solidification curve of A356.2 aluminum alloy

圖8 A356.2鋁合金焓變曲線Fig.8 Enthalpy change curve of A356.2 aluminum alloy

圖9 A356.2鋁合金粘度曲線Fig.9 Viscosity curve of A356.2 aluminum alloy

定義好材料數(shù)據(jù)后進(jìn)入Generic窗口，分別對加工過程、模型各部分成分、澆口和網(wǎng)格一致性等進(jìn)行定義。本次模擬的加工過程選擇低壓鑄造，模具成分選擇鑄鐵，鑄件成分選擇剛建立的A356.2鋁合金, 網(wǎng)格一致性選擇Coinc，其他參數(shù)按照常見鑄造工藝設(shè)定。所有參數(shù)定義完畢之后，點(diǎn)擊Data check進(jìn)行檢查，若參數(shù)設(shè)定合理，將顯示“No Errors/Warnings found in this Model”, 再單擊 Run 進(jìn)行整個(gè)鑄造過程的仿真計(jì)算。

2 仿真結(jié)果及分析

ProCAST后處理模塊將Cast模塊中的計(jì)算結(jié)果通過云圖形式直觀地表現(xiàn)出來，為后續(xù)研究提供方便。在本次鑄造仿真過程計(jì)算結(jié)束后選擇Viewer模塊，進(jìn)入該模塊后彈出Contour panel窗口，該窗口下的Thermal類別中提供Temperature, Fraction solid和Niyama criterion等分析鑄造過程常用數(shù)據(jù)結(jié)果的云圖，可通過Animation toolbar下的Step工具條查看，如圖10所示。

圖10 輪轂鑄造仿真過程Fig.10 Simulation process of casting wheel hub

2.1 溫度場分析

溫度梯度法是分析鑄件缺陷產(chǎn)生原因的常用方法，可利用溫度場的模擬結(jié)果將其定義為：

該方法認(rèn)為鑄件中心線上的縮孔與縮松受凝固時(shí)溫度梯度影響，溫度梯度越大則補(bǔ)縮通道的擴(kuò)張角越大，冒口補(bǔ)縮作用就越好，鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮松和縮孔的概率降低；反之溫度梯度較小時(shí)補(bǔ)縮通道會在凝固結(jié)束前的某個(gè)時(shí)刻被截?cái)啵蚨a(chǎn)生縮松和縮孔[11]。

圖11 不同固相體積分?jǐn)?shù)時(shí)鑄件溫度場分布Fig. 11 Temperature distributions of the castings with different solid fractions

圖11 是鑄件充型完成后不同固相體積分?jǐn)?shù)的溫度場，其中圖 11（a）～圖 11（c）固相體積分?jǐn)?shù)分別為 17.5%，66.9%，96.1%。鑄件固相體積分?jǐn)?shù)為17.5%時(shí)填充比例剛好達(dá)100%，即剛好完成充型，對比色標(biāo)可看出此刻輪轂大部分區(qū)域溫度高于液相線616 ℃，合金以液態(tài)形式存在鑄件中，部分區(qū)域處于A356.2鋁合金的液固相線之間，輪輞下邊緣處部分區(qū)域呈現(xiàn)黃色，即溫度低于固相線556 ℃，合金以固相形式存在于該區(qū)域；固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)66.9%時(shí)，輪轂上半部分呈綠色，溫度在330～380 ℃，遠(yuǎn)低于固相線，基本完成結(jié)晶，同時(shí)輪輞中心處以及下邊緣處部分區(qū)域呈現(xiàn)黃色，處于A356.2鋁合金的液固相線之間，合金以固液共存形式存在于該區(qū)域；固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)96.1%時(shí)，輪轂澆鑄中心處呈黃色，其余部位為藍(lán)色，即澆鑄中心黃色區(qū)域固液共存，其余部位為液相。通過觀察冷卻過程中溫度云圖的變化情況，結(jié)合溫度梯度法的原理，可初步判斷出合金的結(jié)晶情況：充型完成至固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)96.1%的過程中，輪輞區(qū)域的溫度基本隨著離開澆鑄中心距離的增加而降低，但輪輞中心處先于輪輞上邊緣結(jié)晶，表明輪輞上邊緣可能會產(chǎn)生孤立液相區(qū)，將增大縮松和縮孔的傾向性。

2.2 Fraction solid分析

溫度梯度法具有簡便、計(jì)算量較小的特點(diǎn)，能對不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行凝固數(shù)值模擬，并且具有良好的預(yù)測可靠性。但是溫度梯度法的判斷依據(jù)——臨界溫度梯度卻受鑄件的合金成分、形狀以及尺寸等因素的影響，因此通常臨界溫度梯度只能靠試驗(yàn)來確定，這意味著在“靈活多變”的生產(chǎn)中直接應(yīng)用溫度梯度法去判斷縮松與縮孔并不適用。

不同于溫度梯度法，F(xiàn)raction solid分析提供了另一種更直觀的方式去判斷鑄造過程中的縮松與縮孔傾向。鑄造過程中縮松和縮孔的出現(xiàn)主要是由于補(bǔ)縮通道的過早閉合，導(dǎo)致液態(tài)合金被金屬硬殼封閉，外部液態(tài)合金無法對其補(bǔ)縮，該現(xiàn)象即到Fraction solid中孤立液相區(qū)的出現(xiàn)。圖12是鑄件充型完成后不同固相體積分?jǐn)?shù)時(shí)的固相分布情況，采用“Cutoff”方式觀察，Cutoff values設(shè)定為 0.9，即不顯示固相分?jǐn)?shù)在90%以下的區(qū)域。其中圖12（a）～圖 12（c）分別為固相體積分?jǐn)?shù)是 17.5%，66.9%，96.1%時(shí)的固相分布情況。從圖12（a）中可觀察到輪輞上邊緣以及澆鑄中輪輞下邊緣部分區(qū)域出現(xiàn)灰色區(qū)域，對比色標(biāo)可得出這些區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上，合金基本以固相形式存在；從圖12（b）中可看出，輪輞與輪輻交接處固相體積分?jǐn)?shù)在90%以下，輪輻兩側(cè)合金基本結(jié)晶完成，而中心處固相體積分?jǐn)?shù)同樣在90%以下，這表明金屬液能從該未凝固的通道通過，未出現(xiàn)完全孤立的液相區(qū)，但輪輻中心的液相通道較窄，后續(xù)凝固過程中會阻礙液相及時(shí)補(bǔ)縮，仍有很大可能出現(xiàn)縮松和縮孔，與溫度場判斷結(jié)果一致；圖12（c）中，固相體積分?jǐn)?shù)已達(dá)96.1%，鑄件基本完全凝固，只有冒口小部分區(qū)域存在固相體積分?jǐn)?shù)低于90%的合金液，該區(qū)域的存在正是冒口存在的作用，即將補(bǔ)縮后產(chǎn)生的縮松和縮孔等鑄造缺陷留在冒口中，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 Niyama criterion及Shrinkage porosity分析

Niyama判據(jù)是新山英輔等以溫度梯度法為基礎(chǔ)提出的，對于鑄鋼認(rèn)為＜1時(shí)該區(qū)域內(nèi)就會產(chǎn)生縮松和縮孔，并且越小，該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生縮松和縮孔的傾向越大，同時(shí)該方法不受鑄件成分以及形狀尺寸的影響，是目前最常見的鑄件縮松和縮孔的判定法。但該判據(jù)提出之初是通過試驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)公式，沒有適合的量綱，缺乏明確的物理意義，因此賈寶仟和柳百成應(yīng)用達(dá)西定律和枝晶間的滲流補(bǔ)縮理論推導(dǎo)出Niyama判據(jù)公式：

圖12 不同固相體積分?jǐn)?shù)時(shí)鑄件固相分布Fig.12 Solid distributions of the castings with different solid fractions

式中：η為液相粘度系數(shù)；fL為液相體積分?jǐn)?shù)；β為凝固收縮率；ΔT為結(jié)晶溫度區(qū)間大小；ΔP為壓力降。

式(2)表明判據(jù)所判斷的縮松和縮孔形成原理是合金凝固過程前沿糊狀區(qū)枝晶骨架間枝晶臂閉合生長后枝晶間形成的微小空洞，即判斷枝晶間的顯微縮松和縮孔傾向[12-15]。

Shrinkage porosity是ProCAST中的縮松量，單位是體積分?jǐn)?shù)，通常低于1%時(shí)為微觀縮孔，高于1%時(shí)是宏觀縮孔。其縮松和縮孔的判定模型為：當(dāng)鑄件凝固過程中出現(xiàn)孤立液相區(qū)域時(shí)，該區(qū)域先被糊狀區(qū)域包圍，在糊狀區(qū)域外則是一個(gè)固體外殼，隨著時(shí)間延長，孤立液相區(qū)會分裂成幾個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域冷卻下來時(shí)密度會隨著溫度的降低而增大，即體積收縮，因此會產(chǎn)生縮松。若孤立液相周圍區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)低于Macrofs卻不呈現(xiàn)糊狀區(qū)域時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)在Macrofs和1之間的區(qū)域因只有局部剩余液體補(bǔ)縮，從而導(dǎo)致局部出現(xiàn)微觀縮孔。

圖13～圖16分別是鑄件凝固時(shí)的溫度場、Niyama criterion、Shrinkage porosity以及宏觀縮孔分布情況。觀察圖13所示的溫度場，輪輞上邊緣處溫度最低約60 ℃，隨著到澆鑄中心處距離的縮小，溫度逐漸升高，直至中心處達(dá)到約600 ℃，符合順序凝固的溫度場要求。圖14為Niyama criterion，其中Niyama判據(jù)越小，縮松和縮孔傾向越大，如圖14中所示輪輞上下邊緣、輪輞中心處以及澆鑄中心處，Niyama判據(jù)小，即這些區(qū)域產(chǎn)生縮松和縮孔的可能性大。如圖15所示，凝固時(shí)Shrinkage porosity最大值出現(xiàn)在澆鑄中心處，且該區(qū)域位于冒口中。圖16是凝固時(shí)宏觀縮孔分布情況，宏觀縮孔主要分布在輪輞上下邊緣以及澆鑄中心處。綜合分析圖13～圖16，并結(jié)合凝固過程的溫度場變化以及Fraction solid，鑄件在澆鑄中心冒口處會出現(xiàn)較大體積的縮孔，這是由于該區(qū)域存在孤立的熱節(jié)，合金液在此處過冷度低，形核最晚，凝固過程中體積收縮且沒有液相予以補(bǔ)充 ；輪輞上邊緣處出現(xiàn)的縮孔是由于凝固過程中輪輞中心處過冷度大，液相較早凝固，阻斷了液相對輪輞邊緣處的補(bǔ)充，而下邊緣處的縮孔則是因?yàn)檩嗇椞幒辖鹨哼^冷度大，早于輪輞下邊緣的合金液凝固。

圖13 凝固時(shí)溫度場Fig.13 Temperature distribution during solidification

圖14 凝固時(shí)Niyama判據(jù)Fig.14 Niyama criterion during solidification

2.4 改進(jìn)建議

本文應(yīng)用ProCAST對汽車輪轂鑄造過程進(jìn)行模擬分析，其目的是以理論為基礎(chǔ)在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中建立一套比較全面的分析方法，給與后續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。綜合上述分析結(jié)果，在不改變澆鑄中心位置及輪轂形狀的情況下，為有效減小鑄件缺陷出現(xiàn)的傾向，建立合適的溫度場十分必要，即在與輪輞中心接觸的模具區(qū)域增加模具的保溫效果，減小凝固時(shí)該區(qū)域的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)順序凝固；輪輻與輪輞接觸處也應(yīng)增加保溫效果，使得輪輻處液相后于輪輞處凝固；澆鑄中心縮孔密集處可適當(dāng)增加冷卻強(qiáng)度，讓該區(qū)域液相先于冒口頂端處凝固。

圖15 凝固時(shí)的縮松和縮孔Fig.15 Shrinkage porosity during solidification

圖16 凝固時(shí)宏觀縮孔分布情況Fig.16 Distribution of macro-porosity during solidification

3 結(jié) 論

（1）ProCAST材料數(shù)據(jù)庫可自定義材料成分，并計(jì)算出相圖、凝固曲線、焓變以及粘度曲線等，為后續(xù)有限元分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以讓模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。

（2）觀察ProCAST仿真過程中的溫度場變化，并結(jié)合溫度梯度法原理，可初步判斷鑄件出現(xiàn)鑄造缺陷的情況。建立合適的溫度場，實(shí)現(xiàn)合金液順序凝固是鑄件獲得良好鑄態(tài)組織的必要條件。

（3）Fraction solid可以直觀地表現(xiàn)鑄件凝固過程中固相和液相的分布情況。通過Fraction solid分析，若發(fā)現(xiàn)凝固過程中出現(xiàn)孤立的液相，即表明該區(qū)域有較大可能出現(xiàn)縮孔。

（4）Niyama criterion可以將鑄件中出現(xiàn)微觀縮松和縮孔的傾向以云圖的形式表現(xiàn)出來，Niyama判據(jù)越小，出現(xiàn)微觀縮松和縮孔的傾向越大；Shrinkage porosity分析結(jié)果將縮松和縮孔的分布情況展示出來的同時(shí)，還可以分別直觀地顯示這些缺陷在鑄件中的分布情況。

（5）綜合上述各項(xiàng)的分析結(jié)果，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在模具與輪輞中心處及輪輞與輪輻交接處接觸區(qū)域做好保溫，減小凝固過程中這些區(qū)域的溫度梯度，在與澆鑄中心縮孔密集處接觸區(qū)域可適當(dāng)增加冷卻強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)鑄造過程的順序凝固。