輪轂鑄造工藝設計及數值模擬

劉艷明

輪轂是支撐汽車輪胎、圓形的、用于車軸安裝的金屬零件。鋁合金材質的輪轂具有重量較輕、加工精度較高、較好的散熱能力等優點。在汽車行駛中輪轂需要承受一定的載荷和強度，以及需要保持穩定性。合理科學的鑄造工藝設計，可以保證輪轂有較好的性能，并可以提高汽車行業輪轂的質量。

1 結構分析和工藝初步分析

1.1 零件結構分析

輪轂尺寸為775mm×775mm×180mm，密度為2.68×103kg/m3,體積為 14.5×10-3m3，鑄件質量為 39kg，鑄件質量＜100kg時尺寸屬于中小型零件，適合于大批量加工生產，可以采用砂型鑄造，結構較為簡單，分型面選擇在豎直方向中間的水平面上，將鑄件對稱分布在兩鑄型內[1]。

1.2 零件凝固模擬

鑄件材料為鋁合金AlSi7M，初始金屬液溫度為752℃，初始鑄型溫度為503℃，初始空氣溫度為25℃；設定空氣與鑄件之間的換熱系數為300W/（m2·K），空氣與鑄型之間的換熱系數為50W/（m2·K），鑄型與金屬液之間的換熱系數是1800W/（m2·K）；設置澆口條件，選擇澆注口，設置澆注傳熱條件為1300℃，充型速度為0.5m/s。此工藝所需的砂芯采用熱芯盒法生產，以增加其強度及保證鑄件質量。選擇使用射芯工藝生產砂芯。收縮率為0.8%～1.2%，垂直于分型面的壁上留有起模斜度，起模方便又不損壞砂型[2]。

圖1 零件缺陷預測圖

將零件進行凝固模擬，結果顯示在輪緣上及軸孔周圍出現缺陷（見圖1）。據模擬預測的凝固缺陷，可對癥地計算繪制出各個澆道、冒口。

2 澆冒系統設計及凝固模擬

此零件為托架，沒有過多的型腔，鑄件比較高，需要補縮，選擇重力底注式澆注為宜。

2.1 澆注系統的設計

（1）澆注時間的計算

式中，t是澆注時間（s）；G2為澆入型腔內的鋁合金溶液的質量（kg）；K 是系數，K＝1.50；l為鑄件的平均壁厚。取澆道比例為35%，澆冒口的重量G1=39×35%kg=13.65kg，金屬液的重量G2=G+G1=52.65kg，鑄件的平均壁厚l=30 mm，可得:澆注經驗時間t=11.6s。

（2）液面上升速度

式中，C為鑄件最低與最高點距離 (mm)；t為計算的澆注時間（s），V=（180/11.6）mm/s=15.5mm/s。

（3）各澆道截面及尺寸的確定

輪轂質量39.0kg，輪轂最薄厚度為20mm，最厚壁 40mm，取∑S內=6.0 ，所以∑S內∶∑S橫∶∑S直=1.0 ∶1.10 ∶1.15，因∑S內=6.0 ，得：∑S橫=6.61 ，∑S直=6.91cm2，內澆道的具體尺寸a=11.2mm,b=7.0mm，c=17.1mm，使用圓柱形直澆道，直徑D=42.0mm，查得S橫=6.61，可得 A=16.0mm，B=11.0mm,C=18.1mm；得S直=6.9 。

輪轂設計增加了澆注系統，凝固模擬后，輪輻處的鑄造缺陷有較為明顯的減少，但缺陷也有所轉移，由原來的中部集中轉移到了內外輪緣與輪輻的交接處，而內輪緣處的缺陷有所減少，但卻不明顯，為此增加冒口和冷鐵。缺陷的模擬預測如圖2所示。

圖2 加澆注系統的缺陷預測

2.2 冒口冷鐵的設計

根據冒口的選擇原則以及加入澆道后的缺陷位置，選內輪緣處位置增加冒口以改善缺陷，利用Pro/E軟件繪制冒口。在內輪緣上方增加冒口。冒口共設置了三個，截面40.5mm×40.5mm，高為60.3mm。增設冒口模擬后，在內輪緣中心的鑄造缺陷轉到冒口處，已消除。

由于沒有形成順序凝固條件，冒口補縮距離又有限，致使外輪緣和輪輻連接處的缺陷仍未消除，冷鐵能使冒口的補縮距離加大，故需設計冷鐵進行局部范圍冷卻，使得輪輻上由外到內形成順序凝固，打通冒口補縮通道[3]。用Pro/E繪制設計六個冷鐵，尺寸為60.5mm×20.3mm×20.4mm，繪制好的澆冒系統和冷鐵三維設計圖見圖3。

圖3 全部澆冒系統設計

3 鑄件充型凝固模擬

澆注系統、冒口和冷鐵設計好后，進行充型模擬仿真，可以清楚地看到整個過程比較平穩，沒有飛濺，充型時間為 0.1845s（見圖 4）。

凝固進程如圖5所示，可以發現輪緣的外部最早凝固，接下來是輪輻凝固，然后是冒口和澆注系統發生凝固，符合順序凝固，從澆注系統或冒口到輪輻、輪緣，形成暢通的補縮通道[4]。

圖4 不同時刻充型進程

圖5 凝固進程圖

圖6 最終缺陷圖

可以看出，由于在凝固過程中增設冷鐵，保證不會形成熱量集中區域。在輪轂凝固全程中，通過設計形成順序凝固，冒口和內澆道成為最后凝固區域，所以輪轂鑄件中的各種缺陷大幅減少。縮孔縮松是不可能完全避免的，現在已經減少到了無法減小的范圍內。可以按照設定的澆鑄工藝安排實際的澆注生產，保證鑄件的性能。最終缺陷圖如圖6所示。實際澆注生產中鑄件出現的缺陷與此大致相同。

4 結論

（1）對未進行工藝設計的零件進行缺陷預測，可精準找出缺陷，為工藝設計奠定基礎。

（2）澆注系統、冒口和冷鐵需配合使用，才能達到最佳的工藝效果。

（3）充型模擬、凝固模擬、缺陷預測三項配合使用，可以大大提高工藝設計成功率。

[1] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學[M].北京:機械工業出版社，2002:35-38.

[2] 李宏英,趙成志.鑄造工藝設計[M].北京:機械工業出版社,2005:122-125.

[3] 胡亞民,馮小明,申榮華.材料成型技術基礎[M].重慶:重慶大學出版社,2004:98-101.

[4] 于百庫，白文弟.鑄件凝固過程溫度場的數值模擬[J].中國鑄造裝備與技術,2002(2):17-19.