鋁合金輪轂加壓鑄造技術研究

潘小雨　董琦

摘 要：針對傳統低壓鑄造工藝補縮壓力低、補縮能力不足的問題，本文在其基礎上提出改進創新，新工藝中將補縮壓力提高到2MPa，顯著增強了鑄件凝固過程中的補縮驅動力。利用數值模擬軟件對一款16英寸的鋁輪轂進行低壓鑄造工藝和改進新工藝的收縮缺陷分析對比。結果表明：傳統低壓鑄造工藝輪轂的內輪緣部位、輪輞與輪輻連接部位、輪盤中心部位均出現了明顯的縮孔縮松缺陷，且凝固時間較長；第一次工藝優化，以上部位出現收縮缺陷概率明顯降低，缺陷面積顯著減小；第二次工藝優化，輪轂中的縮孔縮松缺陷全部消除，且凝固時間也大幅縮短，生產效率大幅提升。

關鍵詞：鋁合金輪轂；壓力鑄造；數值模擬

中圖分類號：TG249.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0098-04

Research on Pressure Casting Technology of Aluminum Alloy Wheel

PAN Xiao-yu， DONG Qi

（Dongfeng Automotive Wheel Co.， Ltd.， Shiyan 442042，China）

Abstract：Aiming at the problem that the traditional low pressure die casting process has the disadvantages of low filling pressure and insufficient feeding capacity， this paper puts forward some suggestions on improvement， in the new process， the feeding pressure was increased to 2MPa， which greatly enhanced the feeding force during the casting solidification process. The shrinkage defects of a 16 inch aluminum wheel with low pressure die casting process and improvement of new technology were analyzed by means of numerical simulation software. The results show that there are obvious shrinkage porosity and shrinkage defects in the inner rim， connection site of the rim and the spokes and the center of the wheel， and the solidification time is very long； After the first process improvement， the probability of shrinkage defects in the above parts decreased obviously， and the defect area decreased significantly； After the second process improvement， the shrinkage porosity and shrinkage defects in the hub are eliminated， and the solidification time is shortened， and the production efficiency is greatly improved.

近年來，汽車行業處于快速發展時期，國內外的整車供應商不但在供貨量上穩步提升，還在車型的設計、結構的改進以及材料的使用等方面不斷的推陳出新，由此也帶來了汽車零部件產業的發展與繁榮時期[1]。輪轂作為汽車整體結構中的一個重要組成部分，在汽車的安全性和外觀美化方面有不可估量的作用。因此，一直以來輪轂的設計與開發都得到了廣大研發人員的關注和重視。

引 言

隨著全球資源的日益緊張，以及人們節能環保觀念的日益加深，汽車輕量化已經成為時代的主題。要實現輕量化有三種途徑：第一種是結構的改進優化；第二種是使用新材料；第三種是改進現有工藝技術。對于汽車輪轂來講，多年以來對其結構的改進優化已經做了很多工作，在這個基礎上進行輕量化設計的提升空間不大。近年來，汽車輪轂中開始大量使用鋁合金、鎂合金等質量輕、強度高的材料來替代以往的鋼質材料，取得了不錯節能減排效果。在車輪的成形工藝方面，目前以低壓鑄造工藝為主要生產方式[2～3]，利用這種方式生產的輪轂占到了市場總額的80%左右。該工藝在實現大規模的自動化生產和提高材料的利用率等方面具有很大的優勢，因此，在業內被廣泛的采用。但是，這種工藝所使用的設備造價高昂，前期生產成本投入較大；升液管損壞頻率較高，需經常更換；凝固時補縮能力較低，產品的綜合性能偏差[4～5]。

為改善輪轂質量，本文在低壓鑄造的基礎上做出改進嘗試，新工藝擬用較低的壓力實現輪轂型腔的充填過程，然后采用較高的壓力來推動金屬液實現補縮過程，其中的補縮壓力約為2～3MPa，最高補縮壓力是普通低壓鑄造工藝的30倍，大大的提升了鑄件凝固過程中的補縮能力。

1 有限元模型建立

1.1 三維實體模型

本文選用某型號16英寸鋁合金輪轂，利用CATIA軟件建立輪轂及鑄型三維實體模型，如圖1所示：

1.2 網格劃分

采用非均勻四面體網格對鑄件和鑄型的三維模型進行網格劃分，在劃分網格過程中，對鑄件輪輻和輪輞進行局部網格細化劃分；鑄型則采用較大的網格尺寸，這樣既可以保證模擬結果的精度又可以節省模擬時間，單元總數為1150368，節點總數為269329。

1.3 材料熱物理參數

輪轂材料為A356，其液相線、固相線溫度分別為615℃、577℃，材料成分及熱力熱物理性能參數見表1、表2[6～7]。

鑄型材料為H13鋼，模具的初始溫度為350℃，A356充型溫度設定為700℃，模具與鑄件之間的熱傳系數1500W/（m2·K），模具與模具之間的傳熱系數為3500 W/（m2·K），鑄件與冷卻介質之間傳熱系數為25 W/（m2·K）[8～9]。

2 模擬結果與分析

充型及凝固過程壓力設置為0.08MPa，凝固總時間270S，冷卻方式為自然條件下冷卻。該工藝條件下的收縮缺陷分布如下圖2所示，

分析圖a），在輪轂內輪緣部位、輪輞與輪輻連接部位、輪盤中心部位均有部分區域的殘余熔體模數值小于0.3，而當某一部位的殘余熔體模數值較低時則很容易出現收縮缺陷；分析圖b），在以上幾個部位均出現高亮區，這就表示這些地方出現縮孔縮松的概率會非常的大，而且在輪輞與輪輻連接處缺陷出現的可能性最大，對該部位縮孔縮松缺陷面積大小進行統計分析可知，平均缺陷半徑達到12.515mm。

3 工藝優化方案

3.1 補縮壓力優化

鑄件成形過程中導致收縮缺陷出現的原因有很多，補縮壓力就是最主要的影響因素之一。針對低壓鑄造工藝補縮壓力偏低的特點，本工藝將凝固過程中的補縮壓力增強至2MPa，以提高中心澆口高溫金屬液對熱節部位的補縮能力。對本次改進工藝進行仿真模擬，除了澆口處補縮壓力增加至2MPa以外，其余參數與上一節低壓鑄造工藝參數相同，其模擬結果如下圖3所示。

分析圖3a），增加補縮壓力使得內輪緣部位、輪盤部位的殘余熔體模數明顯提高，輪輞與輪輻連接處也有改善；分析圖3b）云圖，內輪緣部位、輪輞與輪輻連接處、輪盤中心部位的收縮缺陷出現的概率均顯著降低。對輪輞與輪輻連接處的縮孔縮松缺陷面積大小進行統計分析可知，平均缺陷半徑為7.054mm，相比低壓鑄造工藝減小了5.461mm。

3.2 冷卻工藝優化

由于本款輪轂的內輪緣部位、輪輞與輪輻連接處都較為厚大，在自然冷卻條件下容易形成熱節，導致出現縮孔縮松缺陷。本節在第一次工藝改進的基礎上，在內輪緣部位和輪輞與輪輻連接處添加強制冷卻條件，以消除熱節達到順序凝固條件。冷卻管道分布如下圖4所示。

模擬結果如下圖5所示。從圖5可知，通過添加冷卻條件各熱節部位的縮孔縮松缺陷均得以消除，輪轂鑄件的質量得到顯著改善。另外，本次仿真凝固總耗時約為210s，相比初始低壓鑄造工藝降低了60s，添加的強制冷卻條件加快了輪轂各個厚大部位的冷卻速率，使得生產效率顯著提高。

4 結論

1）仿真結果表明，該款輪轂采用初始低壓鑄造工藝成形時在內輪緣部位、輪輞與輪輻連接處以及輪盤中心部位都會出現明顯的縮孔縮松缺陷。

2）第一次工藝改進將補縮壓力提升至2MPa，使得內輪緣部位、輪輞與輪輻連接處以及輪盤中心部位的收縮缺陷出現的概率顯著降低，缺陷面積明顯減少。這表明增大補縮壓力顯著的改善了鑄件的性能。

3）第二次工藝改進在第一次工藝改進的基礎上在熱節部位添加強制冷卻條件，完全消除了初始工藝中出現的縮孔縮松缺陷，鑄件凝固時間也大幅減小，生產效率顯著提升。

參考文獻：

[1]丁儉，范瑋，趙乃勤，等. 汽車鋁合金輪轂低壓鑄造工藝的有限元模擬及優化[J]. 機械工程材料， 2016，40（4）：93-98.

[2]王祝堂. 鋁合金輪轂工業的發展[J].輕合金加工技術，1994，22（3）：17-22.

[3]韓雄偉，冷真龍，楊金風.基于PROCAST鋁合金壓鑄模澆注系統設計及充型凝固數值模擬[J].鑄造技術，2010，31（34）：465-467.

[4]董華夏. 鋁合金汽車輪轂低壓鑄造模擬研究[J]. 城市建設理論研究：電子版，2015，5（31）：71-73.

[5]梅麗歌，張弘韜. 汽車鑄鋁輪轂低壓鑄造技術分析[J]. 鑄造技術，2013（11）：1597-1598.

[6]LEEK K O，KIM J M， CHIN M H， et al. A study on the mechanical properties for developing a computer simulation model for heat treatment process[J]. Joural of Materials Processing Technology， 2007， 182： 65-71.

[7]ZHANG B， MAIJER D M， COCKCROFT S L. Development of a 3-D thermal model of the low-pressure die-cast（LPDC） process of A 356 aluminum alloy wheels[J]. Material Science and Engineering， 2007，A 464：295-305.

[8]汪煦，趙玉濤，蘇大為，等. 金屬型鑄造摩托車鋁合金輪轂凝固過程數值模擬[J]. 特種鑄造及有色合金，2008，28（12）：918-920.

[9]蘇大為，趙玉濤. 低壓鑄造鋁合金輪轂充型和凝固過程模擬分析[J]. 特種鑄造及有色合金， 2007，27（9）：682-684.