鋁合金輪轂低壓鑄造數(shù)值分析及模具設(shè)計(jì)

韓 超

（1.秦皇島中秦渤海輪轂有限公司，河北秦皇島 066010；2.河北省輕合金車(chē)輪工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島 066010）

1 低壓鑄造鋁合金輪轂

鋁合金輪轂的制造工藝直接決定其產(chǎn)品的性能，輪轂的主要生產(chǎn)方法有鑄造和鍛造，鑄造方法包括金屬重力鑄造、低壓鑄造和壓力鑄造等。截止到當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鋁合金輪轂的生產(chǎn)主要方法依然是低壓鑄造，該方式具有低成本、高質(zhì)量的特點(diǎn)，約占總產(chǎn)量的80%；其次是簡(jiǎn)單重力鑄造，約占總產(chǎn)量的10%。部分生產(chǎn)工藝提供了更好的產(chǎn)品，但由于成本和技術(shù)限制，尚未廣泛用于商業(yè)用途。

2 合金輪轂低壓鑄造數(shù)值分析

實(shí)現(xiàn)輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是穩(wěn)定的制造過(guò)程。如圖1所示模擬和分析了鑄鐵中液態(tài)金屬的流動(dòng)和固化的熱傳遞狀態(tài)，并提供了變速場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多項(xiàng)參數(shù)，為分析輪轂結(jié)構(gòu)提供重要的理論基礎(chǔ)。該示例是以616 ℃的液相溫度和556 ℃的固相溫度為基礎(chǔ)的A356 鋁合金制成的，上模具、下模具和四個(gè)側(cè)模具的材料為H13 型鋼，輪轂低壓鑄造合金液體的鑄造溫度為720 ℃，鑄造模具預(yù)熱至350 ℃。經(jīng)過(guò)五個(gè)循環(huán)，鑄模的溫度在每個(gè)鑄造循環(huán)結(jié)束時(shí)沒(méi)有顯著變化，這意味著鑄造過(guò)程是穩(wěn)定的，整個(gè)循環(huán)需要大約300 s，壓實(shí)壓力約為0.95 MPa。

圖1 低壓鑄造循環(huán)過(guò)程

低壓成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對(duì)模具強(qiáng)制冷卻。在低壓鑄造廠中，強(qiáng)制冷卻介質(zhì)通常是壓縮空氣和水，通過(guò)熱對(duì)流傳遞熱量。在整個(gè)冷卻過(guò)程中，模具的背面溫度可以達(dá)到300～400 ℃，型腔的表面溫度可以達(dá)到450～500 ℃，并且輻射高，在模具與模具之間建立了接觸關(guān)系。在鑄造過(guò)程開(kāi)始時(shí)，合金液體過(guò)熱，并且界面接觸良好；冷卻后，出現(xiàn)固相并降低了接觸狀態(tài)，熱交換系數(shù)逐漸下降。當(dāng)模制件的固相速率達(dá)到0.9 時(shí)，在模制件基本固化后，模制件和模具之間通入空氣，進(jìn)一步降低熱交換系數(shù)。

使用ProCAST 軟件對(duì)輪轂的低壓造型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖2 所示，包括鑄造部件的灌裝、冷卻和解調(diào)三個(gè)步驟。灌裝開(kāi)始時(shí)，合金液體在灌裝半徑內(nèi)流動(dòng)不規(guī)則；灌裝速度超過(guò)50%，提高了鑄件的均勻性。合金液體填充良好，最終填充成型形狀。灌裝結(jié)果表明，在內(nèi)邊緣容易發(fā)現(xiàn)灌裝不規(guī)則現(xiàn)象，導(dǎo)致殘留物等缺陷。

圖2 鑄件充型模擬

通常情況下，RSP（Rapid Solidification Process，快速凝固過(guò)程）的主要決定因素是冷卻速度，RSP 的數(shù)值越小，說(shuō)明材料的成型性能越好。輪轂在凝固過(guò)程中較厚部位凝固速度比較慢，先凝固的輪輻阻止了中心澆口鋁合金液向輪轂較厚部位的補(bǔ)給，故該部位最易產(chǎn)生縮松、縮孔、裂紋等缺陷。通過(guò)分析二次晶體臂的間隔和總晶體半徑的間隔，可以獲得不同區(qū)域鑄造輪轂材料的不同性能，并且在芯和車(chē)輪半徑上的性能低于材料的性能。這也是裂縫和其他疲勞損傷往往首先出現(xiàn)在車(chē)輪的中心和輻射區(qū)的原因。

模擬分析及計(jì)算結(jié)果表明，鑄造工藝制造的鋁合金輪轂的材料性能在不同區(qū)域有所不同，從外輪緣到輪心，輪轂材料性能逐漸降低，輪心處材料性能最差，輪轂處材料性能最好。

3 低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)

輪轂作為汽車(chē)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是連接道路和汽車(chē)的重要傳動(dòng)工具。近年來(lái)隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，包括汽車(chē)性能的提高，輪轂在汽車(chē)零部件中起著非常重要的作用，包括承載器的重量、變速器控制的方向、整車(chē)的制動(dòng)等，以及汽車(chē)的整體質(zhì)量和速度的提高，輪轂對(duì)整車(chē)安全的影響尤為重要。輪轂是汽車(chē)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是連接道路和汽車(chē)的重要傳動(dòng)工具。隨著近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，包括汽車(chē)性能的提高，輪轂在汽車(chē)零件中起著非常重要的作用，包括載重量、變速器控制方向、整車(chē)制動(dòng)器等，以及整體質(zhì)量的提高，輪轂對(duì)整車(chē)安全性能的影響尤為重要。

模具和工藝缺一不可，兩者相輔相成。將鑄造過(guò)程調(diào)整到0.16 MPa（1600 mbar），以增加鑄造的填充壓力。更快的充填速度可以補(bǔ)償?shù)蜏兀s690 ℃）的鋁液體的流變成形性，提前結(jié)晶的啟動(dòng)時(shí)間，縮短結(jié)晶周期，提高組織密度；鼓勵(lì)形成薄壁，改善金屬的使用效果。但是存在一個(gè)問(wèn)題：原四沖擊砂型未配備自鎖裝置，在生產(chǎn)過(guò)程中，如果側(cè)油缸漏油或其他原因，四側(cè)模塊會(huì)完全被側(cè)缸堵塞。

如果灌裝壓力過(guò)高，導(dǎo)致模具橫向不適配，鋁泄漏到橫向模具旁路是非常危險(xiǎn)的。如果要增加灌裝壓力而不在橫向模塊產(chǎn)生鋁泄漏，可以在側(cè)模塊的外緣增加止口凸緣，以將外力施加到邊緣。其次，上、下模具采用水冷卻結(jié)構(gòu)，不僅提高了產(chǎn)品性能，而且提高了成型生產(chǎn)的效率。

檢查結(jié)果表明，改進(jìn)鑄造工藝可產(chǎn)生以下結(jié)果：①鑄造漏鋁及鑄件飛邊、錯(cuò)模問(wèn)題得到了很好的解決；②鑄造生產(chǎn)效率提升20%左右；③鑄造本站毛坯質(zhì)量提升，X 光檢測(cè)報(bào)廢率降低5%左右；④提升金屬材料利用率，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；⑤上下模配置水冷工藝后輪輻部位的金相組織明顯優(yōu)于風(fēng)冷工藝；⑥紅外線(xiàn)檢測(cè)顯示，在同一位置上激光束模具的溫度和普通低壓模具的溫度幾乎沒(méi)有差別，但激光束模具的開(kāi)始位置在同一溫度下是相同的，偏心現(xiàn)象大大高于普通低壓模具。這是由于激光束模具之間的差別為39.2 ℃，光束發(fā)熱會(huì)引起所發(fā)出的激光的強(qiáng)度先增加、后降低，比普通低壓模具高21.4 ℃，并且鑄件成型后更容易脫模。

4 模具優(yōu)化方式

實(shí)現(xiàn)效率和效益的最關(guān)鍵的解決方式是合理的模具設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)低壓模具時(shí)，通過(guò)確定模具所需梯度類(lèi)型的鑄造鋼厚度的方法及其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只有在適當(dāng)配置的情況下，才能取得更好的結(jié)果。

4.1 模具的梯度優(yōu)化

模具梯度指的是模具輪轂腔的內(nèi)部，在輪轂腔的某些部分中，可以觀察到一種與冷凝需求相匹配的由上到下、由外到內(nèi)的順序依次凝固。舍弗勒輪轂的冷凝從輪轂的周邊部分開(kāi)始，在整個(gè)輪轂中逐漸冷凝。在半徑和中間輪轂連續(xù)冷凝可以減少收縮等缺陷，在保證連續(xù)冷凝的基礎(chǔ)上，應(yīng)將輪轂厚度減至最小，從而減少零件質(zhì)量問(wèn)題，改善金屬的使用效率。減少原材料的使用和能源消耗，減少鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的鋁屑，同時(shí)減少加工量，并提高鑄模的壽命。

4.2 優(yōu)化模具的厚度

模具的厚度是整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)殍T鋼吸收熱量降低了鋁的溫度，鑄鋼的厚度由于鋼的高導(dǎo)熱性，鋁液與模具之間的接觸面更快地硬化，結(jié)構(gòu)和性能得到改善。鑄鋼通過(guò)使用冷卻介質(zhì)的對(duì)流輻射參與散熱階段，鑄鋼越厚，散熱率越慢，散熱越慢。在這個(gè)階段，鋼模對(duì)產(chǎn)品是有利的。鋼的厚度在產(chǎn)品的擠壓和冷卻過(guò)程中，鋼水需要兩個(gè)不同的流動(dòng)方向，以使鑄鋼的合理厚度能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)速度的要求。

4.3 優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)

空氣冷卻效率已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)節(jié)奏，結(jié)晶器的冷卻系統(tǒng)正朝著水冷方向發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，模制件鋼材受到劇烈溫度變化的影響，很容易產(chǎn)生裂縫，成為阻礙水冷發(fā)展的主要障礙。由于模制件是環(huán)形結(jié)構(gòu)，而且左側(cè)和右側(cè)抽屜芯用于補(bǔ)充泵芯，因此溢出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求將鑄造件分成兩個(gè)密封平面，以便于過(guò)量排氣，并設(shè)置溢出槽。設(shè)計(jì)在環(huán)形裝置的零件槽上，如果排氣口的數(shù)量太少，可以使用一個(gè)橫截面將排氣口相互連接。

4.4 優(yōu)化控制模具溫度

模具的外部溫度應(yīng)控制在300～350 ℃，因?yàn)槟＞咧圃烨皯?yīng)被砂、清洗和涂漆，并加熱2～3 h 達(dá)到350 ℃，從干燥機(jī)中取出模具并將其安裝在低壓模具的輪轂上，所需時(shí)間不得超過(guò)0.5 h。通過(guò)控制模具的溫度，減少了固化時(shí)間并提高了生產(chǎn)率。

5 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)鑄造數(shù)字模擬技術(shù)可預(yù)測(cè)鑄造件的質(zhì)量，確定缺陷的位置和范圍，以可視化反映缺陷的分布和嚴(yán)重性，有效幫助設(shè)計(jì)者改善設(shè)計(jì)，平衡溫度、壓力、系統(tǒng)剪切率和摩擦熱等參數(shù)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模制件技術(shù)可以減少模制件工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)周期的盲目性，引導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，優(yōu)化模制件平面，提高模制件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。