铝合金车轮低压铸造工艺数值模拟及应用

作者:米国发;历长云;王狂飞;和双双 刊名:热加工工艺 上传者:冯超

【摘要】运用View-Cast软件对铝合金车轮的低压铸造过程进行了数值模拟,研究了凝固过程中温度场的分布,预测铸件在轮辐与轮辋连接部位可能出现的缺陷,分析了缺陷形成机理以及缺陷的分布规律,并提出了抑制缺陷产生的措施。研究结果表明,在上模和下模上设置冷却管改善了冷却能力,证明了管形冷却器是减少轮辋与轮辐连接处缺陷的有效方法。通过对实际铝合金车轮铸件X射线探测和力学性能的测试,模拟结果进一步被验证了。

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铝合金[1-3]由于高强度,低密度及较好的成形性,广泛地应用在汽车领域,尤其通过低压铸造[4-5]生产的铝合金车轮,目前已广泛地应用在摩托车、轿车行业中。本文以低压铸造A356铝合金车轮为研究对象,利用有限差分法软件View-Cast来模拟铝合金车轮的低压铸造凝固过程,分析铸件的温度场,预测铸造过程中产生的缺陷,并结合实际测试结果对车轮铸造工艺方案进行了设计和改进。1试验方法及过程1.1模型的建立使用Pro/ENGINEER对车轮进行实体化造型(图1),并将几何实体存储为*.STL格式导入View-Cast中进行实体网格划分,划分的总单元格数为20个。1.2初始条件采用国产低压铸造机进行铸造,合金浇注温度700,模具温度为300,低压铸造(LPDC)浇注工艺曲线如图2所示。2结果与分析原方案中凝固过程各阶段的凝固情况如图3所图1车轮几何模型Fig.1Geometrymodelofthewheel轮辋轮辐轮芯示。其中:深颜色显示的部位表示铝合金仍处于液态或半固态,没有完全凝固;浅色显示的部位表示已经完全凝固。在开始凝固阶段,轮辋各部分的凝固不是同步进行的,各轮辐之间的凝固先于对应的轮辐,见图3(b)。在t=25s时,在轮辋处最后凝固部分,因不能得到液体补偿,预计会产生缩孔缺陷(图3(d))。在t=29s时,轮辐与轮辋的连接处产生液体孤岛,在这些部位潜在着缩孔缺陷,见图3(e)。从凝固过程三个部位测试点(图4)的温度曲线(图5)可以看出,在凝固540s,轮辋中间部位的温度低于轮辋顶端部位的温度,所以整个凝固过程不是理想的顺序凝固。根据模拟结果可以看出,在轮辋顶端和轮辐与轮辋的连接处,因为存在液体孤岛,不能够完全补缩,产生了较多的缩孔、缩松,缺陷位置如图6。为验证模拟结果,随机抽取该车轮铸件,进行X射线探伤测试,结果如图7所示。从图中可以看出,模拟结果能够比较准确地预测缩孔缺陷的位置,与实际结果相吻合。为了进一步验证模拟的准确性,随机抽取该车轮试样做冲击试验,结果如图8所示,从冲击试验结果可以看出在轮辐和轮辋的交接处,存在着缩孔,这些空洞类铸造缺陷对合金的冲击韧性产生不利的影响,在做冲击试验时出现了断裂。进一步的试验显示,预测结果与试验结果相吻合。图2低压铸造压力曲线Fig.2ThepressurecurvesofLPDC604020050100150200250300时间/s压力/kPa大气压力浇口计算压力图3铸件凝固模拟结果示意图Fig.3Sketchofcastingsolidificationsimulationresults(a)t=12.9s(b)t=15.88s(c)t=18.38s(d)t=25s(e)t=29s(f)t=48s图5凝固过程各个测试点温度曲线Fig.5Temperaturecurvesoftestpointsduringsolidification6005505004504003503002500306090120150180连接处顶缘轮辋中缘时间/s温度/图7X射线探伤图Fig.7TheresultofX-raydetection轮辋顶缘轮辋中缘连接处图4测试点的位置Fig.4Positionsoftestpoints图6铸件缺陷预测结果Fig.6Thepredictedshrinkagedefectsofwheel1007550250固相分数(%)3缺陷的消除根据模拟结果分析,铸件在凝固过程中,在轮辐与轮辋连接处易产生热节,并于凝固后期形成缩孔。这些铸造缺陷主要是由于铸件没有实现自上而下顺序凝固,补缩通道过早断开造成

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