铝合金汽车轮毂铸件凝固过程缺陷CAE分析

　1 引言

   　 缩孔、缩松缺陷是铸造生产中常见的缺陷，铸件凝固过程数值模拟的主要目的就是要预测铸件凝固过程中缩孔、缩松的形成，从而实现对铸件内部质量的控制。铸件成形过程通常经历液态冷却、固液转变和凝固后的继续冷却过程。其中液态冷却和固液转变一般产生较大的收缩。在铸件凝固初期，金属的液态收缩和固液转变所产生的收缩如果得不到有效的补缩，如冷却不合理，补缩通道过早的凝固被堵塞，就会在铸件中产生缩孔。—般缩孔表现为一次缩孔、二次缩孔等。而在铸件凝固后期，最后凝固部分的液态金属由于温度梯度很小，将以同时凝固方式进行凝固。开始是在整个液态金属内出现许多细小的晶粒。随着温度降低和晶粒的长大以及新晶粒的产生，最后凝固部分将出现许多被晶粒所隔离的孤立的液态金属，或者出现虽未被晶粒完全隔离，但与外界液态金属的通道很小的液态金属。由于此时液态金属的粘度很大，外界的液态金属很难给予补缩，这些液态金属在进一步冷却和凝固时，将与缩孔产生的过程—样，产生许多细小的孔洞，形成宏观缩松。同时，在晶粒的枝晶之间也将残存许多被孤立的液态金属。这些液态金属在凝固时，将产生更多和更细小的孔洞，形成微观缩松。

　2 影响分析

    　下面以某厂的铝合金轮毂铸件为例，利用CAE技术分析低压铸造凝固过程中浇注速度、冷却方式和模具结构对缩松，缩孔的影响。

 　   (1)取浇注速度为1m/sec、3m/sec、5m/sec、8m/sec。铸件浇注温度取700℃；模具预热温度：200℃；空气温度：20℃；模具与模具界面热交换系数：1000W/(m².K)；模具与铸件界面热交换系数：1500W/(m².K)；模具与空气热交换系数：10W/(m².K)；涂料与模具热交换系数；600W/(m².K)。轮毂铸件材料ZL101，即：ω(Si)=7%；ω(Mg)=0.33%，余量为铝—ZL101铝合金。侧模为两横对开式。上、下模材料采用热作模具钢H13，侧模选用35CrMo模具钢。具体分析，如图1所示。

    图1 不同速度铸件缺陷分析

    (a)v=1m/sec (h)v=3m/aec (c)v=5m/sec (d)v=8m/sec

    　如图1所示，显示的数值为孔隙度(shrinkage porosity)，是一个判断铸件缩松的指标，以颜色直观表示出现缩松区域，并以颜色变化表示缩松占体积的比例，例如图1(a)中的一部分对应比例尺约0.06，表示此区域约有6%的体积为缩松，但是缩松孔径的大小是需要经验去判断的，这里的孔隙度主要是给技术人员提供一个参考和帮助判断。通过图1云图上的数值显示分析可以看到浇注速度对铸件的缺陷形成是有影响的：速度为1和3时缩孔的大小没有任何变化，缩松有微量的减少，当速度为5是缩孔直径明显的减小，缩松也明显的减少，缩松和缩孔发生的位置有了很大的变化：在轮辐处有较大的缩孔出现；当速度取8时，与速度为5时相比较，看c，d图发现缩孔没有明显的变化，缩松有变多的趋势，认为取浇注速度时可在(3～5)m/sec之间取值较合理。

    　(2)压铸模的冷却方式除了前面提到的风冷，还有水冷。风冷就是在模具中设置风管，通过压缩空气来达到冷却模具的目的。水冷就是在模具中设置冷却水道，通过水往复流动来带走模具中的热量。水冷的方式较风冷更容易控制。在模具的结构设计中选用了风冷方式，前面做的分析均采用风冷方式，在这里不再另做分析。下面改变模具结构：在上模内设置水道。采用环形水道，取浇注速度为5m/sec，设置三条水道，直径为10mm，冷却水的温度取30℃做分析。分网完成的水道结构图，如图2所示。两种不同冷却方式分析对比图，如图3所示。

    图2 水道结构分布图

    图3 不同冷却方式铸件缺陷分析

    　从图3中看到加入了冷却管道的铸件的缺陷主要集中在轮辋边缘处，轮辐处的缺陷消失，缩孔在云图中消失了，孔隙度的值明显较小。两种冷却方式的对比很容易发现水冷的方式要优于风冷的方式。在实际的工作中我们知道水冷的方式对模具冷却的更均匀，而且利于控制，不利于缺陷的形成。现改变水道数量取四条水道，直径为8mm，如图4所示。四条水道缺陷分析，如图5所示。

    图4 四条水道结构分布图

    图5 四条水道缺陷分析图

   　 从5图中看到缩松比图3b图减少了，可知冷却管道的数量，冷却管道的直径对缩松、缩孔的形成是有影响的。从图中可以看到取小直径，多管道的冷却方式冷却更好，这也和实际操作相符合。但是，从实现难度和加工角度度来讲，风冷更容易加工，也是比较容易实现。在比较复杂的铸件中水道是很难设置的，即使设置了冷却水道，但是在目前的加工技术来讲是很难实现的，有的能够加工出来所用的成本却很高。本次分析的轮毂铸件在轮辐处曲面比较复杂，水道在此处的设置加工难度较大，而轮辐较厚、轮辐与轮辋连接处是承受力的部位，也是热应力集中区，冷却不当就会出现缺陷。故次轮毂铸件仍选用了风冷的方式。

　3 结论

  　  用对比定量的方法分析了浇注速度、冷却方式对汽车铝合金轮毂低压铸造过程中的缩松、缩孔形成的影响，从上面的分析可以看出，浇注速度、冷却方式的选择的合理性直接关系到铸件的质量。我们可以借助CAE技术，模拟铸件的凝固过程，达到优化工艺，采用合理的工艺参数，对减少废品率，提高经济效益有重要意义。

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