铝合金汽车轮毂铸件凝固过程缺陷CAE分析

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1、铝合金汽车轮毂铸件凝固过程缺陷AE分析作者:曾红 靳云飞 张德强 引言缩孔、缩松缺陷是锻造生产中常用的缺陷，铸件凝固过程数值模拟的重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。铸件成形过程一般经历液态冷却、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。般缩孔体现为一次缩孔、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，将以同步凝固方式进行凝固。开始是在整个液态金属内浮现许多细

2、小的晶粒。随着温度减少和晶粒的长大以及新晶粒的产生，最后凝固部分将浮现许多被晶粒所隔离的孤立的液态金属，或者浮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予以补缩,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。同步,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,运用CA技术分析低压铸造凝固过程中浇注速度、冷却方式和模具构造对缩松,缩孔的影响。（1）取浇注速度为1m/ec、m/sc、mc

3、、m/sc。铸件浇注温度取700；模具预热温度:0；空气温度：20;模具与模具界面热互换系数:1000W/（mK);模具与铸件界面热互换系数:1500W/(2);模具与空气热互换系数：10W/(K);涂料与模具热互换系数;600W/(m.K）。轮毂铸件材料ZL11,即：(i)7%；(Mg)=0.3%,余量为铝ZL10铝合金。侧模为两横对开式。上、下模材料采用热作模具钢,侧模选用35CrM模具钢。具体分析，如图所示。图1不同速度铸件缺陷分析（a)v=1mec (h）v3maec (c)v=m/se(d）v=/sec如图所示,显示的数值为孔隙度(hrinkage poosity）,是一种判断铸件缩

4、松的指标,以颜色直观表达浮现缩松区域,并以颜色变化表达缩松占体积的比例，例如图1(a)中的一部分相应比例尺约0.06，表达此区域约有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,这里的孔隙度重要是给技术人员提供一种参照和协助判断。通过图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浮现;当速度取时,与速度为5时相比较，看，d图发现缩孔没有明显的变化，缩松有变多的趋势,觉得取浇注速度时可在(3）m/s之间取值较

5、合理。(2)压铸模的冷却方式除了前面提到的风冷,尚有水冷。风冷就是在模具中设立风管，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立冷却水道，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。在模具的构造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。下面变化模具构造:在上模内设立水道。采用环形水道,取浇注速度为m/sc，设立三条水道，直径为1m，冷却水的温度取30做分析。分网完毕的水道构造图,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 水道构造分布图图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重要集中在轮辋边沿处,轮

6、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懂得水冷的方式对模具冷却的更均匀，并且利于控制,不利于缺陷的形成。现变化水道数量取四条水道，直径为，如图4所示。四条水道缺陷分析，如图所示。图 四条水道构造分布图图5 四条水道缺陷分析图从图中看到缩松比图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立的,虽然设立了冷却水道，但是在目前的加工技术来讲是很难实现的,有的可以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,水道在此处的设立加工难度较大，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,冷却不当就会浮现缺陷。故次轮毂铸件仍选用了风冷的方式。3 结论用对比定量的措施分析了浇注速度、冷却方式对汽车铝合金轮毂低压锻造过程中的缩松、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CA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。(nd)