铝合金轮毂加压铸造技术研究

潘小雨　董琦

摘 要：针对传统低压铸造工艺补缩压力低、补缩能力不足的问题，本文在其基础上提出改进创新，新工艺中将补缩压力提高到2MPa，显著增强了铸件凝固过程中的补缩驱动力。利用数值模拟软件对一款16英寸的铝轮毂进行低压铸造工艺和改进新工艺的收缩缺陷分析对比。结果表明：传统低压铸造工艺轮毂的内轮缘部位、轮辋与轮辐连接部位、轮盘中心部位均出现了明显的缩孔缩松缺陷，且凝固时间较长；第一次工艺优化，以上部位出现收缩缺陷概率明显降低，缺陷面积显著减小；第二次工艺优化，轮毂中的缩孔缩松缺陷全部消除，且凝固时间也大幅缩短，生产效率大幅提升。

关键词：铝合金轮毂；压力铸造；数值模拟

中图分类号：TG249.2 文献标识码：A 文章编号：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，汽车行业处于快速发展时期，国内外的整车供应商不但在供货量上稳步提升，还在车型的设计、结构的改进以及材料的使用等方面不断的推陈出新，由此也带来了汽车零部件产业的发展与繁荣时期[1]。轮毂作为汽车整体结构中的一个重要组成部分，在汽车的安全性和外观美化方面有不可估量的作用。因此，一直以来轮毂的设计与开发都得到了广大研发人员的关注和重视。

引 言

随着全球资源的日益紧张，以及人们节能环保观念的日益加深，汽车轻量化已经成为时代的主题。要实现轻量化有三种途径：第一种是结构的改进优化；第二种是使用新材料；第三种是改进现有工艺技术。对于汽车轮毂来讲，多年以来对其结构的改进优化已经做了很多工作，在这个基础上进行轻量化设计的提升空间不大。近年来，汽车轮毂中开始大量使用铝合金、镁合金等质量轻、强度高的材料来替代以往的钢质材料，取得了不错节能减排效果。在车轮的成形工艺方面，目前以低压铸造工艺为主要生产方式[2～3]，利用这种方式生产的轮毂占到了市场总额的80%左右。该工艺在实现大规模的自动化生产和提高材料的利用率等方面具有很大的优势，因此，在业内被广泛的采用。但是，这种工艺所使用的设备造价高昂，前期生产成本投入较大；升液管损坏频率较高，需经常更换；凝固时补缩能力较低，产品的综合性能偏差[4～5]。

为改善轮毂质量，本文在低压铸造的基础上做出改进尝试，新工艺拟用较低的压力实现轮毂型腔的充填过程，然后采用较高的压力来推动金属液实现补缩过程，其中的补缩压力约为2～3MPa，最高补缩压力是普通低压铸造工艺的30倍，大大的提升了铸件凝固过程中的补缩能力。

1 有限元模型建立

1.1 三维实体模型

本文选用某型号16英寸铝合金轮毂，利用CATIA软件建立轮毂及铸型三维实体模型，如图1所示：

1.2 网格划分

采用非均匀四面体网格对铸件和铸型的三维模型进行网格划分，在划分网格过程中，对铸件轮辐和轮辋进行局部网格细化划分；铸型则采用较大的网格尺寸，这样既可以保证模拟结果的精度又可以节省模拟时间，单元总数为1150368，节点总数为269329。

1.3 材料热物理参数

轮毂材料为A356，其液相线、固相线温度分别为615℃、577℃，材料成分及热力热物理性能参数见表1、表2[6～7]。

铸型材料为H13钢，模具的初始温度为350℃，A356充型温度设定为700℃，模具与铸件之间的热传系数1500W/（m2·K），模具与模具之间的传热系数为3500 W/（m2·K），铸件与冷却介质之间传热系数为25 W/（m2·K）[8～9]。

2 模拟结果与分析

充型及凝固过程压力设置为0.08MPa，凝固总时间270S，冷却方式为自然条件下冷却。该工艺条件下的收缩缺陷分布如下图2所示，

分析图a），在轮毂内轮缘部位、轮辋与轮辐连接部位、轮盘中心部位均有部分区域的残余熔体模数值小于0.3，而当某一部位的残余熔体模数值较低时则很容易出现收缩缺陷；分析图b），在以上几个部位均出现高亮区，这就表示这些地方出现缩孔缩松的概率会非常的大，而且在轮辋与轮辐连接处缺陷出现的可能性最大，对该部位缩孔缩松缺陷面积大小进行统计分析可知，平均缺陷半径达到12.515mm。

3 工艺优化方案

3.1 补缩压力优化

铸件成形过程中导致收缩缺陷出现的原因有很多，补缩压力就是最主要的影响因素之一。针对低压铸造工艺补缩压力偏低的特点，本工艺将凝固过程中的补缩压力增强至2MPa，以提高中心浇口高温金属液对热节部位的补缩能力。对本次改进工艺进行仿真模拟，除了浇口处补缩压力增加至2MPa以外，其余参数与上一节低压铸造工艺参数相同，其模拟结果如下图3所示。

分析图3a），增加补缩压力使得内轮缘部位、轮盘部位的残余熔体模数明显提高，轮辋与轮辐连接处也有改善；分析图3b）云图，内轮缘部位、轮辋与轮辐连接处、轮盘中心部位的收缩缺陷出现的概率均显著降低。对轮辋与轮辐连接处的缩孔缩松缺陷面积大小进行统计分析可知，平均缺陷半径为7.054mm，相比低压铸造工艺减小了5.461mm。

3.2 冷却工艺优化

由于本款轮毂的内轮缘部位、轮辋与轮辐连接处都较为厚大，在自然冷卻条件下容易形成热节，导致出现缩孔缩松缺陷。本节在第一次工艺改进的基础上，在内轮缘部位和轮辋与轮辐连接处添加强制冷却条件，以消除热节达到顺序凝固条件。冷却管道分布如下图4所示。

模拟结果如下图5所示。从图5可知，通过添加冷却条件各热节部位的缩孔缩松缺陷均得以消除，轮毂铸件的质量得到显著改善。另外，本次仿真凝固总耗时约为210s，相比初始低压铸造工艺降低了60s，添加的强制冷却条件加快了轮毂各个厚大部位的冷却速率，使得生产效率显著提高。

4 结论

1）仿真结果表明，该款轮毂采用初始低压铸造工艺成形时在内轮缘部位、轮辋与轮辐连接处以及轮盘中心部位都会出现明显的缩孔缩松缺陷。

2）第一次工艺改进将补缩压力提升至2MPa，使得内轮缘部位、轮辋与轮辐连接处以及轮盘中心部位的收缩缺陷出现的概率显著降低，缺陷面积明显减少。这表明增大补缩压力显著的改善了铸件的性能。

3）第二次工艺改进在第一次工艺改进的基础上在热节部位添加强制冷却条件，完全消除了初始工艺中出现的缩孔缩松缺陷，铸件凝固时间也大幅减小，生产效率显著提升。

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