铝合金飞轮壳的低压铸造工艺分析

闫泽双 马胜煜 辛立刚 张桂昌

1.烟台海德专用汽车有限公司 山东烟台 264000

2.汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430056

3.中国民航大学 天津 300300

飞轮壳是车辆动力系统中极其重要的动力输出零部件，也是至关重要的承受载荷的部件，在小型扫路机上，飞轮壳安装于车架体和发动机之间，直接承受来自发动机的倾覆力矩，且飞轮壳上安装有启动机及变量泵。飞轮壳的好坏直接影响了扫路机动力输出系统的可靠性及稳定性，尤其使用铝合金材质的飞轮壳，在铸造过程中难免出现铸造缺陷，影响结构的疲劳性能。

本文的研究对象为某小型扫路机的发动机飞轮壳，供方已经对此飞轮壳开模，试制之后发现飞轮壳的悬架连接点等有比较大的缩松。因此笔者团队针对此模具进行了相关铸造分析，依据仿真结果改进模具结构以期获得良好的铸造件品质，保证零部件可靠性。

1 飞轮壳及缺陷介绍

飞轮壳的结构比较复杂，属于典型的薄壁壳体结构。由于需要在飞轮壳上安装变量泵，飞轮壳的一侧整个悬空在外，对结构刚度影响非常大，加工过程中易产生变形，尤其悬外部分与底部定位面的连接外置，截面积发生突变，不合理的结构会导致此位置产生应力集中。在受到异常振动和颠簸时，应力易超出材料极限，从而发生开裂。飞轮壳与车架体的连接位置属于发动机悬置点，此位置直接承受发动机重量以及动力输出时的倾覆力矩，是一个大的载荷承受点，设计强度不足时，易开裂，直接影响扫路机的行车作业安全。通常情况下，此种飞轮壳采用钢板折弯拼焊的方式进行制作，需要复杂的焊接工装保证焊接变形量，焊接后再进行机加工，制作周期长，飞轮壳重量大。

本课题的飞轮壳，其结构如图1所示，薄壁零件，平均壁厚仅为6 mm，重量为4.5 kg，轮廓尺寸为354 mm×434 mm×97.6 mm，材料采用AlSi7Mg0.3合金。

图1 飞轮壳

该飞轮壳使用低压铸造工艺生产，开模后进行零部件试铸，试铸之后在加工连接孔时发现内部缺陷，并对发现缺陷位置进行了线切割，切割后零部件的缺陷如图2所示。

图2 缺陷图片

2 飞轮壳铸造工艺仿真

利用Procast对飞轮壳建立铸造仿真模型，将简化后的模具三维数模，以.xt的格式导入到Procast，建立曲面，封闭铸造型腔。生成模具及铸造毛坯两个实体，设置面网格及体网格尺度；生成面网格，并对面网格进行检查，修复面网格。之后以面网格为基础生成体网格，共生成3164585个体网格。

进入cast LPDC模块，进行低压铸造相关参数设置。包括场设置，各体积的类型、材质设置、初始温度，各交界面换热条件设置，浇铸边界条件（浇铸速度、压力、方向等），计算参数设置等，如图3所示。计算前进行模型设置的检查，无报错后进行浇铸计算、零部件凝固计算、高级缩松缩孔计算。其中模具采用通用模具钢H13，飞轮壳采用AlSi7Mg0.3合金，模具温度设置为325℃，合金液温度设置为725℃，在15 s内匀速充型，充型后以15 kPa的绝对压力保压，室温冷却。

图3 LPDC设置页面

建立仿真模型后进行仿真计算，最终得到零部件的整个充型和冷凝过程如图4所示，整个冷凝的过程中模具上设置的补缩块起到了良好的补缩作用，在充型后到充型后50 s内未在零部件本体上发生独立液相区。

通过观察整个冷凝过程，发现在充型后的50.767 s时零部件本体出现独立液相区，其发生的位置正是缺陷A区域，其独立液相区的细节图片如图5所示。该区域金属液与浇铸口金属液不连通，与补缩块的金属液也不连通，在冷凝时得不到金属液补充，出现缩松。在充型后52.676 s时零部件本体再次出现一个独立液相区，其发生位置正是缺陷B区域，其独立液相区的细节如图5所示，该区域冷凝时得不到金属液的补充，出现缩松。

消除独立液相区可以通过加快独立液相区冷却速度或者减慢补液端冷却速度的方式进行，发生独立液相区的位置位于飞轮壳悬架点的连接位置，此处位置需要加工连接螺纹，对强度有一定的要求，因此通过减薄零部件结构实现加快独立液相区冷却的方式不太可取，考虑加大补缩块的体积来减慢补缩液端的冷却速度，从而消除零部件本体上的独立液相区。

原A区域补缩块厚度为25 mm，长度为34 mm，原B区域补缩块厚度为28 mm，长度为30 mm。为减慢补缩块金属液的冷却速度，将A区域的补缩块厚度增加为45 mm，长度增加为65 mm，B区域补缩块厚度增加为45 mm，长度增加为84 mm，更改前后的对比如图6所示。对更改后的模型重新建立仿真模型。

其余工艺参数/网格尺度不做调整，对模型重新划分网格，最终得到3166189个体网格，使用同样的计算参数进行仿真计算，得到改进后的充型和冷凝过程，观察冷凝的过程，未发现在零部件本体上出现独立液相区，充型50 s前后A区域和B区域的冷凝细节情况如图7所示。

图7 改进后模具浇铸展示

根据分析结果，改制模具，加大A区域和B区域的补缩块体积。

3 应用改制后的模具试铸

按照分析结果，金属液温度控制在(725±5)℃，模具温度控制在（325±20）℃，充型时间控制在15 s，保压压力设定在1.5 bar，浇铸现场图片及毛坯图片如图8所示。

图8 浇铸现场及毛坯

对试铸的零部件A区域和B区域进行线切割处理，切割后的截面如图9所示。可以观察到A区域和B区域的缩松问题得到很好的解决，剖切面组织良好致密。

图9 新铸件AB区域截面

4 结语

应用Procast可以有效地仿真低压铸造零部件充型及冷凝过程，快速定位零部件本体上的独立液相区，通过调整补缩块体积，调整局部冷却顺序，消除零部件本体上的独立液相区，从而达到消除缩松的目的。