大尺寸铝轮毂多浇道铸造工艺的数值模拟_周振.pdf

大尺寸铝轮毂多浇道铸造工艺的数值模拟周振1，卢德宏1，逯东辉2，李贞明2(1.昆明理工大学 材料与科学工程学院，云南 昆明 650093；2.云南富源今飞轮毂制造有限公司，云南 曲靖 655000)摘要：以实际低压铸造生产的A356铝合金大尺寸轮毂铸件为对象，对单浇道、双浇道和三浇道3种浇注工艺方案进行了充型和凝固模拟。根据模拟结果，分别对比了3个工艺方案的缺陷分布情况、充型效率、晶粒半径大小以及卷气情况。结果表明，三浇道工艺不仅提高了轮毂质量，减少了缺陷，而且大大缩短了生产时间，是有潜力的新工艺。关键词：低压铸造；铝合金轮毂；工艺优化；多浇道中图分类号：TG249.2文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)03-0286-07Numerical Simulation of the Multi-runner Casting Process forLarge Size Aluminum HubZHOU Zhen1,LU Dehong1,LU Donghui2,LI Zhenming2(1.School of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;2.Yunnan Fuyuan Jinfei Wheel Manufacturing Co.,Ltd.,Qujing 655000,China)Abstract：The filling and solidification of large-size A356 aluminum alloy hub castings produced by low pressure castingwere simulated for three pouring process schemes,namely,single runner,double runner and triple runner.According to thesimulation results,the defect distribution,filling efficiency,grain radius and entrainment of the three process schemes arecompared.The results show that the triple runner process not only improves the quality of the hub and reduces the defects,but also greatly shortens the production time,which is a potential new process.Key words：low pressure casting;aluminum alloy wheel;process optimization;multiple sprue收稿日期:2022-06-15基金项目:云南省重大科技专项(202102AB080015)作者简介:周振，1996年生，硕士生.研究方向：低压铸造研究.电话：13217412922,Email:通讯作者:卢德宏，1968年生，博士，教授.研究方向：铸造技术研究.电话：13888324279,Email:引用格式:周振，卢德宏，逯东辉，等.大尺寸铝轮毂多浇道铸造工艺的数值模拟J.铸造技术，2023,44(3):286-292.ZHOU Z,LU D H,LU D H,et al.Numerical simulation of the multi-runner casting process for large size aluminum hubJ.FoundryTechnology,2023,44(3):286-292.随着汽车行业的发展，对铝合金大尺寸轮毂的需求不断增多。目前，铝合金轮毂主要采用低压铸造工艺生产1。一般而言，轮毂在低压铸造时往往采用单浇道的浇注系统，但是对于大尺寸轮毂，如50.8 cm以上的轮毂，采用常规单浇道工艺，存在生产效率较低、缺陷较多等问题2-4。如果采用多浇道的浇注系统，不仅能改善轮毂的力学性能，还能提高轮毂的生产效率。赵岩等5研究表明，大型铝合金轮毂低压铸造采用单浇道工艺时，会在热节处产生缩松、缩孔。边雷雷6研究表明，重载车低压铸造铝合金轮毂采用单浇道工艺时，轮毂铸造产生的缺陷会导致轮毂不同部位的力学性能变差。陈玖新等7研究表明，低压双边浇铸可提高车轮轮辐的力学性能，同时满足中高端市场对车轮“大直径、高强度、轻量化”的要求。朱大智等8通过对比双边浇工艺和中心浇工艺生产车轮的轮辐组织及性能，确定了用双边浇工艺生产的车轮轮辐力学性能更卓越，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别提升了12%、10%和66%，且微观组织更致密，二次枝晶间距下降了13%。上述研究表明，双浇道相比于单浇道能改善轮辐的力学性能，本文在常规单浇道工艺的基础上，结合轮毂的数值模拟，提出针对大型铝合金轮毂的多浇道工艺，以提高生产效率，减少铸造缺陷。1实验材料及工艺本实验所用轮毂材料为A356铝合金，其化学成分如表1所示。轮毂直径为620 mm，其三维图如DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2187工艺技术Technology铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.03Mar.2023286 图1所示，轮辐平面较大，轮辋最小壁厚为22 mm，轮辐与轮辋交界处存在孔洞，轮毂主要结构如图2所示。采用ProCAST模拟软件进行铸造充型和凝固模拟。3个工艺方案的铝液充型温度为700，且都经过精炼除气。模具材料为H13，其预热方式为烤模炉加热，预热温度如表2所示，模具冷却方式均为空冷。各界面换热系数如表3所示。1.1单浇道工艺方案图3为单浇道工艺方案示意图。单浇道工艺划分网格后，面网格为117141，体网格为664744。单浇道工艺由上模、下模、侧模、分流锥、底部浇口等结构组成，底部浇口位于下模中部，单浇道工艺的加压曲线如图4所示。充型时，金属液经分流锥分流，填充轮辐，随后填充轮辋，最后将型腔充满。1.2双浇道工艺方案图5为双浇道工艺方案示意图。双浇道工艺划分网格后，面网格为151348，体网格为1478179。双浇道工艺结构由底部浇注优化为侧浇道浇注，该方案由上模、下模、侧模、2个侧模浇口等结构组成，2个侧浇口对称分布于轮辐与轮辋的交界处。该方案的模拟参数与单浇道保持一致，只将单浇道工艺结构优化为双浇道工艺结构。充型时，金属液通过2侧浇口流入到型腔内部，随后填充轮辐，将轮辐充满后向上填充轮辋，最后将型腔充满。1.3三浇道工艺方案图6为三浇道工艺方案示意图。三浇道工艺划分网格后，面网格为159778，体网格为1543193。三图4加压工艺曲线Fig.4 Pressurization process curve图1轮毂三维图Fig.1 3D view of the wheel hub图5双浇道工艺方案示意图Fig.5 Schematic diagram of the double runner process图6三浇道工艺方案示意图Fig.6 Schematic diagram of the triple runner process1-内轮缘；2-轮辋；3-外轮缘；4-轮辐图2轮毂结构图Fig.2 Structure diagram of the hub图3单浇道工艺方案示意图Fig.3 Schematic diagram of the single runner process表1 A356铝合金的化学成分w/%Tab.1 Chemical composition of A356 aluminum alloySiMgFeCuMnZnTiSrAl6.57.5 0.30.45 0.12 0.1 0.05 0.05 0.2 0.010.02余量表2不同种类模具温度Tab.2 The temperature of different types of molds模具种类上模侧模下模预热温度/440420460表3面换热系数Tab.3 Heat transfer coefficient of the interface界面铸型-金属液铸型-大气传热系数/(Wm-2K-1)1 00020铸造技术03/2023周振，等：大尺寸铝轮毂多浇道铸造工艺的数值模拟287 图7铝合金轮毂单浇道工艺缩孔缩松分布图：(a)缩孔缩松模拟图，(b)缩孔缩松实物图Fig.7 Distribution of shrinkage porosity and porosity in the single runner process of the aluminum alloy wheel bub:(a)simulatedimage,(b)actual image图8多浇道缺陷图：(a)双浇道工艺，(b)三浇道工艺Fig.8 Multi-runner defect diagram:(a)double runner process,(b)triple runner process浇道工艺方案是单浇道方案和双浇道方案的结合，该方案由上模、下模、侧模、分流锥、底部浇口、2个侧模浇口等结构组成，底注浇口位于下模的中部，2个侧浇口对称分布于轮辐与轮辋的交界处。模拟参数方面，三浇道两侧模浇口的压力与双浇道工艺保持一致，仅将底部浇口的压力相比，单浇道工艺在充型阶段提高2 000 N/mm2。该工艺能使底部金属液先将轮辐填充完，随后底部金属液在两侧浇口与轮辋相交处和侧模浇口的金属液相遇，极大地避免了金属液的对流。2不同工艺模拟结果分析2.1不同工艺缺陷分布对比缩孔缩松是由于在逐层凝固方式下外层凝固后内部仍未凝固，而后当内部金属液凝固时，外部已无法给予补缩，最终形成空洞9。Niyama判据是日本Niyama比较3种尺寸、5种成分圆柱形铸钢件的缩孔缩松分布状况，发现的一种用于预测铸件缩孔，尤其是缩松的判据10。Niyama的研究表明，铸件凝固终了时的温度梯度G与冷却速度R二次方根的比值G/R是最能反映铸件内部缩孔和缩松分布的函数值。当G/R值小于某一临界值时，在该区域内就会产生缩孔和缩松缺陷，且在所研究的范围内该临界值与合金成分、铸件形状和尺寸无关11。目前MAGMA、FTSolver及ProCAST等铸造模拟软件都采用Niyama判据法来预测铸件的缩孔缩松，取得了一定的效果12-14。2.1.1单浇道工艺的缺陷分布单浇道工艺凝固时，轮辋处的凝固场随温度降低呈梯度下降，轮辐上的孔与下模接触，下模温度低于金属液温度，使得孔下方金属液的冷却速率大于孔上方金属液，孔内侧金属液的冷却速率大于孔外侧，导致孔与孔之间的金属液相对于孔周围的金属液晚凝固，从而产生缩孔缩松。随后轮辐凝固时，冷却速率快且面积大，轮辐中部先于轮辐与轮辋交界处和轮心处凝固，一方面阻断了轮辐与轮辋交界处金属液的补缩通道，另一方面轮辐靠近轮心周围的位置能得到补缩，远离轮心部位得不到补缩而产生细小的缺陷。图7显示了单浇道工艺的缩孔缩松分布情况，经软件计算得到单浇道工艺的孔隙体积为3.8 cm3。模拟得到的缺陷位置与实际生产的轮毂缺陷位置相符，轮辐与轮辋的孔与孔之间出现较大缺陷，轮辐大平面出现细小、分散的缺陷，严重影响轮毂的质量。2.1.2多浇道优化工艺后的缺陷分布针对单浇道工艺充型较慢且存在较多的缺陷的问题，提出了多浇道的优化工艺，探究多浇道对轮毂缩孔缩松的影响，最终减少或消除缺陷，得到最优的工艺。根据缺陷位置及大小对工艺参数进行改进，在原工艺的基础上提出双浇道工艺和三浇道工艺，并进行模拟。图8为工艺改进后多浇道的缺陷分布图。经软件计算得到双浇道工艺的孔隙体积为56.9 cm3。从图8(a)可以看出,轮辐大平面的细小缺陷基本消除，Vol.44 No.03Mar