摘要：以某轮毂为基准，采用 UG 软件对轮毂模具进行设计。 以 A356.0-T6 铝合金作为轮毂轻量化材料，应用有限元技术，建立轮毂的挤压铸造模型，对铝合金轮毂压铸充型工艺进行数值模拟，并验证了铝合金轮毂铸造工艺设计的合理性。
关键词：有限元技术； 铝合金轮毂； 铸造工艺； 模具
0 引言
铝合金因其密度小，强度高，可塑性好，导热性能好和易加工性而被广泛应用于航空、航天、机械制造、船舶等一类有色金属结构材料中。 采用铝合金制造的轮毂重量较钢轮毂轻得多， 且具有能耗低，散热快，坚固耐用且寿命较长等特点，适合现代行业发展的要求，但是铝合金轮毂的铸造也存在着成形难以控制，铸造缺陷较多等问题，严重限制其在轮毂上的应用。随着计算机技术在产品设计和制造中的应用与发展，新产品的开发和制造能力得到显著提高，建立工程计算模型并通过铸造数值模拟软件对铸造工艺进行模拟分析，设计合理铸造工艺参数，可有效地降低铸造缺陷产生概率、缩短产品开发周期、提高产品设计质量、降低产品生产成本。
1 轮毂结构及其模具设计
1.1 轮毂材料及结构
A356.0-T6 铝合金是典型的 Al-Si-Mg 系合金，具有良好的铸造性能，并且强度、屈服强度与可塑性等综合力学性能都很好，可满足轮毂尺寸精度与外观设计等要求，比其他型号的铸造铝合金更适合轻合金轮毂的制造要求。如表 1 与表 2 所示分别表述了 A356.0-T6 铝合金的组成元素及含量、热熔融性能与物理机械性能。
1.2 轮毂模具设计
由于轮毂中有沉孔和凹坑的存在，使铸型分型面无法与铸件完全相交，很可能引起模具体积块分割失败，如果采用传统的分型面方法，需要对分型面上沉孔和凹坑作修补才能达到分型面闭合的目的。本文则采用侧面影像曲线方法来提取零件的最大轮廓线，在创建形成轮辐及风孔的上下箱分型面时，需要在轮毂三维模型内部创建一个与轮毂轮圈壁相切的辅助曲面，以确保上下箱开合时不会发生干涉，同时在设计该曲面时还要考虑拔模斜度的影响，否则模具的分离会失败。 用该曲面与风孔的内侧面以及轮辐的上顶面组合，生成分型面。 这样生成的分型面不必通过补面就已经闭合，简化了分型面的建立过程，提高了轮毂开模状态分型面的设计效率。
要确定轮毂模具方案，首先应根据轮毂三维模型来确定模具的外形尺寸， 并考虑轮毂轮圈不规则的轮廓表面以及中空的结构特点和数控加工的可行性。 依据轮毂的结构，考虑采用 2 个分型面，把铸模分为 4 个模具， 在铝合金轮毂圆周外表面创建 1/2曲面，可在已生成的曲面 1/2 曲面上进行添加、组合等得到符合要求的分型面， 然后通过旋转操作得到2 个 1/2 圆周模具， 其中 2 个圆周模具用作生成轮毂轮辋外圆周表面， 另外 2 个模具用作生成轮毂轮辐的上下型箱。如图 2 所示为轮毂模具的装配模型。
2 有限元模型建立
铸件凝固是一个复杂的物理化学变化过程，这期间伴随有热量产生及传递、动量传输、质量传递等一系列物理化学过程相互耦合在一起。需要通过求解 Fourier 方程、 连续性方程、 质量传输方程和N-S 方程等来描述铸件的冷却凝固过程，将上述描述各类现象的控制方程耦合到一起求解，对计算成本和系统要求相当高，目前难度非常大。 在符合生产实际工况的前提下，将工程问题和模型作简化处理，忽略对仿真结果影响不大而对模型计算收敛性和计算时间影响较大的细节问题，把主要精力放在数理方程、边界条件、有限元计算上。本文对轮毂铸造过程做如下基本假设：
（1）不考虑金属液的液固相界面推移，考虑边界处的换热和潜热；
（2）铸件的充型时间非常短，假设铸型是瞬时充满的，只需求解温度场即可；
（3）金属液在注入铸型后瞬间开始凝固；
（4）忽略金属液的过冷。
2.1 传热模型
液态熔融金属在充型和凝固过程中， 铸型和熔融金属之间传热方式主要有通过熔融态金属与铸型间热传导、对流换热和热辐射 3 种传热方式。热传导控制方程凝固过程中传热过程的复杂性凝固过程传热模型是铸造研究的重点， 液态熔融金属在充型和凝固过程中， 铸型 / 熔融态金属间以三维不稳定传热方式进行热传递， 以 Fourier 控制方程表示：
在铸型充型过程中， 模型求解采用的算法是SOLA-VOF ，它由解法（ Solution Algorithm ）和体积函数法（ Volume of Fluid ） 2 部分组成。 解法用于迭代求解单元的速度与应力场的求解，而体积函数法用于处流动自由表面的推进变化的求解。
3 模拟结果与讨论
对铸型三维实体模型网格后，将铸型的充型速度设为 0.5 m/s ，铝合金液温度设为 850 ℃ ，铸模温度设为 400 ℃ ，充型压力设为 20 MPa ，采用底注式浇注，通过模型 SOLA-VOF 算法求解，获得在不同时刻下轮毂填充状态及充型速度场分布组图如图3 所示。 由上述充型模拟过程可以看出，在充型速度为 0.5 m/s ， 需要 7.273 3 s 的时间完成轮毂的填充。 铝合金液从中心浇道进入轮辐，再经轮辐充填型腔， 然后铝合金液会在轮毂下边对接处汇合，需要在该位置处设计溢流槽装置，用于含夹杂、气泡较多，温度较低的铝合金液。充型方式采用层叠，这种充型方式会将气泡、杂质等驱赶至轮圈上边缘的溢流槽。 在轮毂整个充型过程中，在轮毂相交过渡处金属液流速相差不大，不会引起过于剧烈撞击而导致紊流，在给定充型速度下整个充型过程中铝合金液充型速度比较稳定，分布均匀，且充型状态良好，因此选择 0.5 m/s 的充型速度是比较合理的。
在给定保压压力为 45 MPa ， 保压时长为 45 s条件下对轮毂件作保压凝固处理，获得如图 4 所示的轮毂凝固过程模拟结果，由轮毂铸件凝固云图可以看出，轮毂铸件凝固温度呈均匀分布，实现了轮毂自上而下从轮缘 - 轮辐 - 轮毂浇口的顺序凝固，这样便于传递压力， 且轮毂铸件采用底注式浇注，有利于轮毂铸件获得良好的补缩，避免轮毂上缘及结构过渡处等关键部位由于不顺序凝固而导致的缩孔、缩松、浇不足等现象和缺陷，从而获得偏析量少且组织致密均匀的轮毂铸件。
4 结语
针对铝合金轮毂的铸造成形难以控制，铸造缺陷较多，本文利用 UG 三维绘图软件对某轮毂铸造模具进行设计，并以 A356.0-T6 铝合金作为轮毂轻量化材料，基于有限元技术对铝合金轮毂压铸成型工艺进行数值模拟。 模拟结果表明： 充型速度为0.5 m/s ，充型压力为 20 MPa ，保压压力为 45 MPa ，保压时长为 45 s 下， 铝合金液充型速度比较稳定且分布均匀，充型状态良好，轮毂铸件凝固温度呈均匀分布，实现了轮毂自上而下从轮缘 - 轮辐 - 轮毂浇口的顺序凝固，从而验证了铝合金轮毂铸造工艺设计的合理性。
参考文献：
［1］赵芳.李国峰.铝合金轮毂低压铸造模具的冷却方法探索.铸造技术，2013.
［2］张辉.万柳军.荆涛.汽车轮毂低压铸造凝固过程模拟研究.特种铸造及有色合金，2015.
［3］张洁.基于计算机技术的镁合金轮毂耐蚀性预测分析.热加工工艺，2016.
论文作者:陈理中
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2017/12/13
标签：轮毂论文; 铝合金论文; 铸型论文; 轮辐论文; 铸件论文; 模具论文; 模型论文; 《基层建设》2017年第27期论文;