原標題：包頭冶金建研院&包頭稀土研究院：稀土鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝數(shù)值模擬研究

新能源汽車作為重要戰(zhàn)略性新興行業(yè)，是我國最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾I(lǐng)域之一。研究表明，汽車輪轂輕量化能大幅度提高車輛的續(xù)航里程、操控性能、加速剎車性能及乘坐舒適度。鎂合金是比鋁合金在汽車輕量化更有效果的材料，在比強度和比剛度上均高于鋁合金和鋼鐵。

現(xiàn)有鎂合金輪轂主要采用鍛造法和鑄造法生產(chǎn)。鍛造輪轂的晶粒流向與受力的方向一致，其強度、韌性與疲勞強度均顯著優(yōu)于鑄造輪轂。但鍛造輪轂的缺點是整套工藝周期和流程長、投資成本巨大，且鎂合金棒坯良品率較低、棒坯產(chǎn)能受限，同時生產(chǎn)成本比鑄造輪轂高。故目前國內(nèi)外鎂合金鍛造輪轂仍處于工藝摸索或小批量試產(chǎn)狀態(tài)，其產(chǎn)品主要投放使用在賽車及高端車輛上，市場普及率低。鎂合金輪轂的鑄造成形工藝有重力澆注、高壓壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造和電磁泵低壓鑄造等，近年來國內(nèi)一些研究單位對鎂合金輪轂鑄造成形工藝開展了大量研究。

有研究者開展了擠壓鑄造研究，利用數(shù)值模擬軟件對側(cè)向澆注和中心澆注的AM60B鎂合金摩托車輪轂鑄件進行了模擬，通過對金屬充型過程的可視化觀察及分析表明，中心澆注系統(tǒng)更為合理。進一步對優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)進行凝固過程模擬和缺陷分析，發(fā)現(xiàn)鑄件縮孔縮松和卷氣傾向明顯減少，改善了鑄件品質(zhì)，優(yōu)化了鑄造過程。針對輪轂工業(yè)結(jié)構(gòu)設計特點，應用ProCAST軟件對輪轂的重力鑄造、壓鑄成形方式進行了CAE仿真對比分析。發(fā)現(xiàn)鑄件的內(nèi)圈結(jié)構(gòu)限制了其采用重力鑄造的可行性，因其在內(nèi)圈和邊緣將產(chǎn)生較多的縮孔、縮松。經(jīng)過澆注系統(tǒng)改進后，采用壓鑄能有效解決重力鑄造過程中出現(xiàn)的縮松、縮孔問題。依據(jù)壓鑄CAE結(jié)果，設計了相應的壓鑄模具，模具結(jié)構(gòu)簡單實用。進行了低壓鑄造鋁合金輪轂模具熱變形的數(shù)值模擬，針對模具高溫變形影響低壓鑄造鋁合金輪轂尺寸精度的問題，通過數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方式，揭示低壓鑄造過程中模具的變形規(guī)律。通過重力鑄造試制了鎂合金（AM60B）汽車輪轂，分析了合金成分及工藝的影響。試制過程中出現(xiàn)的主要缺陷是輪緣、輪輻裂紋，輪轂縮松等。試制中敏感的影響因素有：模具溫度及其均勻性、抽芯時間、澆注溫度、內(nèi)澆口進液均衡性、涂料厚度等。在采取措施控制以上各工藝因素的基礎上，確定了克服多種缺陷的優(yōu)化工藝條件。

目前有關(guān)低壓鑄造鎂合金輪轂的研究報道很少，主要受限于現(xiàn)有材料牌號、成形原理和裝備匹配等多方面原因。本研究選取力學性能良好且常用鎂合金牌號的AZ91D+0.1%La進行汽車輪轂低壓鑄造成形、凝固過程數(shù)值模擬，研究不同澆注溫度、澆注壓力、模具溫度情況下的輪轂成形性能，旨在為相關(guān)零件生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

對車用輪轂進行三維幾何建模，見圖1。幾何模型下部區(qū)域為輪轂的澆注系統(tǒng)：由豎直向上的直澆道組成，其決定了澆注過程的充型狀態(tài)及溫度場分布，是影響輪轂質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。幾何模型的上部區(qū)域為輪轂區(qū)，在充型過程中尤其要保證該部分充型平穩(wěn)，減少卷氣以及湍流的產(chǎn)生。網(wǎng)格劃分采用軟件自帶的mesh模塊進行，對三維圖形進行面缺陷、體重復檢查，面、體都無缺陷。重復后對模具部分、輪轂部分單元格尺寸分別設置為10 mm、2 mm，面網(wǎng)格形式設置為Quad，設置完成后生成面網(wǎng)格。面網(wǎng)格檢查無缺陷后生成體網(wǎng)格，最終面網(wǎng)格、體網(wǎng)格數(shù)分別為488 298、19 422 749個。該網(wǎng)格劃分方案下網(wǎng)格生成后的效果圖見圖1。

在常規(guī)低壓鑄造輪轂過程中，鑄造工藝參數(shù)如澆注溫度、模具溫度以及鑄造壓力等與輪轂的品質(zhì)緊密相關(guān)。針對這些因素設計了3因素4水平的正交試驗設計，見表1。對不同參數(shù)下輪轂低壓鑄造過程進行數(shù)值模擬，研究輪轂鑄造壓力及溫度場的分布規(guī)律，并對其質(zhì)量進行分析。

圖1 輪轂幾何模型及網(wǎng)格劃分

表1 3因素4水平正交試驗設計

選取DY-1、2、3、4試驗方案進行澆注溫度對低壓鑄造過程影響的研究。圖2為不同澆注溫度時低壓鑄造輪轂的充型模擬結(jié)果，可以看出，不同澆注溫度下模具的充型保持平穩(wěn)流動，沒有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個充型順序保持一致。

選取4種試驗方案下輪轂的總縮孔縮松概率［Total shrinkage porosity （TSP）］、凝固時間（Time to solidus）對輪轂的鑄造缺陷進行對比分析，見表2。可以看出，隨著鑄造溫度增加，輪轂凝固所需時間不斷延長。同時比較4種澆注溫度工藝制度下的縮孔縮松分布情況，DY-3縮孔縮松結(jié)果最優(yōu)，這是因為DY-3充型結(jié)束時的溫度較高，凝固過程中可以更好地進行補縮，故而縮孔縮松最少。

圖3為不同澆注溫度下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松結(jié)果。從圖3a~圖3d中可得，不同澆注溫度的縮孔縮松出現(xiàn)位置分布基本一致，主要集中在輪輞位置。輪輞位置由于輪轂壁厚較薄，在金屬型的強烈激冷作用下，該部分率先凝固，使得凝固后期即使在壓力作用下也無法從澆口處得到足夠的金屬液，因此容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。比較圖3i~圖3l可知，隨著TSP的不斷增加，輪轂的縮孔縮松位置不斷減少，表明輪轂凝固過程中缺陷最有可能出現(xiàn)的位置集中在輪輞與輪輻連接處。

圖2 不同澆注溫度下低壓鑄造輪轂的充型過程

表2 不同澆注溫度下輪轂凝固及縮孔縮松參數(shù)

圖3 不同澆注溫度下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松情況

圖4為不同澆注壓力時輪轂的充型模擬結(jié)果。可以看出，不同澆注壓力下模具的充型保持平穩(wěn)流動，沒有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個充型順序保持一致。不同充型壓力下充滿整個模具的時間分別為3.60、2.25、1.69 s，低壓鑄造壓力的升高可顯著提高充型速率。在充型結(jié)束時刻，輪轂一些部位開始降溫且有低于固相線溫度趨勢，產(chǎn)生缺陷概率增大。

表3為不同澆注壓力下輪轂凝固及縮孔縮松分布。可以看出，不同澆注壓力對輪轂凝固所需時間影響不大。澆注壓力對輪轂缺陷的影響主要集中在縮孔縮松的出現(xiàn)概率，隨著澆注壓力的增加輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率不斷增加。故而在保證低壓鑄造順利進行情況下，不適宜提高低壓鑄造的鑄造壓力。

圖5為不同澆注壓力下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松情況。可見縮孔縮松出現(xiàn)位置同樣分布基本一致且主要集中在輪輞位置。提高壓力到0.16 MPa時輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率更大且分布范圍更廣。實際生產(chǎn)過程中應保證順利充型的情況下選擇最小的充型壓力，本模型選擇最小充型壓力為0.12 MPa。

圖4 不同澆注壓力下低壓鑄造輪轂的充型過程

表3 不同澆注壓力下輪轂凝固時間及縮孔率

圖5 不同澆注壓力下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松情況

選取DY-3、DY-7、DY-8等3組試驗方案進行模具溫度對低壓鑄造過程影響的研究。圖6為不同模具溫度時輪轂的充型模擬結(jié)果。可以看出，不同模具溫度條件下模具的充型保持平穩(wěn)流動，沒有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個充型順序保持一致。模具溫度提高，模具充滿時間變化很小，模具溫度對充型速率的影響很小。

不同模具溫度對輪轂鑄造過程的影響主要集中在對輪轂凝固所需時間，表4為模具溫度下輪轂凝固及縮孔縮松參數(shù)，模具溫度由30 ℃提高到300 ℃時，輪轂凝固所需時間增加了300%以上，故而輪轂有足夠的時間進行補縮，縮孔縮松出現(xiàn)概率由88.59%變?yōu)?3.88%，降低了27.89%。但是繼續(xù)提高模具溫度至400 ℃，雖然凝固所需時間繼續(xù)增加，但是在薄壁位置率先凝固導致液體補縮量存在上限。故而在保證低壓鑄造順利進行情況下，可以在保證成本的情況下適當提高模具溫度來降低輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率。

圖7為不同模具溫度下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松情況。縮孔縮松出現(xiàn)位置同樣分布基本一致且主要集中在輪輞位置。但是，模具溫度升高到300 ℃時輪轂在輪輻位置縮孔縮松出現(xiàn)概率降低。這是因為提高模具溫度，輪轂在充型結(jié)束時輪輻位置溫度較高，金屬液可以更好地進行補縮。實際生產(chǎn)過程中可以適當提高模具溫度以降低輪輻位置處的鑄造缺陷。

圖6 不同模具溫度下低壓鑄造輪轂的充型過程

表4 不同模具溫度下輪轂凝固及縮孔縮松參數(shù)

圖7 不同模具溫度下低壓鑄造輪轂的縮孔縮松情況

結(jié)論

（1）隨著澆注溫度升高，充型所需時間縮短，表明澆注溫度升高可提高澆注充型效率。同時，澆注溫度適當提高可降低輪轂的鑄造缺陷。

（2）低壓鑄造壓力的升高可顯著提高充型速率，提高壓力到0.16 MPa時，輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率更大且分布范圍更廣。實際生產(chǎn)過程中要選擇適當?shù)蔫T造壓力。

（3）模具溫度提高，模具充滿時間由3.597 7 s降低到3.59 s，模具溫度對充型速率的影響很小。模具溫度升高到300 ℃時輪轂在輪輻位置縮孔縮松出現(xiàn)概率降低。實際生產(chǎn)過程中可以適當提高模具溫度以降低輪輻位置處的鑄造缺陷。

（4）確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是澆注溫度為720 ℃、低壓鑄造壓力為0.12 MPa、模具溫度為300 ℃。

《稀土鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝數(shù)值模擬研究》

李媛1 何偉2,3 胡文鑫2,3盧宇明3 楊正華2,3
1. 包頭冶金建筑研究院；2. 白云鄂博稀土資源研究與綜合利用全國重點實驗室；3. 包頭稀土研究院

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》