趙  巖  王玲娟  李秀榮  臧  勇

 （宿遷學院機電工程學院）

摘要針對大型鋁合金輪轂低壓鑄造過程中在熱節處產生的縮松、縮孔問題，提出改變模具溫度和模具厚度的方法消除缺陷，但對“孤立熔池”現象影響較小。為此在以上兩種優化工藝的基礎上，又在對應產生缺陷部位的模具上加設水冷管。結果表明，該方法不僅使輪轂實現順序凝固，消除了輪轂厚大部位的缺陷，還提高了輪轂的冷卻速度，縮短了生產周期。

關鍵詞  低壓鑄造；溫度場；數值模擬；水冷工藝

中圖分類號  TG146. 21;  TG249.2；U463. 343DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 015

 目前大型鋁合金輪轂的生產多為鍛造，生產成本較高，若采用低壓鑄造，則可節約成本。但低壓鑄造設備中模具形成一個封閉型腔，內部的流場和溫度場很難觀察和研究，且輪轂尺寸大、壁厚不均勻，容易產生缺陷。為了能夠深入了解模具內部鑄件充型和凝固過程流場和溫度場的變化，優化生產工藝，以改進鑄件的質量，采用了計算機數值模擬的方法，根據不同的鑄造生產情況和工藝要求優化澆注系統，以實現提高鑄件質量的目的。

1  凝固過程的數學模型

1.1材料及初始條件

 輪轂材料為A356合金，模具材料為鑄鐵。若澆注溫度過高，容易造成局部氧化、熱裂、跑火等缺陷；澆注溫度過低，鋁液會在冒口處凝固，堵塞澆注通道。根據生產要求，鑄件的澆注溫度設置為670℃。對于模具溫度的確定，要考慮到模具溫度過高，會產生粘模現象，鑄件變形，生產周期變長；模具溫度過低，金屬液充不滿，降低模具壽命，鑄件開裂。所以采用的模具溫度：上模的初始溫度為370℃，側模和下模溫度均為400℃。

1.2傳熱系數的確定

邊界條件計算公式為：

 根據式(1)計算得出了不同的接觸面間的傳熱系數：模具與自然冷卻介質之間的傳熱系數為25 W/(m2．K)；模具與壓縮空氣之間的傳熱系數為500 W/(m2．K)；模具與冷卻水之間的傳熱系數為8 000 W/(m2．K)。

 由于低壓鑄造過程中當鋁液從開始凝固到脫模期間，鋁液因凝固收縮而在模具與鑄件之間產生間隙，使模具與鑄件之間的傳熱能力下降。為了更好地體現模具與鑄件之間的界面傳熱情況，則模具與鑄件之間的傳熱系數根據溫度的不同而改變，在25、540、560、700℃時，其傳熱系數分別為50、50、270、270 W／(m2．K)。

2  鑄件充型過程的數學模型

 金屬液流動過程遵守質量、動量、能量守恒關系。

對于不可壓縮流體，連續性方程（質量守恒定律）為

 流體運動過程中也遵守能量守恒，當流體不可壓縮時，在三維坐標系下表示為

3  凝固過程數值模擬和試驗驗證

 采用Pro CAST軟件模擬鑄件的充型和凝固過程，主要觀察鑄件凝固過程的溫度場變化。對于厚大鑄件而言，假設凝固過程數值模擬是建立在“瞬時充型”的基礎上是合理的，但對于薄壁鑄件，這種假設會有較大的誤差。由于模擬的大型輪轂屬于厚大鑄件，為了節約模擬時間，采用瞬時充型的方法模擬鑄件凝固過程。

 鋁合金輪轂大小為18英寸(145. 72 cm)，由于鑄件的對稱性，只截取計算機模擬圖的1/4進行觀察。圖1為大型鋁合金輪轂充型和凝固過程中不同時刻的溫度場分布圖。可以看出，輪轂在凝固過程中溫度場并不呈階梯分布，說明輪轂較厚部位凝固速度比較慢，先凝固的輪輻阻止了中心澆口鋁合金液向輪轂較厚部位的補給，故該部位最易產生縮松、縮孔、裂紋等缺陷。

 Pro CAST軟件模擬顯示的輪轂產生縮松部位見圖2。實際生產鑄件在交界處產生縮松的X射線探傷圖見圖3。數值模擬顯示，產生缺陷的位置與實際檢測有缺陷的部位相同。

4模具溫度修改方案

4.1  改變模具溫度

 根據原有工藝模擬的結果可以看出，輪輞和輪輻交接處出現“孤立熔池”。為了使交接處的合金液凝固速度加快，消除“孤立熔池”，實現鑄件順序凝固，考慮通過改變模具溫度，加快鑄件與模具之間的熱傳遞。要想加快輪轂的輪輻和輪輞交接處較厚大部位所接觸的冷卻速度，應加快該部位與上模和側模之間的熱交換，因此采用降低側模和上模溫度的方法。為保證模具的使用壽命，更改后的各模具溫度差盡可能的小。對于下模而言，由于其溫度較上模和側模的溫度高，所以下模溫度在上模和側模溫度降低的基礎上，可以保持溫度不變。更改后的模具溫度：上模為320℃，側模為350℃，下模為400℃。

4.2  改變模具溫度后模擬結果及分析

 改變模具溫度前后鑄件的溫度分布見圖4和圖5。可以看出，改變模具溫度雖然縮短了凝固時間，減小了“孤立熔池”的區域，但并不能使其完全消除。因此改變模具鑄造時的初始溫度，對鑄件“孤立熔池”影響很小。

5  模具厚度修改方案

5.1  改變底模厚度

 增加下模厚度，相當于在下模上放置冷鐵，加速了下模的冷卻，交接處更得不到冒口金屬液的補縮，所以不宜采用增加模具厚度的方法。為此，又在方案1的基礎上，減少下模的厚度，減慢輪輻與下模之間的熱交換，使交界處能夠得到冒口金屬液的補縮，減少縮孔、縮松的產生。初始下模厚度為40 mm，優化后，下模厚度為35 mm，圖6為下模厚度減小后的二維圖。

5.2減小下模厚度后模擬結果分析

 圖7為減小下模厚度后的數值模擬結果。從模擬結果可以看出由于減小了下模厚度，降低輪盤的冷卻速度，使孤立區域的面積減少，但是仍然沒有消除“孤立熔池”，而且鑄件的冷卻時間變長，延長了鑄件生產周期，所以該方案不可取。

6  加設水冷管修改方案

6.1  冷卻工藝

 (1)冷卻水開啟時間的確定根據數值模擬鑄件溫度場，很難掌握鑄件的溫度與時間的關系，為此在數值模擬的鑄件內部選取5個具有代表性的位置進行研究，見圖8。圖9為5個位置對應的溫度變化圖。鋁合金的固液相凝固區間在556～616℃，根據鑄件溫度變化曲線圖獲得的溫度數據，計算鑄件的5個位置在556～616℃的溫度范圍內對應的冷卻速度分別為：

 單獨取出輪轂交接處溫度變化曲線見圖10。可以看出鋁液在凝固過程中，從20 s時開始進入固液相凝固區間(556～616℃)，由于冷卻介質與鑄件之間有一段距離，冷卻介質起到冷卻作用需要一段時間。對于要提前多長時間開啟冷卻水，要根據數值模擬結果來判斷。從圖10可以看出，冷卻水從開啟到對鑄件起到冷卻作用所需時間為10 s。由此確定了冷卻水的開啟時刻為70 s。

 (2)冷卻水持續時間的確定  從圖10可以看出，鋁合金從液相線冷卻到固相線所需時間為80 s，由此所采用的冷卻持續時間為80 s。

 (3)冷卻管道位置的確定  根據計算結果可以看出由于輪輞與輪輻交接處較厚，所以在冷卻過程中冷卻速度比輪輻慢，凝固時得不到冒口金屬液的補充，最終在該處產生縮孔、縮松缺陷。針對該部位冷卻速度較慢的問題，為加快其冷卻速度，在該部位對應的模具上加設水冷管道。由于側模是分開成4部分，不是一個整體，若在側模上開設水冷管道，則管道不連續，輪轂的交接處冷卻不均勻，所以冷卻管道開在輪轂交接處對應的上模上，水冷管加設位置見圖11。

 (4)冷卻管道大小的確定  為了滿足冷卻管道的加工、安裝和鑄件冷卻范圍等要求，所用的冷卻管道寬和高均為15 mm。

6.2加設冷卻水管的模擬結果分析

 圖12為加設水冷管后的數值模擬結果。從結果可以看出，溫度場呈階梯分布，交接處的冷卻速度加快，鑄件從上至下順序冷卻。所以方案3的工藝較好，消除了輪轂交接處縮孔、縮松的產生。

6.3  力學性能分析

 取實際生產輪轂輪盤處的材料試樣進行力學性能測試。表1為本研究輪盤力學性能及國外某大型輪轂的輪盤力學性能標準。將兩者進行對比得出，抗拉強度和屈服強度達到要求，且伸長率高于國際標準。

6.4金相組織分析

 取輪轂加設水冷部位的試樣進行微觀組織觀察。圖13為優化后輪轂輪盤的金相圖，圖14為國外生產某輪盤的金相圖。經過對比可以看出優化后工藝生產的輪轂輪盤的晶粒達到要求。

7  結  論

 (1)根據分析大型輪轂的凝固過程數值模擬結果，獲得鑄件產生缺陷的原因，通過采用降低模具溫度和減小模具厚度的方法消除“孤立熔池”，但效果不顯著。

 (2)采用在對應產生缺陷部位的模具上加設水冷管的方法，使鑄件順序凝固，消除了“孤立熔池”，獲得的鑄件質量較好。