低压铸造铝合金轮毂充型和凝固过程模拟及工艺优化

以实际生产中的铝合金轮毂铸件为例,采用商用软件anycasting和自己开发的低压铸造过程数值模拟软件对其充型过程进行了模拟,并针对铝合金轮毂件的气孔缺陷分析提出了工艺改进方案。经过实际生产验证,有气孔缺陷的产品明显减少,表明数值模拟技术在低压铸造领域中对于改进生产工艺、减少铸件废品等方面具有实际指导意义。

为保证低压铸造铝合金轮毂的品质,对产品在生产过程中的关键特性、重要过程参数、产品特性值的监控和过程能力指数cpk进行了研究,采用minitab软件对过程能力指数进行了计算。针对凸峰直径项目cpk达到2.27,充分发挥测量系统及其检测频次的作用,保证了产品的加工品质要求。

针对细辐条铝合金汽车轮毂的低压铸造过程中,辐条根部容易产生的缩孔缺陷问题,设计了一种点冷却的温度控制方法,并用试验证明了该方法的控制能力。通过辐条处的局部温度有效监测和控制,实现铝合金液由轮毂边缘到中心的顺序凝固,消除了辐条根部缩松、缩孔,在生产中取得了良好的效果。

通过对低压铸造铝合金轮毂进行固溶处理后分别进行人工时效、自然时效24h、自然时效48h后各部位进行力学性能检测,再分别对经过涂装后的成品进行力学性能检测和对比分析,探索低压铸造铝合金轮毂的t4热处理工艺。试验表明,t4(自然时效48h)热处理比t6热处理的屈服强度降低了20%～30%、抗拉强度降低了5%～10%、硬度降低了10%～20%,伸长率提高了70%～100%,但经过涂装烘箱烘烤后合金的抗拉强度、屈服强度、硬度均有所提高,伸长率有所下降。就满足客户的力学要求而言,t4(自然时效24h)热处理后比t6热处理更能满足客户的要求。

针对大型铝合金轮毂低压铸造过程中在热节处产生的缩松、缩孔问题,提出改变模具温度和模具厚度的方法消除缺陷,但对＂孤立熔池＂现象影响较小。为此在以上两种优化工艺的基础上,又在对应产生缺陷部位的模具上加设水冷管。结果表明,该方法不仅使轮毂实现顺序凝固,消除了轮毂厚大部位的缺陷,还提高了轮毂的冷却速度,缩短了生产周期。

铸旋铝合金轮毂以其高强度、轻量化的特点逐渐成为铝合金轮毂的一个重要发展方向。通过铸造模拟软件magmasoft对铸旋的压铸过程进行模拟，根据模拟结果优化模具结构和生产工艺，解决轮辐根部缩松问题，提高铸造成品率，为企业带来一定的经济效益。

本篇课题的研究目标旨在通过进行测试的方式对铝合金轮毂的低压铸造过程进行模拟,并且将其中温度场变化的规律找到对相关结论给予佐证,与此同时也对由此测试产生的一系列结论进行了对比与分析,为今后的汽车零件的配置技术创造更好的应用环境与条件。

在铝合金轮毂的低压铸造充型过程中,压力条件是影响压铸质量的主要因素。提出了低压铸造充型非线性压力条件的加载方法。结合线性与非线性压力加载的数值模拟,分析与验证了非线性压力条件的有效性,详细说明了压力条件对充型状态的影响,以及缺陷的形成。对于复杂轮型,非线性压力条件可以获得稳定充型状态;充型前流进入型腔后,可适当提高压力加载速度;在轮辐与轮辋下缘充型时,加载速度应较平缓;在轮辋部分的上升充型中,压力加载速度再次适当提高。研究表明,非线性压力条件可以有效地减少压铸充型缺陷,提高复杂轮毂的成品率;在保障前流稳定的情况下,可以通过数值模拟与试压铸而获得合理的非线性压力条件。

针对铝合金的压铸工艺特点和充型凝固过程的不透明性,采用华铸cae软件对铸件进行模流分析,预测铝合金轮圈压铸缺陷位置,优化模具结构设计.模拟结果显示,采用双流道充型平稳,温度场分布均匀,具有较少的气体夹杂和冷隔等倾向,压铸件整体质量较高.

以相似理论为理论基础,对铝液的低压充型过程进行了模拟试验研究,利用气体向液面加压的同时对模具型腔进行抽真空。实验结果表明:上升的液面一直保持水平状态并沿着铅垂方向推进;当真空度为-0.02mpa、加压气压为0.02mpa时为最佳的加压工艺参数。并将模拟结果与原型的结果进行了比较,两者具有良好的一致性。

以相似理论为理论基础,对铝液的低压充型过程进行了模拟实验研究,利用气体向液面加压的同时对模具型腔进行抽真空。实验结果表明:上升的液面一直保持水平状态并沿着铅垂方向推进;当真空度为-0.02mpa、加压气压为0.02mpa时,为最佳的加压工艺参数。并将模拟结果与原型的结果进行了比较,两者具有良好的一致性。

以相似理论为理论基础,对铝液的低压充型过程进行了模拟试验研究,利用气体向液面加压的同时对模具型腔进行抽真空。试验结果表明:上升的液面一直保持水平状态并沿着铅垂方向推进;当真空度为-0.02mpa。加压气压为0.02mpa时为最佳的加压工艺参数。并将模拟结果与原型的结果进行了比较,两者具有良好的一致性。

以某镁合金汽车轮毂为研究对象,运用专业铸造模拟分析软件,进行低压铸造数值模拟,研究了填充和凝固过程中温度场的分布,预测了在此过程可能出现的缺陷。模拟结果显示,轮毂中心部位也可能产生缩松,并发现通过降低或者提高充型速度并不能有效解决问题,通过在模具上模增加局部冷却水道,能够较好地改善整体冷却顺序,有效减小轮毂中心的缩松现象。

以铝合金汽车轮毂为研究对象,运用铸造模拟软件进行了低压铸造数值模拟计算,获得了充型和凝固的动态过程,观察到了低压铸造中金属液流动的状态,获得了金属液停止流动和凝固的时间点以及预测了存在缩松缩孔缺陷。根据模拟结果进行改进并重新进行模拟,结果表明,充型过程中金属液流动更加平稳,凝固过程中可能产生的缩孔、缩松等缺陷得到有效的消除。

采用magma压铸模拟软件模拟了a356铝合金轮毂低压铸造中的缺陷分布及凝固场,在此基础上对工艺进行了优化;采用初始工艺和优化工艺低压铸造了a356铝合金轮毂,测试了其力学性能,观察了其内部缺陷并与模拟结果进行了对比验证。结果表明:模拟得到初始工艺(浇注温度为730℃,各部位全部采用风冷)压铸后轮毂内轮缘、轮辐和轮辋交界处和轮辋处都产生了缩松,且凝固时间较长;将浇注温度降至700℃,在边模、顶模、轮辋及底模处提高保温层热交换系数,边模和轮心采用水冷等措施对初始工艺优化后,轮毂中的缩松消除,轮毂各部位凝固完全;优化工艺下铸造的轮毂力学性能比未优化的高,缩松及夹杂等缺陷减少,试验结果验证了有限元模拟对低压铸造轮毂缺陷预测的准确性。

采用magma压铸模拟软件模拟了a356铝合金轮毂低压铸造中的缺陷分布及凝固场,在此基础上对工艺进行了优化;采用初始工艺和优化工艺低压铸造了a356铝合金轮毂,测试了其力学性能,观察了其内部缺陷并与模拟结果进行了对比验证。结果表明：模拟得到初始工艺（浇注温度为730℃,各部位全部采用风冷）压铸后轮毂内轮缘、轮辐和轮辋交界处和轮辋处都产生了缩松,且凝固时间较长;将浇注温度降至700℃,在边模、顶模、轮辋及底模处提高保温层热交换系数,边模和轮心采用水冷等措施对初始工艺优化后,轮毂中的缩松消除,轮毂各部位凝固完全;优化工艺下铸造的轮毂力学性能比未优化的高,缩松及夹杂等缺陷减少,试验结果验证了有限元模拟对低压铸造轮毂缺陷预测的准确性。

为了预测镁合金轮毂低压铸造过程中可能产生的缺陷,利用三维建模软件对镁合金轮毂进行数值建模并通过procast模拟软件对镁合金轮毂的充型和凝固过程进行模拟分析。由于加压速度的快慢,对铸件充型的平稳性有很大影响,并且热节及孤立熔池部位极易产生缩孔缩松缺陷,因此对镁合金轮毂铸造过程的加压速度及温度场、流场进行研究。研究结果表明,通过降低加压速度能够很大限度地减少在浇注过程中所产生的气孔和缩孔缩松及氧化夹杂缺陷,对于轮辐处产生的热节,可以对该部位进行激冷处理,使其优先凝固,进而改善了铸件的质量。

本文分析了低压整体式铝合金轮毂的低压铸造工艺性,并从铸型分型面、铸型型腔尺寸和铸型壁厚的确定,铸型排气系统、浇注系统、冷却系统的设计等几方面介绍了该产品模具结构设计要点。

以汽车轮毂为例,运用anycasting铸造模拟软件开展低压铸造数值模拟研究。模拟结果显示,铸造模拟软件能有效模拟铸件充型和凝固产生的过程,并准确预测铝合金低压铸造充型和凝固过程中汽车轮辐和轮毂产生缺陷的位置。针对凝固过程中缩松缩孔缺陷,设计了汽车轮毂风冷系统,消除了轮毂的缩松缩孔现象,提高了铸造铝合金轮毂的质量。

在铝合金轮毂的压铸充型过程中,压力条件是影响压铸质量的主要因素,可以通过数值模拟与试压铸来建立压力条件。将有限元数值模拟手段与生产试验相结合,给出了压力条件建立的非线性增加过程;具体分析了熔液进入浇口初时、进入芯部与轮辐部、进入轮辋部时,在压力条件高低变化下,对流场状态与缺陷形成的影响;指出了充型阶段的一些现象与缺陷,如中心部气隙的出现与前移,芯部产生飞溅而形成气隙弥散,轮辋处产生缩松等。相应的压铸缺陷得到了验证,从而获得了轮毂型腔充型阶段压力条件的影响规律。

采用低压铸造a356铝合金轮毂进行试验,在固溶时间和时效时间不变的条件下,对同一批次的轮毂毛坯进行不同固溶温度和时效温度的分析。结果表明,轮毂在555℃固溶温度下进行连续热处理将产生过烧,在545℃固溶+150℃时效和550℃固溶+150℃时效下得到的铸件性能较好。

对挤压铸造a356铝合金汽车轮毂进行了模拟。根据轮毂不同位置的凝固时间,分析得出了轮毂不同位置的凝固方式,并试验研究了挤压铸造下轮毂不同位置的组织不均匀性。得出轮毂不同位置的组织与凝固方式的关系:急冷区的凝固方式为逐层凝固,晶粒尺寸与组织分布较为均匀;压力结晶区的凝固方式为同时凝固,组织分布均匀,晶粒圆整;急冷区和压力结晶区之间的区域的凝固方式属于糊状凝固,晶粒尺寸与组织分布不均匀,共晶si大量偏聚在晶界处。