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

新能源汽車(chē)作為重要戰(zhàn)略性新興行業(yè)，是我國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾I(lǐng)域之一。研究表明，汽車(chē)輪轂輕量化能大幅度提高車(chē)輛的續(xù)航里程、操控性能、加速剎車(chē)性能及乘坐舒適度。鎂合金是比鋁合金在汽車(chē)輕量化更有效果的材料，在比強(qiáng)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(qiáng)度、韌性與疲勞強(qiáng)度均顯著優(yōu)于鑄造輪轂。但鍛造輪轂的缺點(diǎn)是整套工藝周期和流程長(zhǎng)、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(shí)生產(chǎn)成本比鑄造輪轂高。故目前國(guó)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(chē)及高端車(chē)輛上，市場(chǎng)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(lái)國(guó)內(nèi)一些研究單位對(duì)鎂合金輪轂鑄造成形工藝開(kāi)展了大量研究。

有研究者開(kāi)展了擠壓鑄造研究，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)側(cè)向澆注和中心澆注的AM60B鎂合金摩托車(chē)輪轂鑄件進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)金屬充型過(guò)程的可視化觀察及分析表明，中心澆注系統(tǒng)更為合理。進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行凝固過(guò)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(guò)程。針對(duì)輪轂工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，應(yīng)用ProCAST軟件對(duì)輪轂的重力鑄造、壓鑄成形方式進(jìn)行了CAE仿真對(duì)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(guò)澆注系統(tǒng)改進(jìn)后，采用壓鑄能有效解決重力鑄造過(guò)程中出現(xiàn)的縮松、縮孔問(wèn)題。依據(jù)壓鑄CAE結(jié)果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的壓鑄模具，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。進(jìn)行了低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞邿嶙冃蔚臄?shù)值模擬，針對(duì)模具高溫變形影響低壓鑄造鋁合金輪轂尺寸精度的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，揭示低壓鑄造過(guò)程中模具的變形規(guī)律。通過(guò)重力鑄造試制了鎂合金（AM60B）汽車(chē)輪轂，分析了合金成分及工藝的影響。試制過(guò)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(shí)間、澆注溫度、內(nèi)澆口進(jìn)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(chǔ)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(bào)道很少，主要受限于現(xiàn)有材料牌號(hào)、成形原理和裝備匹配等多方面原因。本研究選取力學(xué)性能良好且常用鎂合金牌號(hào)的AZ91D+0.1%La進(jìn)行汽車(chē)輪轂低壓鑄造成形、凝固過(guò)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(duì)車(chē)用輪轂進(jìn)行三維幾何建模，見(jiàn)圖1。幾何模型下部區(qū)域?yàn)檩嗇灥臐沧⑾到y(tǒng)：由豎直向上的直澆道組成，其決定了澆注過(guò)程的充型狀態(tài)及溫度場(chǎng)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?yàn)檩嗇瀰^(qū)，在充型過(guò)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(jìn)行，對(duì)三維圖形進(jìn)行面缺陷、體重復(fù)檢查，面、體都無(wú)缺陷。重復(fù)后對(duì)模具部分、輪轂部分單元格尺寸分別設(shè)置為10 mm、2 mm，面網(wǎng)格形式設(shè)置為Quad，設(shè)置完成后生成面網(wǎng)格。面網(wǎng)格檢查無(wú)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(gè)。該網(wǎng)格劃分方案下網(wǎng)格生成后的效果圖見(jiàn)圖1。

在常規(guī)低壓鑄造輪轂過(guò)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(duì)這些因素設(shè)計(jì)了3因素4水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。對(duì)不同參數(shù)下輪轂低壓鑄造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究輪轂鑄造壓力及溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)

選取DY-1、2、3、4試驗(yàn)方案進(jìn)行澆注溫度對(duì)低壓鑄造過(guò)程影響的研究。圖2為不同澆注溫度時(shí)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(dòng)，沒(méi)有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個(gè)充型順序保持一致。

選取4種試驗(yàn)方案下輪轂的總縮孔縮松概率［Total shrinkage porosity （TSP）］、凝固時(shí)間（Time to solidus）對(duì)輪轂的鑄造缺陷進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2?？梢钥闯?，隨著鑄造溫度增加，輪轂?zāi)趟钑r(shí)間不斷延長(zhǎng)。同時(shí)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?yàn)镈Y-3充型結(jié)束時(shí)的溫度較高，凝固過(guò)程中可以更好地進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)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(wú)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?zāi)踢^(guò)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(guò)程

表2 不同澆注溫度下輪轂?zāi)碳翱s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(shí)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(dòng)，沒(méi)有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個(gè)充型順序保持一致。不同充型壓力下充滿整個(gè)模具的時(shí)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(shí)刻，輪轂一些部位開(kāi)始降溫且有低于固相線溫度趨勢(shì)，產(chǎn)生缺陷概率增大。

表3為不同澆注壓力下輪轂?zāi)碳翱s孔縮松分布?？梢钥闯?，不同澆注壓力對(duì)輪轂?zāi)趟钑r(shí)間影響不大。澆注壓力對(duì)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(jìn)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?？梢?jiàn)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(shí)輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率更大且分布范圍更廣。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)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(guò)程

表3 不同澆注壓力下輪轂?zāi)虝r(shí)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(yàn)方案進(jìn)行模具溫度對(duì)低壓鑄造過(guò)程影響的研究。圖6為不同模具溫度時(shí)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(dòng)，沒(méi)有發(fā)生紊流飛濺現(xiàn)象，整個(gè)充型順序保持一致。模具溫度提高，模具充滿時(shí)間變化很小，模具溫度對(duì)充型速率的影響很小。

不同模具溫度對(duì)輪轂鑄造過(guò)程的影響主要集中在對(duì)輪轂?zāi)趟钑r(shí)間，表4為模具溫度下輪轂?zāi)碳翱s孔縮松參數(shù)，模具溫度由30 ℃提高到300 ℃時(shí)，輪轂?zāi)趟钑r(shí)間增加了300%以上，故而輪轂有足夠的時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)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(shí)間繼續(xù)增加，但是在薄壁位置率先凝固導(dǎo)致液體補(bǔ)縮量存在上限。故而在保證低壓鑄造順利進(jìn)行情況下，可以在保證成本的情況下適當(dāng)提高模具溫度來(lái)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(shí)輪轂在輪輻位置縮孔縮松出現(xiàn)概率降低。這是因?yàn)樘岣吣＞邷囟龋嗇炘诔湫徒Y(jié)束時(shí)輪輻位置溫度較高，金屬液可以更好地進(jìn)行補(bǔ)縮。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可以適當(dāng)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(guò)程

表4 不同模具溫度下輪轂?zāi)碳翱s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(shí)間縮短，表明澆注溫度升高可提高澆注充型效率。同時(shí)，澆注溫度適當(dāng)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(shí)，輪轂的縮孔縮松出現(xiàn)概率更大且分布范圍更廣。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要選擇適當(dāng)?shù)蔫T造壓力。

（3）模具溫度提高，模具充滿時(shí)間由3.597 7 s降低到3.59 s，模具溫度對(duì)充型速率的影響很小。模具溫度升高到300 ℃時(shí)輪轂在輪輻位置縮孔縮松出現(xiàn)概率降低。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可以適當(dāng)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(chē)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 包頭稀土研究院

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》