節能逐漸作為摩托車及汽(qi)車技術發展(zhan)(zhan)的(de)核心部分。為此近些年來全球各(ge)大汽(qi)車集團公(gong)司(si)為了(le)爭(zheng)取(qu)市場，不(bu)但越(yue)來越(yue)美(mei)化(hua)外觀，而且(qie)著(zhu)重降低(di)燃(ran)油消耗(hao)量(liang)及提高汽(qi)車的(de)性價比，這是現代汽(qi)車技術發展(zhan)(zhan)的(de)趨勢。

利用鎂合金輪(lun)轂設(she)計有如下(xia)優勢：①降低汽車(che)自(zi)身重量，以達降低能(neng)源消耗(hao)，提升環保的(de)效果；②增強剎車(che)、加速等車(che)輛(liang)操控(kong)性能(neng)；③阻(zu)尼性好(hao)，增強車(che)輛(liang)平穩性；④導熱(re)性好(hao)，以免長時行駛(shi)產生爆(bao)胎現(xian)象(xiang)。

本(ben)文(wen)使(shi)用(yong)鎂(mei)鋁合(he)金(jin)使(shi)輪轂輕量化，利(li)用(yong)pro/E 軟(ruan)件對輪轂結構重新設(she)計，使(shi)用(yong)擠壓鑄造技術。利(li)用(yong)有限元(yuan)分析(xi)并模(mo)(mo)擬(ni)鎂(mei)合(he)金(jin)工(gong)藝(yi)數(shu)值，改(gai)進鑄造工(gong)藝(yi)和模(mo)(mo)具(ju)設(she)計，規避太多的(de)模(mo)(mo)具(ju)修改(gai)，使(shi)新品研發周期縮(suo)短，試模(mo)(mo)經費降低(di)。

1 、汽車輪轂模型實體設計

使用(yong)Pro/E 軟(ruan)件對(dui)實體完成圖(tu)1（a）旋轉(zhuan)截(jie)面的設計(ji)(ji)并建立了回(hui)轉(zhuan)中心線，圖(tu)1（b）為設計(ji)(ji)的實體模型。

2、擠壓鑄造鎂合金輪轂的數值模擬

2.1 模(mo)擬前期處理

輪轂(gu)材料使用AZ91D，模(mo)具材料使用H13 鋼，在材料參考中可查出這兩種材料具體的物(wu)理(li)參數。通過反復模(mo)擬分析結果對比擬定各工(gong)藝參數如下：鑄型起初溫度是(shi)300℃，澆注溫度是(shi)680 ℃，沖頭壓(ya)射速(su)率是(shi)0.7 m/s，保壓(ya)壓(ya)力為(wei)80 MPa，在金屬徹底充滿型腔(qiang)后，將壓(ya)力在85 ms 內快速(su)增大到100MPa。

2.2 有限元(yuan)分析

ANSYS 包含多種的網格劃分方式，劃分精(jing)度(du)(du)(du)屬于8 級。總共包含了4 988 040 個單元(yuan)。AZ91D 物(wu)理(li)性能參(can)數(shu)分別為密(mi)度(du)(du)(du)ρ=1 680 kg/m3， 比熱(re)容c=1.3kJ/kg·k，液相線溫(wen)度(du)(du)(du)θ=595℃, 固相線溫(wen)度(du)(du)(du)θs=470℃,潛(qian)熱(re)H=373 kJ/kg，熱(re)傳導系數(shu)k=90 W2/m.k。計算中采(cai)用的鎂合金(jin)液澆(jiao)注溫(wen)度(du)(du)(du)為700℃，模具(ju)初始溫(wen)度(du)(du)(du)為300℃，澆(jiao)注速度(du)(du)(du)為0.7 m/s,保壓(ya)時間(jian)為40 s。鎂合金(jin)輪(lun)轂(gu)的整個填充(chong)過(guo)程在5 s 內完成各時間(jian)的填充(chong)狀態和溫(wen)度(du)(du)(du)場(chang)分布如圖2。

從(cong)圖2可看到(dao)，先是鎂(mei)合(he)(he)(he)金液穩定地(di)從(cong)澆(jiao)(jiao)口進入(ru)且填(tian)(tian)充輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)輪(lun)(lun)(lun)(lun)芯(xin)部分(fen)，再(zai)慢(man)慢(man)地(di)注入(ru)至每(mei)個(ge)輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)中。于(yu)1.03 s 時合(he)(he)(he)金液抵(di)達輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)和輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)交接(jie)處(chu)，于(yu)2.52 s 時處(chu)于(yu)各(ge)輪(lun)(lun)(lun)(lun)輻(fu)頂端(duan)間的(de)鎂(mei)合(he)(he)(he)金液匯合(he)(he)(he)一起，此刻溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)處(chu)于(yu)640℃上(shang)下(xia)，鎂(mei)合(he)(he)(he)金前(qian)端(duan)部分(fen)屬于(yu)完全流(liu)動狀(zhuang)況。于(yu)3.95 s 的(de)時候鎂(mei)合(he)(he)(he)金液前(qian)端(duan)抵(di)達輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)頂端(duan)位置，而且輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)被(bei)完全充型，這時候上(shang)端(duan)合(he)(he)(he)金液溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)是590℃上(shang)下(xia)，處(chu)在(zai)可流(liu)動狀(zhuang)況故不會出現(xian)冷(leng)隔缺陷和欠鑄，輪(lun)(lun)(lun)(lun)轂(gu)下(xia)端(duan)位置合(he)(he)(he)金溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)是630 ℃上(shang)下(xia)，上(shang)下(xia)端(duan)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)差(cha)大(da)概50℃，當填(tian)(tian)充結束尾段，輪(lun)(lun)(lun)(lun)芯(xin)上(shang)方的(de)合(he)(he)(he)金溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)依然與澆(jiao)(jiao)注溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)（690 ℃） 相(xiang)接(jie)近。

從(cong)輪轂(gu)填(tian)充(chong)分析過(guo)程總可看(kan)到：因為(wei)存在有凹槽，所以(yi)當合金液體前端抵(di)達(da)輪輻中央處(chu)的(de)時候(hou)，導致(zhi)輪輻中部液體流(liu)動速度變(bian)慢，處(chu)于凹槽里(li)的(de)氣體或許會受到兩端的(de)液體包圍，未能及時逃(tao)逸以(yi)致(zhi)凝固過(guo)程中出現氣孔(kong)缺陷。

3、輪轂壓鑄缺陷分析及消除

3.1 缺陷分析

根據以上鎂合金通過低壓(ya)條件(jian)下(xia)鑄(zhu)造過程(cheng)，結合模擬分(fen)析，可看出存(cun)在(zai)可能產生(sheng)(sheng)縮(suo)孔(kong)及(ji)(ji)氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)缺陷(xian)。氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)成因通常包括兩種，**種是處(chu)于填(tian)充(chong)過程(cheng)時(shi)氣(qi)體被卷入而產生(sheng)(sheng)外形比較規則且內表面光滑光亮(liang)的(de)(de)(de)空洞；第二種則是合金精(jing)煉不(bu)夠抑或(huo)熔煉錯誤，氣(qi)體在(zai)合金當中溶(rong)解(jie)(jie)，壓(ya)鑄(zhu)的(de)(de)(de)時(shi)候很快凝固，而溶(rong)解(jie)(jie)在(zai)金屬(shu)內部的(de)(de)(de)氣(qi)體不(bu)能及(ji)(ji)時(shi)析出，導致金屬(shu)內的(de)(de)(de)氣(qi)體滯留于鑄(zhu)件(jian)內最終形成了空洞。解(jie)(jie)決方法(fa)為：改變(bian)輪輻的(de)(de)(de)結構(gou)及(ji)(ji)降低澆注速度。

從整(zheng)體上看(kan)輪(lun)輞(wang)部(bu)位(wei)依舊不屬(shu)于同步凝(ning)(ning)固，每個(ge)輪(lun)輻之間的(de)凝(ning)(ning)固要比對應(ying)(ying)的(de)輪(lun)輻的(de)凝(ning)(ning)固要早，不過由于澆注速度的(de)減低(di)，對應(ying)(ying)每個(ge)輪(lun)輻的(de)部(bu)位(wei)卻(que)(que)能(neng)同步凝(ning)(ning)固，未(wei)能(neng)產生(sheng)液體孤島(dao)，則避免了在(zai)輪(lun)轂處(chu)(chu)出現(xian)縮孔(kong)缺陷，而(er)各自(zi)輪(lun)輻和輪(lun)轂會接(jie)處(chu)(chu)出現(xian)的(de)熱節仍然存在(zai)，因此模(mo)具此處(chu)(chu)的(de)冷卻(que)(que)性還要逐步改良，以免出現(xian)縮孔(kong)缺陷。

3.2 缺陷消(xiao)除優(you)化

依據以(yi)上分析缺陷消除(chu)優(you)化(hua)方法(fa)如下：增加冷卻系統：為使輪(lun)輞(wang)端部實(shi)現同步降溫(wen)(wen)避免(mian)產生(sheng)縮孔缺陷，在輪(lun)輞(wang)端部增設冷卻系統。延緩注射速(su)度(du)：把原來注射速(su)度(du)延緩到0.5 m/s。合理提(ti)升(sheng)模具溫(wen)(wen)度(du)，確保(bao)導熱均勻(yun)。提(ti)升(sheng)合金液溫(wen)(wen)度(du)：把合金液原始溫(wen)(wen)度(du)增加至850℃。調整澆口尺(chi)寸。這(zhe)里設置充型速(su)度(du)為0.5 m/s，鑄液溫(wen)(wen)度(du)850℃，模溫(wen)(wen)400℃；優(you)化(hua)工藝后充型過程

從上面模(mo)擬程序對比可知，充(chong)(chong)型(xing)速(su)(su)度(du)是0.5 m/s時(shi)(shi)金屬(shu)液(ye)體充(chong)(chong)型(xing)都相對平穩。速(su)(su)度(du)均(jun)勻(yun)時(shi)(shi)，于充(chong)(chong)型(xing)全過程中，會(hui)接處(chu)液(ye)體速(su)(su)率差別小，避免互相沖擊出現紊流，并且(qie)穩定(ding)的變化(hua)率小，鑄件(jian)溫度(du)隨著溫度(du)梯度(du)及冷卻率降低(di)(di)而分布越均(jun)勻(yun)，則在結晶(jing)形(xing)成(cheng)過程中形(xing)成(cheng)粗(cu)大晶(jing)粒機會(hui)降低(di)(di)，對提高(gao)鑄件(jian)質量有(you)良(liang)好(hao)作用。從充(chong)(chong)型(xing)速(su)(su)度(du)場得出，合金熔液(ye)能(neng)平穩進行充(chong)(chong)型(xing)，所以說(shuo)**充(chong)(chong)型(xing)速(su)(su)度(du)是0.5 m/s。

3.3 充型溫(wen)度場和(he)凝(ning)固過程(cheng)優化分(fen)析

通(tong)過(guo)擠(ji)壓(ya)澆注充(chong)(chong)型鑄(zhu)造鎂合金(jin)輪(lun)轂(gu)的(de)過(guo)程(cheng)可知,金(jin)屬液(ye)通(tong)過(guo)中心澆道注入(ru)輪(lun)輻(fu)，再隨著輪(lun)輻(fu)對型腔開展(zhan)填充(chong)(chong)。合金(jin)液(ye)起初(chu)于輪(lun)轂(gu)下方(fang)會(hui)接(jie)處融匯，在此處開設溢流(liu)槽，能將(jiang)前沿含氣(qi)多、雜質多、質量(liang)差和溫度(du)低(di)的(de)合金(jin)液(ye)流(liu)充(chong)(chong)分收集，再通(tong)過(guo)層疊(die)法進(jin)行(xing)充(chong)(chong)型，將(jiang)氣(qi)體(ti)(ti)不斷向上趕(gan)，而后進(jin)入(ru)輪(lun)轂(gu)邊的(de)溢流(liu)槽。在充(chong)(chong)型的(de)全(quan)過(guo)程(cheng)中，充(chong)(chong)型狀態(tai)佳，合金(jin)液(ye)體(ti)(ti)速率穩，溫度(du)變化小，當型腔完(wan)全(quan)充(chong)(chong)滿后，鑄(zhu)件溫度(du)仍然均勻分布。

從圖4 可(ke)以(yi)看(kan)出，在固(gu)定壓(ya)力條件(jian)下(xia)將(jiang)鑄件(jian)保(bao)壓(ya)凝(ning)固(gu)，鑄件(jian)快速(su)凝(ning)固(gu)且平穩，同(tong)時溫(wen)(wen)度均勻分布(bu)。鑄件(jian)的(de)(de)凝(ning)固(gu)過(guo)程最初是澆(jiao)(jiao)道，于(yu)(yu)填充過(guo)程未(wei)段合金液體前端(duan)部分的(de)(de)溫(wen)(wen)度處于(yu)(yu)600℃上下(xia)，還屬于(yu)(yu)流動(dong)狀態，雖然澆(jiao)(jiao)注速(su)度漸漸下(xia)降但輪(lun)(lun)轂上端(duan)并未(wei)出現欠鑄及冷隔(ge)現象，大體上完成了輪(lun)(lun)緣、輪(lun)(lun)輻和輪(lun)(lun)轂澆(jiao)(jiao)口(kou)的(de)(de)依(yi)次凝(ning)固(gu)，有助于(yu)(yu)傳(chuan)遞壓(ya)力，很好(hao)地對鑄件(jian)進行補縮，令鑄件(jian)關鍵部位免于(yu)(yu)出現澆(jiao)(jiao)不足(zu)、縮孔或(huo)縮松等缺陷，生產出致密(mi)、組織均勻且偏析少(shao)的(de)(de)鑄件(jian)。

4、結論

應(ying)用pro/e 軟件完(wan)(wan)成(cheng)了(le)(le)汽車輪轂模(mo)具的實體設計，對其進行(xing)了(le)(le)三維(wei)造(zao)型(xing)(xing)檢測(ce)，確定采用層切面法，設置層數10 和(he)偏(pian)距20 mm， 建立了(le)(le)鎂合金輪轂鑄(zhu)造(zao)模(mo)具的有(you)(you)限(xian)元模(mo)型(xing)(xing)，完(wan)(wan)成(cheng)各時間的填充(chong)狀態和(he)溫度場分(fen)(fen)布模(mo)擬，對卷(juan)氣缺陷、凝固缺陷進行(xing)了(le)(le)有(you)(you)限(xian)元分(fen)(fen)析(xi)完(wan)(wan)成(cheng)了(le)(le)初始冷(leng)卻(que)水道(dao)設計、冷(leng)卻(que)水道(dao)改(gai)進設計，實現了(le)(le)澆口尺寸修(xiu)改(gai)和(he)充(chong)型(xing)(xing)速(su)度后充(chong)型(xing)(xing)速(su)度場有(you)(you)限(xian)元分(fen)(fen)析(xi)。

內容源自網絡！