高温铝合金轮毂的数值模拟

高温铝合金轮毂的数值模拟

0运动精度测试作为车辆的一个部件，车轮承担着车辆的所有重力，以保持运动的精度。这是与汽车安全有关的重要部件。其成型过程主要有铸造和锻造两种成型方式，目前大多采用的为铸造成型，其中低压铸造、重力铸造是轮毂成型的主要成型方法1工艺方案和分析1.1轮毂结构分析轮毂铸件尺寸及结构如图1所示，轮毂结构尺寸形状极不规则，相对复杂，整体来看，轮毂壁厚相对均匀，筋板及转接处呈对称分布，形状为不规则结构，但整体为一具有锥度的圆形件，轮毂中间具有隔板效应，利于分模；内腔和外接部分易于成芯，同时两面本身带有一定的斜度，易于脱模。1.2熔铸工艺特点本次选用轮毂最常用的A356.2铝合金材料，其成分如表1所示。A356.2具有流动性好、熔铸工艺简单、无热裂倾向、线收缩小、气密性好等良好的铸造性能，可以铸造薄壁和形状复杂的产品，成型及切削加工性能良好，同时具有比重小、耐蚀性良好、随铸件壁厚增加而强度降低的程度小、铸锭断口致密、无熔渣和非金属夹杂物等特点1.3铸造模拟的速度和温度边界依照生产过程中铝合金的压铸成型工艺条件，采用表2所示的成型工艺参数进行仿真成型生产，获取铸件成型时的温度场分布、充填时间、缺陷预测等结果。速度和温度边界一般都设置在浇注口上。虚拟模具的内壁与浇注材料作用设置铸件和虚拟模具的界面速度为0。根据垂直浇注通道的垂直方向，重力作用在上平面位置上，加速度的方向为y轴正向，大小为9.81m/s1.4u2004网格划分本文使用3D软件UG对零件进行实体造型（如图1），然后以STL格式导入Moldflow中进行铸型的定义及网格划分，为保证模拟精度与计算速度，选用等间隔的剖分方法将整体模型（铸件和铸型）分为细网格，再用增加/删除的网格修改方法将铸型部分的网格尺寸适当放宽，以提高计算效率。网格划分结果如图2所示。在铸造数值模拟过程中，将金属液看作是不可压缩的流体，对于低压铸造来说，由于升压速率较慢，忽略湍流作用。铸件充型过程中合金液的流动遵循流体动力学规律，合金液和铸型之间的热交换遵循能量平衡、质量守恒和动量守恒方程。金属液体接触金属模具后，温度自然降低；金属液体的后期充填行为视为重力铸造，此时，充填力场主要有2个分量:液体重力和大气阻力。材料在铸型中凝固过程的温度场和应力场是相互影响、相互作用的，由于合金的液态收缩和凝固收缩，易于促使铸件形成缩松或缩孔。由此本次模拟低压铸造做了以下假设1.5浇注系统连通性诊断结果依铸件尺寸设计对应的浇注系统，其计算相关参数如表3所示，以此为基础创建浇注系统如图3(a）所示，浇注系统连通性诊断结果如图3(b）所示。从诊断结果来看，浇注系统完全贯通。根据铸件的形状结构，利用Moldflow自带的冷却回路设置相关参数，创建完成之后的冷却回路如图3(c）所示。2结果和分析2.1生长过程的偏差本次设计的轮毂的充型时间大约在4.6s，充填结果如图4(a）所示，4个浇口的位置充型液态金属同时到达（因选择视角位置问题，冷却水管遮挡浇道不易看出，在图4(e）和图4(f）中可以明显看出）。两侧面的充型时间的偏差可能是由于造型过程中单边浇道没有倒角所导致。但铸件的整个填充过程相对平稳。根据轮毂的实际尺寸推算，在实际充填的时间大约在20s左右，可见铸件的充型过程在很短时间内结束。结合铸型的充填程度可以看出，短时间内的充型是比较饱满的（如图4(b）），满足充型的各种参数。从需求的材料量来看，约需3962.4cm2.2避免发生严重缺陷缩孔、缩陷和疏松是铸造生产中常见的铸件缺陷，其成因主要是因为高温液体在冷却时收缩无法得到足够的液体补充，或是型腔内的气体无法及时排出。其存在破坏了金属材料的连续性，降低了铸件性能。因此在铸造生产时应能够给予克服或避免其发生。图5为研究铸件冷却时的缺陷位置预测，表征了轮毂冷却过程中气体没有及时排出和液体金属流动前沿交叠固化后的整体铸件特征。从图5中可以看出，铸件产生缩松的位置大概在铸件棱形交汇处，此处基本为模具凹陷处，液体最后填充的位置，其他接触模具的壁面易于凝固成型，其补缩效果减弱，增大了交汇处产生缩松的可能性。冷却后铸件夹杂的位置与缩松的位置大致一致，这与充填过程中高温液态金属的流动前沿接触铸型壁面，易于冲刷壁面的杂质或灰尘，同时前沿易于被氧化，当两相向的液态金属接触后，易于将夹杂的物质包裹其中，形成铸件夹杂。这与实际生产时铸件内应力开裂及铸件缺陷存在的位置一致性相吻合。2.3充填压力差分布图6为铸件整体充填后的力场分布情况。从图6中可以看出，液体充填结束后整体压力分布相对均衡，结合铸件缺陷位置分析可知，液体充填过程中流动前沿的液体易于形成涡流，由于工件的尺寸相对较小，气体容量较少，因此在整个充型过程中，压力差主要分布在充填的最后凝固区域与浇注口之间，但相对较小。因此整个充型相对平稳，产生内应力的可能性较小。3模拟计算结果验证结合理论计算与模拟软件，对轮毂的热态成型过程进行了模拟分析，预测了铸件易于产生的铸造缺陷，同时就模拟过程的相关参数进行获取，表明模拟计算结果与理论计算值基本一致，验证了采用软件的可信