高溫鋁合金輪轂的數(shù)值模擬

高溫鋁合金輪轂的數(shù)值模擬

0運動精度測試作為車輛的一個部件，車輪承擔著車輛的所有重力，以保持運動的精度。這是與汽車安全有關的重要部件。其成型過程主要有鑄造和鍛造兩種成型方式，目前大多采用的為鑄造成型，其中低壓鑄造、重力鑄造是輪轂成型的主要成型方法1工藝方案和分析1.1輪轂結構分析輪轂鑄件尺寸及結構如圖1所示，輪轂結構尺寸形狀極不規(guī)則，相對復雜，整體來看，輪轂壁厚相對均勻，筋板及轉(zhuǎn)接處呈對稱分布，形狀為不規(guī)則結構，但整體為一具有錐度的圓形件，輪轂中間具有隔板效應，利于分模；內(nèi)腔和外接部分易于成芯，同時兩面本身帶有一定的斜度，易于脫模。1.2熔鑄工藝特點本次選用輪轂最常用的A356.2鋁合金材料，其成分如表1所示。A356.2具有流動性好、熔鑄工藝簡單、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等良好的鑄造性能，可以鑄造薄壁和形狀復雜的產(chǎn)品，成型及切削加工性能良好，同時具有比重小、耐蝕性良好、隨鑄件壁厚增加而強度降低的程度小、鑄錠斷口致密、無熔渣和非金屬夾雜物等特點1.3鑄造模擬的速度和溫度邊界依照生產(chǎn)過程中鋁合金的壓鑄成型工藝條件，采用表2所示的成型工藝參數(shù)進行仿真成型生產(chǎn)，獲取鑄件成型時的溫度場分布、充填時間、缺陷預測等結果。速度和溫度邊界一般都設置在澆注口上。虛擬模具的內(nèi)壁與澆注材料作用設置鑄件和虛擬模具的界面速度為0。根據(jù)垂直澆注通道的垂直方向，重力作用在上平面位置上，加速度的方向為y軸正向，大小為9.81m/s1.4u2004網(wǎng)格劃分本文使用3D軟件UG對零件進行實體造型（如圖1），然后以STL格式導入Moldflow中進行鑄型的定義及網(wǎng)格劃分，為保證模擬精度與計算速度，選用等間隔的剖分方法將整體模型（鑄件和鑄型）分為細網(wǎng)格，再用增加/刪除的網(wǎng)格修改方法將鑄型部分的網(wǎng)格尺寸適當放寬，以提高計算效率。網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。在鑄造數(shù)值模擬過程中，將金屬液看作是不可壓縮的流體，對于低壓鑄造來說，由于升壓速率較慢，忽略湍流作用。鑄件充型過程中合金液的流動遵循流體動力學規(guī)律，合金液和鑄型之間的熱交換遵循能量平衡、質(zhì)量守恒和動量守恒方程。金屬液體接觸金屬模具后，溫度自然降低；金屬液體的后期充填行為視為重力鑄造，此時，充填力場主要有2個分量:液體重力和大氣阻力。材料在鑄型中凝固過程的溫度場和應力場是相互影響、相互作用的，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，易于促使鑄件形成縮松或縮孔。由此本次模擬低壓鑄造做了以下假設1.5澆注系統(tǒng)連通性診斷結果依鑄件尺寸設計對應的澆注系統(tǒng)，其計算相關參數(shù)如表3所示，以此為基礎創(chuàng)建澆注系統(tǒng)如圖3(a）所示，澆注系統(tǒng)連通性診斷結果如圖3(b）所示。從診斷結果來看，澆注系統(tǒng)完全貫通。根據(jù)鑄件的形狀結構，利用Moldflow自帶的冷卻回路設置相關參數(shù)，創(chuàng)建完成之后的冷卻回路如圖3(c）所示。2結果和分析2.1生長過程的偏差本次設計的輪轂的充型時間大約在4.6s，充填結果如圖4(a）所示，4個澆口的位置充型液態(tài)金屬同時到達（因選擇視角位置問題，冷卻水管遮擋澆道不易看出，在圖4(e）和圖4(f）中可以明顯看出）。兩側(cè)面的充型時間的偏差可能是由于造型過程中單邊澆道沒有倒角所導致。但鑄件的整個填充過程相對平穩(wěn)。根據(jù)輪轂的實際尺寸推算，在實際充填的時間大約在20s左右，可見鑄件的充型過程在很短時間內(nèi)結束。結合鑄型的充填程度可以看出，短時間內(nèi)的充型是比較飽滿的（如圖4(b）），滿足充型的各種參數(shù)。從需求的材料量來看，約需3962.4cm2.2避免發(fā)生嚴重缺陷縮孔、縮陷和疏松是鑄造生產(chǎn)中常見的鑄件缺陷，其成因主要是因為高溫液體在冷卻時收縮無法得到足夠的液體補充，或是型腔內(nèi)的氣體無法及時排出。其存在破壞了金屬材料的連續(xù)性，降低了鑄件性能。因此在鑄造生產(chǎn)時應能夠給予克服或避免其發(fā)生。圖5為研究鑄件冷卻時的缺陷位置預測，表征了輪轂冷卻過程中氣體沒有及時排出和液體金屬流動前沿交疊固化后的整體鑄件特征。從圖5中可以看出，鑄件產(chǎn)生縮松的位置大概在鑄件棱形交匯處，此處基本為模具凹陷處，液體最后填充的位置，其他接觸模具的壁面易于凝固成型，其補縮效果減弱，增大了交匯處產(chǎn)生縮松的可能性。冷卻后鑄件夾雜的位置與縮松的位置大致一致，這與充填過程中高溫液態(tài)金屬的流動前沿接觸鑄型壁面，易于沖刷壁面的雜質(zhì)或灰塵，同時前沿易于被氧化，當兩相向的液態(tài)金屬接觸后，易于將夾雜的物質(zhì)包裹其中，形成鑄件夾雜。這與實際生產(chǎn)時鑄件內(nèi)應力開裂及鑄件缺陷存在的位置一致性相吻合。2.3充填壓力差分布圖6為鑄件整體充填后的力場分布情況。從圖6中可以看出，液體充填結束后整體壓力分布相對均衡，結合鑄件缺陷位置分析可知，液體充填過程中流動前沿的液體易于形成渦流，由于工件的尺寸相對較小，氣體容量較少，因此在整個充型過程中，壓力差主要分布在充填的最后凝固區(qū)域與澆注口之間，但相對較小。因此整個充型相對平穩(wěn)，產(chǎn)生內(nèi)應力的可能性較小。3模擬計算結果驗證結合理論計算與模擬軟件，對輪轂的熱態(tài)成型過程進行了模擬分析，預測了鑄件易于產(chǎn)生的鑄造缺陷，同時就模擬過程的相關參數(shù)進行獲取，表明模擬計算結果與理論計算值基本一致，驗證了采用軟件的可信