铝合金汽车轮圈铸造问题研究

1、铝合金汽汽车轮圈圈铸造问问题研究究 汽车车铝合金金轮圈在在铸造冷冷却的过过程中，会因为为熔液的的流速、冷却等等因素控控制不良良而产生生收缩及及裂痕等等缺陷，影响到到轮圈的的强度无无法通过过弯曲测测试。本本文由铸铸造的基基本程序序以及轮轮圈的铸铸造过程程了解汽汽车轮圈圈铸造问问题产生生的原因因，评估估如何藉藉由计算算机辅助助分析的的方法来来帮助解解决汽车车轮圈铸铸造时所所产生的的问题。1. 金属铸铸造基本本理论 金金属铸造造程序分分为三个个步骤，加热、将熔化化的的金金属灌注注到模穴穴中、最最后冷却却及凝固固。1.1 加加热(HHeattingg) 铸造造时首先先要将金金属加热热到熔点点以上，然后

2、再再注入模模穴之中中凝固。加热时时所供给给的能量量需要大大于将金金属熔解解的能量量，这样样融熔的的金属才才有时间间能够充充填模穴穴。因此此加热金金属所需需提供的的热能包包含(11)将金金属加热热至熔点点温度时时的热量量、(22)金属属由固态态改变成成液态的的熔解热热、以及及(3)加热至至灌注温温度时所所需的热热量，可可由以下下公式表表达：H=VV（Css（Tm-T0） HHf Cl(Tp-Tm)）（11） 其中中H为将将金属加加热至灌灌注温度度时所需需的总热热量，为密度度，Css为金属属固态时时比热，Tm为为金属熔熔点温度度，T00为环境境温度，Hf为为熔解热热，Cll为金属属液态时时比热，T

3、为为灌注温温度，VV为金属属开始加加热时的的体积。式(11)所求求出的数数值只是是一个大大略的估估计，因因为有许许多热量量的特性性会随温温度的改改变而改改变，而而且一般般铸造都都是使用用合金，所以式式(1)只是用用来说明明铸造加加热的概概念。11.2 灌注融融熔金属属(Poouriing thee Moolteen MMetaal) 将将金属加加热到灌灌注时的的温度是是个重要要的因素素，由于于灌注温温度高于于金属的的融熔温温度使得得融熔的的金属为为过热(supperhheatt)的状状态。越越高的灌灌注温度度液态金金属的流流动性(fluuidiity)越好，模穴的的充填也也就越快快。但流流动性

4、太太好的融融熔金属属则会穿穿透到沙沙模颗粒粒间的小小空洞，这样铸铸造出来来的金属属表面便便会有许许多的小小颗粒。 将将融熔金金属倒入入模穴中中的速度度(poouriing ratte)也也是影响响铸造成成品质量量优劣的的重要因因素。流流速太慢慢则熔液液尚未填填满模穴穴之前便便开始冷冷却凝固固，流速速太快则则会形成成紊流(turrbullentt fllow)，紊流流会使得得金属的的氧化作作用加快快因而在在凝固时时会产生生缺陷或或裂缝，另外融融熔金属属的密度度高，模模具表面面遭受到到融熔金金属紊流流的冲击击而加重重侵蚀(molld eerossionn)而缩缩短了模模具的使使用寿命命。1.3 冷

5、冷却及凝凝固(CCoollingg annd SSoliidifficaatioon) 熔熔液填满满模穴之之后便开开始冷却却，合金金冷却时时温度与与时间的的关系如如图1所所示，由由于合金金含有不不同的金金属，因因此合金金由液态态转变成成固态的的过程中中会有一一段液态态固态共共存的区区域如图图1中左左图所示示，而其其凝固的的温度也也不会如如同单一一金属保保持在固固定的温温度，会会有一段段温差。由灌注注温度冷冷却到固固态所需需的时间间称之为为凝固时时间(ssoliidifficaatioon ttimee) 影响响凝固时时间的因因素有很很多，包包括铸件件的体积积、表面面积，模模具材料料的比热热、热

6、传传导系数数以及铸铸造金属属的比热热、熔解解热、热热传导系系数等，因此凝凝固时间间可以藉藉由一经经验公式式“Chhvorrinoovss Ruule”来估算算。 其其中TSST代表表凝固时时间(ttotaal ssoliidifficaatioon ttimee)，VV为铸件件的体积积，A为为铸件的的表面积积，指数数n的值值通常设设为2，Cm为为铸模系系数(mmoldd coonsttantt)，此此系数需需经由实实际的铸铸造过程程所推得得，它包包含了模模具材料料与铸造造金属的的材料性性质，以以及灌注注温度等等参数的的综合。由式(2)我我们可以以了解在在在铸造造凝固的的过程中中影响冷冷却速度度

7、两大因因素：模模具体积积与表面面积的比比例AVV以及模模穴散热热的能力力Cm，式(22)除了了能预估估整体的的冷却时时间，也也指出如如果我们们要针对对局部的的冷却速速度作调调整，也也需由此此两个方方向着手手。例如如在冷却却速率较较慢的部部位采用用散热较较快的金金属模具具材质，或是在在AV比比值较小小温度冷冷却较快快的部分分加以保保温减缓缓冷却速速率，以以利熔液液能顺利利流动补补充。11.4 收缩(Shrrinkkagee) 在冷冷却的过过程中材材料会产产生收缩缩(shhrinnkagge)，收缩的的过程可可分为三三个阶段段如图22所示，第一个个阶段当当融熔金金属由灌灌注温度度下降至至开始凝凝固

8、温度度时会产产生约00.5%的液态态收缩(liqquidd coontrracttionn)，如如图2中中的(11)所示示。金属属开始由由与模具具接触的的表面向向内凝固固，由图图2中(2)所所示当液液态凝固固成固态态时又会会产生凝凝固收缩缩(sooliddifiicattionn shhrinnkagge)，铝合金金的凝固固收缩约约7%。最后凝凝固后的的金属将将冷却至至一般的的室温会会如(33)所示示的固体体热收缩缩(soolidd thhermmal conntraactiion)，以铝铝合金来来说其收收缩的幅幅度约为为5%。由于凝凝固是由由外往内内，因此此从步骤骤(2)至(33)可以以观察

9、到到由于内内部凝固固的速度度较迟，会产生生收缩空空洞(sshriinkaage cavvityy)，这这是在冷冷却时所所该注意意的因素素.2.汽车车轮圈的的铸造问问题 汽汽车轮圈圈的铸造造如图33所示，模具总总共分为为上模、下模以以及左右右两个模模具四个个部分组组成。由由于金属属铸造在在冷却的的过程中中会产生生收缩，因此在在模穴的的体积设设计需要要比原尺尺寸大，同时也也设计缓缓冲区让让融熔液液体储存存在缓冲冲区中，在金属属冷却收收缩时能能加以补补充。由由于汽车车轮圈各各部分的的厚度并并不相同同，因此此在冷却却的速度度便有快快有慢，由Chhvorrinoovss Ruule得得知体积积较大的的地

10、方冷冷却的速速度较慢慢，这样样会产生生如上节节所述空空洞的问问题。因因此以吹吹风、喷喷水雾的的方式加加速其冷冷却的速速度，设设置通气气粒让肋肋这体积积较大的的部分冷冷却，逃逃气沟让让在模穴穴内部的的空气能能顺沟挤挤出避免免产生气气孔。 在汽汽车铝合合金轮圈圈的铸造造所发生生的问题题有：(1) 轮圈弯弯折部位位因厚度度较大冷冷却较慢慢，冷却却后产生生收缩使使得轮圈圈强度变变弱无法法通过轮轮圈弯曲曲测试。(2) 虽然然可以在在模具上上设计通通气粒、逃气沟沟以及吹吹风等方方式加速速较厚部部位铝料料的冷却却，然而而其位置置的安排排是根据据经验来来设置，常需要要加以修修改，而而这样则则会浪费费轮圈当当作

11、试验验品。(3) 为补偿偿铸造时时铝料冷冷却后之之收缩，将铝圈圈的初始始模具设设计厚一一些，待待铸造完完成后再再加以加加工除去去多余的的铝料得得到符合合设计的的轮圈，此法浪浪费过多多的铝料料。 综综合以上上所述如如果我们们能以CCAE软软件有效效的仿真真轮圈在在铸造时时的状况况，包含含模拟通通气粒、逃气沟沟以及其其它冷却却的方式式在CAAE模型型中，即即可在实实际铸造造前先评评估修改改，这样样能缩短短制造的的时程也也能节省省制造成成本。33. 铸铸造分析析软件评评估3.1 铸铸造模流流分析软软件分析析流程 铸铸造CAAE软件件分析的的流程如如图4所所示，与与一般我我们所熟熟悉的CCAE流流程大

12、致致相同，其中最最重要的的是热物物性数据据库的输输入。热热物性数数据库包包含各种种材料的的热物理理特性数数据，如如密度、比热、热传导导系数、潜热、固液相相线温度度、接口口热组抗抗、黏滞滞系数、表面张张力等以以及制程程参数。热物性性数据库库的数据据直接影影响到流流动充填填分析与与凝固热热传分析析的正确确性，因因此热物物性数据据库数据据的准确确性与数数据库中中是否有有我们所所使用的的材料便便需要加加以注意意。3.2商商用铸造造模流分分析软件件 目目前商用用铸造模模流分析析的软件件并不多多见且价价格昂贵贵，其名名称、功功能与代代理商如如表1所所示。由由表1所所列之CCAE软软件中有有两大系系统，一一

13、种系统统是针对对整个铸铸造过程程由流动动充填至至凝固热热传皆能能加以分分析与模模拟，可可充分观观察整个个铸造过过程，帮帮助设计计者能对对流道与与模具设设计加以以调整。另一系系统则只只针对凝凝固热传传部分加加以分析析，其以以模穴已已经完全全充填为为前提进进行凝固固的分析析，因此此设计者者只能对对模具的的设计加加以调整整。然而而两者之之间的价价格差异异相当大大，因此此在选购购时必须须在功能能与价格格上作一一取舍。3.3 AFSS-3DD试用评评估 AAFS-3D提提供100天试用用版软件件可让使使用者先先行评估估其功能能，与一一般计算算机辅助助分析软软件的结结构相同同，分为为前处理理、求解解、后处

14、处理三个个部分。 AAFS-3D前前处理的的部分可可以在其其接口建建构四种种的实体体模型，方块、圆柱、空心圆圆柱以及及球型，另外也也提供了了旋转与与挤出的的功能。AFSS-3DD可输入入由其它它CADD软件如如Proo/E、Sollid Worrk所汇汇出的实实体模型型STLL档案格格式，其其铸造模模型的建建构主要要也是依依赖由外外部输入入复杂的的模型为为主，接接受度有有90%，我们们尝试将将汽车轮轮圈的模模型以SSTL的的档案格格式汇入入AFSS-3DD，其模模型的接接受度1100%如图55所示，并不需需要做任任何特别别的修补补。AFFS-33D除了了铸件模模型汇入入也可以以汇入模模具的实实

15、体模型型，模型型汇入的的重点在在于铸造造模型的的各部分分如流道道、浇注注口、缓缓冲区以以及模具具等的模模型需要要分别建建构，才才能够个个别在接接下来的的边界条条件设定定中其设设定其性性质。 铸造造模具与与模型建建立之后后需要对对其材料料性质做做设定如如图6所所示，其其中包含含铸造材材料性质质、模具具材料性性质以及及环境温温度等各各式的边边界条件件。在这这里我们们需要对对整个铸铸造模块块的各部部分做详详细的设设定，才才能得到到准确的的分析结结果。 接着着就进行行网格化化与分析析模拟，AFSS-3DD采自动动网格，因此我我们只要要输入网网格元素素的数量量以及是是否要由由AFSS-3DD产生模模具，

16、若若设计者者有设计计完成的的模具则则直接汇汇入模具具的STTL mmodeel，并并加入其其性质设设定即可可。网格格之后即即可进行行凝固模模拟分析析，图77为一简简单模型型的仿真真分析，由于底底部较厚厚因此在在底部设设定一初初始温度度较低的的冷铁加加速冷却却，当冷冷铁为4400ooF其凝凝固时间间为3.9888分钟，而冷铁铁初始温温度3000oFF时凝固固时间缩缩短为33.7005分钟钟凝固时时间下降降7.11。说说明可以以在设计计不同的的模具材材料性质质，来帮帮助设计计者设计计完善的的铸造模模具系统统。 AFFS-33D结果果的输出出是以图图形来表表示，使使用者可可选择想想要观察察的性质质如

17、凝固固的时间间、温度度或密度度等来帮帮助判断断在凝固固时哪个个位置可可能会产产生收缩缩孔，图图8为汽汽车轮圈圈凝固分分析后在在0.115分钟钟时尚未未凝固部部分，在在此分析析案例中中模具是是由AFFS-33D自行行产生一一方块状状的模具具将轮圈圈模型整整个包覆覆住，分分析结果果显示轮轮圈中央央、外圈圈上缘以以及每支支肋边缘缘的位置置冷却的的速度较较慢，与与先前海海洋大学学以Fllow-3D所所分析出出来的定定性结果果相似。我们也也可观察察在凝固固之后密密度0.7（密密度范围围011）的位位置如图图9所示示，藉由由以上信信息我们们可以判判断那些些部位便便有可能能产生缩缩孔的现现象。4.铸造造分析

18、软软件建议议 市市面上的的商用铸铸造模流流分析软软件能对对整个铸铸造流程程作完整整的仿真真与分析析，并输输出详细细及准确确的分析析结果，但其价价格不菲菲，在与与元富公公司交换换意见之之后认为为在冷却却凝固时时所产生生的问题题影响较较大，因因此决定定先针对对冷却凝凝固进行行研究，并对AAFS-3D与与Floow-33D两套套软件就就其功能能与成本本做评估估。(11) AAFS-3D提提供100天试用用版软件件可让设设计者试试用学习习与评估估，正式式版能安安装在同同办公室室中的各各计算机机上。FFloww 3DD并无试试用版且且只能在在安装硬硬件锁的的计算机机上执行行。在几几何模型型输入的的功能上

19、上，以实实际的汽汽车轮圈圈模型的的STLL档案格格式输入入AFSS-3DD的过程程顺利，并且能能顺利的的进行网网格与凝凝固分析析。Fllow 3D技技术数据据显示可可利用SSTL档档案格式式，Iddeass与ANNSYSS的数据据输入几几何模型型，也能能自行建建构。(3) AFSS-3DD仅能作作铸造凝凝固分析析，而FFloww 3DD除凝固固分析外外亦能进进行流动动分析，是一通通用型软软件。(4) AFSS-3DD与Fllow-3D结结果皆以以图形输输出为主主，让使使用者能能定性的的了解到到铸造时时可能会会产生缺缺陷的位位置。(5) AFSS-3DD与Fllow-3D买买断价格格相若，然Fl

20、low-3D需需经由海海洋大学学采购，较为费费时，且且会计作作业恐怕怕无法十十分顺利利。 经经由以上上分析，Floow-33D是通通用型软软件，除除轮圈铸铸造分析析外，亦亦可进行行其它流流体力学学分析，对本实实验室较较具有价价值，然然而采用用AFSS-3DD似乎能能在短期期内对元元富公司司之轮圈圈铸造问问题有具具体改进进成效。5. 计划进进行规划划 本期计计划将以以轮圈铸铸造时冷冷却凝固固过程的的模拟、缩孔预预测、模模具改良良设计为为主题，图100所示为为本研究究进行模模式。输输入轮圈圈模型与与热物性性数据后后，进行行计算机机凝固仿仿真，对对输出结结果进行行判断，如温度度冷却梯梯度、凝凝固时间

21、间、密度度等，判判断预测测轮圈铸铸造时产产生缩孔孔缺陷的的部位，以实际际的铸造造状况对对此模型型进行比比对，调调整、确确认各项项边界条条件的设设定正确确，期能能正确预预测缩孔孔会产生生的位置置，并进进行模具具的改进进设计，帮助元元富公司司在实际际铸造轮轮圈之前前先能设设计良好好铸造程程序，包包含模具具、散热热或保温温装置以以及浇道道、缓冲冲区等，降低铸铸造成品品的不良良率、提提升生产产效率。 在此此概念之之下，本本计划预预计完成成之具体体工作有有以下五五项：(1) 建立正正确的仿仿真分析析模型 经由由元富公公司所提提供的轮轮圈STTL档案案格式进进行分析析模型的的建立，包含外外模的几几何模型型

22、、铸件件的几何何模型与与流道、浇注口口、缓冲冲区的几几何设计计，给定定实际浇浇注金属属的材料料性质、浇注初初始温度度，设定定浇注前前外模预预热温度度、铸造造环境的的冷却条条件，如如环境温温度，模模件吹风风喷水的的位置与与流速，最后将将分析的的结果与与实际轮轮圈铸造造发生缩缩孔案例例作一比比对，确确认模拟拟分析所所设定的的边界条条件能做做与实际际情形相相符的分分析。(2) 探讨影影响凝固固性质的的参数 在在能够作作准确的的分析单单一模型型之后，接着了了解会影影响凝固固结果的的参数有有哪些。例如不不同的铸铸件厚度度、模具具的初始始温度与与辅助冷冷却的方方式等，皆有可可能会影影响铸件件的冷却却凝固状

23、状况，因因此必须须探讨这这些可能能的参数数以及调调整的方方式，使使能对模模具设计计进行修修正。(3) 建立标标准的分分析程序序 对对于未接接触过铸铸造分析析或不熟熟悉软件件的工程程师而言言，要运运用铸造造分析程程序来进进行铸造造分析，仍然是是一件相相当困难难的事，因此根根据先前前的研究究成果建建立铸造造分析的的标准程程序，将将有助于于一般铸铸造分析析工作者者使用。(4) 与实实验资料料长期对对照分析析 建建立标准准分析程程序后，将与元元富公司司实际实实验数据据作长期期对照分分析，以以增进铸铸造缩孔孔预测之之可信赖赖度，并并能将模模具修改改之经验验整理、归纳成成有系统统之数据据库。(5) 技术移移转 在在本计划划结束时时，将提提供元富富公司软软件方面面的使用用建议，将完整整的轮圈圈铸造凝凝固模拟拟、缩孔孔预测、模具改改良等程程序，移移转至元元富公司司。6. 预定定实施进进度及查查核点 元元智大学学与元富富铝业之之研究合合作已延延续四年年有余，双方均均具有相相当之互互信与合合作诚意意，四年年来研究究工作主主要在发发展轮圈圈性能测测试之计计算机辅辅助分析析与预测测工具，此部分分之研发发工作已已近完成成。轮圈圈铸造过过程中金金属熔液液的流速速、冷却却等因素素常产生生收缩及及裂痕等等缺陷，影响到到轮圈冷冷却后之之材料性性质，进进而对轮轮圈性能能测试有有相当严严重之影影响。元元富对此此部分