低压铸造铝合金轮毂凝固缺陷分析与工艺优化

低压铸造铝合金轮毂凝固缺陷分析与工艺优化

低压宏陶格式具有尺寸准确、表面质量高、产量效率高、成本低等特点。并且，低压铸造通常采用底注式浇注，充型过程平稳，减少了铸件中的气孔和夹杂缺陷，铸件的内在品质较高，目前，低压铸造已成为铝合金轮毂主要的生产工艺本课题针对低压铸造铝合金轮毂中常见缺陷的产生部位和特点进行分析，在此基础上利用ProCAST铸造数值模拟软件分析轮毂铸件缺陷产生的机理，通过对低压铸造过程中工艺参数的改进，从而消除铸造缺陷，保证轮毂的力学性能。1拉伸试验结果分析铝合金轮毂的材质为A356合金，为便于计算，取1/2的轮毂见图1，采用低压铸造工艺生产。为了确保轮毂的品质，需要对铸件进行X光探伤。经过X光探伤，发现在轮毂辐条与轮辋交界处存在铸造缺陷，见图2。为了深入研究X光探伤处缺陷的类型，分析缺陷产生原因及机理，在缺陷部位取样进行拉伸试验，并对拉伸力学性能与断口形貌进行了分析。拉伸试样的尺寸见图3，力学性能见表1。可以看出，缺陷的存在导致轮毂的力学性能较低，两个位置取样的抗拉强度仅为145MPa和154MPa，不符合设计要求。使用ZEISSGeminiSEM300扫描电镜观察了拉伸断口形貌，见图4。从图4中箭头处可以看出，在拉伸断口处存在明显的缩松缺陷，缩松的形成是由于铝合金液在凝固过程中不满足顺序凝固，使得被包围区域得不到足够铝液的补充，从而出现缩孔、缩松。从轮毂的结构上可以看出，辐条与轮辋连接处以及轮芯处壁厚较厚，因此，轮毂在浇注后的凝固过程中，这些部位存在热节，凝固时间相对较长。在凝固后期，因辐条凝固结束，补缩通道关闭，导致辐条与轮辋连接处无法得到补缩，从而产生缩松缺陷。因此，需要准确地预测轮毂上出现缩松缺陷的位置，并通过对模具结构、冷却条件以及浇注参数等因素的调整和优化，消除缩松缺陷，提高轮毂的内在品质和成品率。2低车轮制造过程中的硬化模拟2.1物理模型的建立低压铸造铝合金轮毂的模具由上模、侧模和底模组成，其模具结构具有回转对称性。图5为低压铸造轮毂模具结构剖面。2.2模拟模具铸造轮毂材质为A356合金，合金成分见表2，物性参数见表3；模具材质为H13钢，其物性参数见表4数值模拟过程中，设置低压铸造的初始条件：浇注温度为710℃，模具预热温度为420℃。根据实际生产与相关文献2.3．模具和周围界面铸件与模具存在着两种界面，一种是铸件与模具的界面，另一种是模具和周围环境的界面。铸件与模具界面处会在铸造过程中发生传热现象，所以需要定义界面的传热系数，设置此传热系数为1000W/（m2.4proct软件模拟结果分析在表5参数条件下，对轮毂的充型和凝固过程进行了模拟，见图6和图7。可以看出，在铝液充型过程中，铝液先从浇口平缓地流入轮毂轮芯处，随后逐渐分流，流入轮辐内，在轮辐和轮辋相交的地方再次汇合，平稳上升，直至充型过程结束，充型过程历时4.8s。在整个充型过程中，铝液平稳上升，没有紊流、合金液裹挟气体等现象，充型结束后，铝液温度约为660℃，仍处于可流动状态。从图7可以看出，在开始凝固阶段，铸件各部分的凝固是不同步的，辐条部位较辐条与轮辋连接处先凝固，不符合自上而下顺序凝固原则，导致补缩通道提前断开，预测辐条与轮辋连接处存在缩松缺陷。图8为ProCAST软件模拟显示的缺陷分布位置。可以看出，轮毂中缺陷主要分布在辐条与轮辋连接处，与预测部位相一致。产生的原因是由于该处属于厚大部位，容易产生热节，使得局部温度较高而不能遵循顺序凝固，从而导致缺陷产生。与图1的X光探伤缺陷部位一致，显示了模拟结果的准确性。为消除轮毂在凝固过程中的热节，使轮毂符合顺序凝固，通过冷却工艺的优化，使轮毂顺序凝固，从而消除缩孔、缩松缺陷。3凝固过程的数值模拟在辐条与轮辋连接处存在缩松缺陷，原因是由于该部位存在热节。因此，为了消除此部位的缩松缺陷，需要采取工艺措施对该处加强冷却，使铸件实现顺序凝固，消除缩松缺陷。因此，选择在轮毂模具上对应热节部位增设水冷管道，加强冷却，以使铸件顺序凝固，见图9。设置了冷却通道位置后，关键因素是确定冷却水的开启和持续时间。由图7a可以看出，金属液凝固至R角处的时间大概为50s，为研究最佳的冷却水开启时间，设置了3种不同的冷却水冷却参数，见表6。针对不同冷却水开启时间的工艺参数，进行凝固过程的数值模拟，结果见图10。从工艺A条件下的模拟结果可以看出，在铸件的轮辋处出现了大量的缩孔、缩松缺陷，而辐条与轮辋连接处的缺陷基本消除，这是因为冷却水开启过早会提前隔断轮辋的补缩通道，使得轮辋无法进行补缩，从而导致轮辋缺陷的产生；从工艺B模拟结果可以看出，除了内轮缘与浇口处残余少量的缺陷，原本辐条与轮辋连接处的缺陷基本被消除。从工艺C可以看出，开启冷却水过晚，未达到对热节的冷却作用，原缺陷依旧存在，说明工艺B时开启冷却水最佳，有效地对轮毂辐条与轮辋连接处的热节进行强制冷却，从而使得轮毂整体符合自上而下的顺序凝固。图11为轮毂在工艺B条件下凝固过程的温度场。可以看出，轮毂在凝固过程中温度自上而下顺序降低，符合顺序凝固原则；图12为轮毂在工艺B条件下的固相率。可以看出，轮毂在凝固过程中辐条与轮辋连接处热节部位消失，符合顺序凝固；图13为实际生产的轮毂X光探伤图，在辐条与轮辋连接处未发现缺陷，故工艺B为最佳的冷却工艺，有效地消除了辐条与轮辋连接处的缩孔、缩松缺陷。取工艺B实际生产轮毂的外轮缘和辐条部位进行力学性能分析，其结果见表7。通过与原生产工艺轮毂性能相比较可以看出，工艺B生产的轮毂的力学性能得到显著提高，这是由于轮毂在塑性变形过程中，存在缺陷的部位受力容易萌生裂纹，从而导致力学性能不合格。因此，采用工艺B来生产轮毂，可以满足生产要求。4解决缩松缺陷(1）通过对A356合金轮毂铸造缺陷的分析以及模拟发现，由于铝合金轮毂在辐条与轮辋连接处壁厚较厚，在凝固过程中产生热节，因此低压铸造铝合金轮毂在辐条与轮辋连接处容易产生缩松缺陷，降低了轮毂的力学性能。(2）为了消除因A356合金轮毂铸造过程中热节造成的缩松缺陷，通过在模具对应热节处增设冷却水管道，加大热节部位冷却速度，使轮毂符合顺序凝固，从而消除缩松