鋁合金輪圈外型對鑄造質(zhì)量影響的比對分析

1、作者:余家杰(03-08-19）;推薦：徐業(yè)良(2003-0-2)。附註:本文為余家杰碩士論文鋁合金輪圈鑄造參數(shù)最佳化設計第五章。鋁合金輪圈外型對鑄造品質(zhì)影響比對分析第四章以輪圈型號95之鋁合金輪圈，說明欲得到準確的模擬分析，需以反覆分析下的穩(wěn)態(tài)模具溫度進行鋁合金輪圈的模擬，並說明吹水、吹氣等冷卻條件對於鋁合金輪圈鑄造程序的影響。本章節(jié)將以元富鋁業(yè)公司提供的另一只肋骨造型差異甚大的輪圈型號9進行鑄造模擬分析比對,討論肋骨造型對鑄造品質(zhì)之影響，並討論不同的胎環(huán)尺寸對鑄造輪圈的影響,最後並整理本研究訂定之縮孔指標與實際測試輪圈洩氣率之關(guān)係。1輪圈肋幾何形狀對鑄造品質(zhì)的影響圖1為輪圈型號95與輪圈型

2、號917的正面視圖與肋的截面形狀,圖中顯示此兩種輪圈輪圈肋的幾何型態(tài)，輪圈型號05肋數(shù)較少，輪圈肋的截面積為060.7mm2，輪圈型號9肋數(shù)為90的兩倍，輪圈肋的截面積為45.31mm,輪圈型號905肋截面的面積為輪圈型號1肋截面的2.62倍。表1為輪圈型號0與輪圈型號91在元富鋁業(yè)公司實際開發(fā)時之冷卻條件之比較。圖1 型號5、917輪圈肋部幾何形狀表 型號90、17冷卻條件之比較9097鋁水充填時間16秒24秒吹氣作用時間6秒開模4秒開模吹水作用時間16秒16秒74秒134秒模具初始溫度360度60度輪圈成型時間240秒210秒由表1的比較能夠看出，由於905有較大的輪圈肋截面積,鋁水充填時

3、間較短,且輪圈肋較不易凝固,增加輪圈中央冒口補充鋁水的時間,使胎環(huán)與輪圈肋交接處在失去胎環(huán)冒口的補充時,還可得到來自中央冒口的鋁水補充,輪圈成型時間也拉長。反之由於輪圈型號97肋的截面積較小，輪圈肋中的鋁水較快凝固，使中央冒口補充鋁水的時間縮短,若胎環(huán)冒口於此時亦同時失去效用,則胎環(huán)與輪圈肋交接位置將產(chǎn)生較差的凝固條件，使鋁輪圈鑄件無法通過壓洩測試，因此吹水、吹氣的時間安排都比905提早且作用時間加長。此處將輪圈型號917同樣的冷卻條件施加於輪圈型號5,比較不同的肋骨幾何形狀對於輪圈冒口供應鋁水的影響。表2為輪圈型號05、17輪圈鑄件冒口失效時間與對應之SI數(shù)值，從表中看出在相同的鑄造冷卻參數(shù)

4、下,兩者冒口失效的順序不同,輪圈型號90冒口失效順序為先胎環(huán)冒口再中央冒口，而輪圈型號7中央冒口與胎環(huán)冒口於同樣時間下失效。由於兩者輪圈肋骨的幾何型態(tài)差異甚大，使得輪圈肋骨處的鋁水凝固時間相差3秒，造成中央冒口無法如輪圈型號90般補充胎環(huán)與輪圈肋處之鋁水，使得兩者SI值差異甚大。圖2為輪圈型號05、917冒口失效的輪圈縱向剖面圖與對應發(fā)生時間，從圖中可明顯看出當輪圈型號胎環(huán)冒口失效時,95輪圈肋骨處之鋁水尚維持流動狀態(tài),使中央冒口能夠順利將鋁水補充至鑄件各處,而當輪圈型號17胎環(huán)冒口失效時，97輪圈肋骨之鋁水也已凝固，使得中央冒口失效的時間同於胎環(huán)冒口,造成胎環(huán)與輪圈肋交接部位同時失去兩個冒口

5、的補充。表2.輪圈鑄件冒口失效時間90591胎環(huán)冒口失效時間124秒11秒中央冒口失效時間161秒1秒SI3112圖2. 輪圈鑄件冒口失效狀態(tài)2.輪圈胎環(huán)厚度對鑄造品質(zhì)的影響如前所述反之由於輪圈型號917肋的截面積較小,輪圈肋中的鋁水較快凝固，使中央冒口補充鋁水的時間縮短,因此元富鋁業(yè)公司提供之改善策略為增加環(huán)厚度,以延遲胎環(huán)冒口失效時間。圖即為輪圈型號917改變胎環(huán)厚度示意圖,圖中冒口的位置與大小不變,僅變動胎環(huán)冒口以下輪圈胎環(huán)的幾何厚度,並以917_為基準胎環(huán)厚度,依次向外增加0.75m與1.m。圖3. 輪圈胎環(huán)厚度變化本研究依照元富鋁業(yè)公司實際修改的三個不同輪圈胎環(huán)厚度輪圈模型,開始進行

6、穩(wěn)態(tài)模具溫度下的鋁合金輪圈鑄造分析，表3顯示穩(wěn)態(tài)狀況下，三種不同胎環(huán)厚度SI數(shù)值與Liqidentraped形成時間。表中可看出增加胎環(huán)厚度縮孔指標SI數(shù)值隨之減少，且Lquid-rappe形成時間越長,說明隨著胎環(huán)厚度的增加,胎環(huán)與輪圈肋交接處越容易得到冒口鋁水的補充，此修改策略確實有良好效果。圖4為輪圈縱向剖面圖與I數(shù)值對照圖形，圖中除可看出Liuid-etad的形成狀態(tài)隨著胎環(huán)厚度的增加而漸少外,Liqid-eraed位置的產(chǎn)生與冒口失效的順序性亦與輪圈型號905迥異?；仡欇喨π吞?5的分析結(jié)果,由於胎環(huán)冒口補充鋁水的作用時間小於中央冒口，因此當胎環(huán)冒口失去補充效應時，中央冒口持續(xù)供應鋁

7、水,直至中央冒口與需補充鋁水處的通道受阻,於是Liquid-entrappd產(chǎn)生的位置將慢慢接近中央冒口。觀察輪圈型號917iuidntrapped的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當不增加胎環(huán)厚度（917_1）時，發(fā)現(xiàn)中央冒口與胎環(huán)冒口失效的時間幾乎同時，使胎環(huán)與輪圈肋交接處同時失去兩個冒口的鋁水補充，當加厚輪圈胎環(huán)的厚度(917_2、917_3）時,胎環(huán)冒口供應鋁水的時間增加，失效時間比中央冒口失效時間晚,Liqud-entaed現(xiàn)象得到抒解,且位置朝著胎環(huán)冒口的方向移動，其移動位置正如型號1進行壓洩測試時之洩氣位置。表3. 不同胎環(huán)厚度數(shù)值與形成時間輪圈胎環(huán)厚度I形成時間917_+0136秒7_+0.7m12

8、2127秒91_3+15m1130秒圖4. 不同胎環(huán)厚度輪圈縱向剖面與SI變化圖3I指標與輪圈洩氣率之關(guān)係元富鋁業(yè)公司對於所生產(chǎn)出的鋁合金輪圈鑄件,在經(jīng)過切削冒口等加工成型過後,每一顆鋁輪圈成品皆須在經(jīng)過壓密洩氣測試（簡稱壓洩測試），測驗生產(chǎn)完成的鋁輪圈是否能夠通過壓洩測試而不產(chǎn)生漏氣。此壓洩測試程序一定是在鋁輪圈加工完畢，準備裝箱出貨的最後一道手續(xù),若是鋁輪圈無法通過壓洩測試，則此顆鋁輪圈便無法出貨,所造成的不只是製造成本的損失,甚至生產(chǎn)效率的降低。例如前一節(jié)中分析的917_1為原始的輪圈鑄件設計，鑄造品質(zhì)於試做程序下便相當?shù)土?，試?0個97_1輪圈鑄件即有1個輪圈鑄件無法通過壓洩測試,漏

9、氣率為60,因此元富鋁業(yè)工程師進而修改模型,將胎環(huán)厚度增加.75mm(17_2)以期生產(chǎn)鑄件能夠通過壓洩測試,但仍有40%的試做洩氣率,直到將胎環(huán)厚度增加15mm(9_），才將試做洩氣率降至約2。本節(jié)將嘗試找出S指標對應輪圈的洩氣率之關(guān)係，檢驗本研究設定之SI指標與實際測試結(jié)果之正確性，並提供元富鋁業(yè)公司以電腦輔助分析後取得的SI數(shù)值,參考至輪圈洩氣率的方式。以輪圈型號05、931以及輪圈型號17為例,表4中90、931、917_3為實際大量生產(chǎn)的鋁輪圈測試數(shù)據(jù),而91_1、9172則為元富鋁業(yè)工程師於修改模型過後，進行試模測試所得到的測試數(shù)據(jù),表中總測試個數(shù)為所有此型號輪圈進行壓洩測試之個數(shù)，洩氣數(shù)則為無法通過壓洩測試產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象的鋁輪圈個數(shù)，洩氣比率則為兩者的比值。將洩氣比率配合SI數(shù)值繪製如圖之SI數(shù)值與輪圈洩氣比率關(guān)係圖，顯示SI數(shù)值和實測洩氣率有正確之趨勢,且大概成非線性關(guān)係，即SI超過某一數(shù)值時，實測洩