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(yùn)動(dòng)精度測(cè)試作為車輛的一個(gè)部件，車輪承擔(dān)著車輛的所有重力，以保持運(yùn)動(dòng)的精度。這是與汽車安全有關(guān)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(jié)構(gòu)分析輪轂鑄件尺寸及結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪轂結(jié)構(gòu)尺寸形狀極不規(guī)則，相對(duì)復(fù)雜，整體來看，輪轂壁厚相對(duì)均勻，筋板及轉(zhuǎn)接處呈對(duì)稱分布，形狀為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但整體為一具有錐度的圓形件，輪轂中間具有隔板效應(yīng)，利于分模；內(nèi)腔和外接部分易于成芯，同時(shí)兩面本身帶有一定的斜度，易于脫模。1.2熔鑄工藝特點(diǎn)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(dòng)性好、熔鑄工藝簡(jiǎn)單、無(wú)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(fù)雜的產(chǎn)品，成型及切削加工性能良好，同時(shí)具有比重小、耐蝕性良好、隨鑄件壁厚增加而強(qiáng)度降低的程度小、鑄錠斷口致密、無(wú)熔渣和非金屬夾雜物等特點(diǎn)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(jìn)行仿真成型生產(chǎn)，獲取鑄件成型時(shí)的溫度場(chǎng)分布、充填時(shí)間、缺陷預(yù)測(cè)等結(jié)果。速度和溫度邊界一般都設(shè)置在澆注口上。虛擬模具的內(nèi)壁與澆注材料作用設(shè)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?yàn)閥軸正向，大小為9.81m/s1.4u2004網(wǎng)格劃分本文使用3D軟件UG對(duì)零件進(jìn)行實(shí)體造型（如圖1），然后以STL格式導(dǎo)入Moldflow中進(jìn)行鑄型的定義及網(wǎng)格劃分，為保證模擬精度與計(jì)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(xì)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(dāng)放寬，以提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分結(jié)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(duì)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(dòng)遵循流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(shí)，充填力場(chǎng)主要有2個(gè)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(shè)1.5澆注系統(tǒng)連通性診斷結(jié)果依鑄件尺寸設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的澆注系統(tǒng)，其計(jì)算相關(guān)參數(shù)如表3所示，以此為基礎(chǔ)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(jié)果如圖3(b）所示。從診斷結(jié)果來看，澆注系統(tǒng)完全貫通。根據(jù)鑄件的形狀結(jié)構(gòu)，利用Moldflow自帶的冷卻回路設(shè)置相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建完成之后的冷卻回路如圖3(c）所示。2結(jié)果和分析2.1生長(zhǎng)過程的偏差本次設(shè)計(jì)的輪轂的充型時(shí)間大約在4.6s，充填結(jié)果如圖4(a）所示，4個(gè)澆口的位置充型液態(tài)金屬同時(shí)到達(dá)（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(shí)間的偏差可能是由于造型過程中單邊澆道沒有倒角所導(dǎo)致。但鑄件的整個(gè)填充過程相對(duì)平穩(wěn)。根據(jù)輪轂的實(shí)際尺寸推算，在實(shí)際充填的時(shí)間大約在20s左右，可見鑄件的充型過程在很短時(shí)間內(nèi)結(jié)束。結(jié)合鑄型的充填程度可以看出，短時(shí)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(yán)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?yàn)楦邷匾后w在冷卻時(shí)收縮無(wú)法得到足夠的液體補(bǔ)充，或是型腔內(nèi)的氣體無(wú)法及時(shí)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(shí)應(yīng)能夠給予克服或避免其發(fā)生。圖5為研究鑄件冷卻時(shí)的缺陷位置預(yù)測(cè)，表征了輪轂冷卻過程中氣體沒有及時(shí)排出和液體金屬流動(dòng)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(bǔ)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(dòng)前沿接觸鑄型壁面，易于沖刷壁面的雜質(zhì)或灰塵，同時(shí)前沿易于被氧化，當(dāng)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(shí)際生產(chǎn)時(shí)鑄件內(nèi)應(yīng)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(chǎng)分布情況。從圖6中可以看出，液體充填結(jié)束后整體壓力分布相對(duì)均衡，結(jié)合鑄件缺陷位置分析可知，液體充填過程中流動(dòng)前沿的液體易于形成渦流，由于工件的尺寸相對(duì)較小，氣體容量較少，因此在整個(gè)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(duì)較小。因此整個(gè)充型相對(duì)平穩(wěn)，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的可能性較小。3模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證結(jié)合理論計(jì)算與模擬軟件，對(duì)輪轂的熱態(tài)成型過程進(jìn)行了模擬分析，預(yù)測(cè)了鑄件易于產(chǎn)生的鑄造缺陷，同時(shí)就模擬過程的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行獲取，表明模擬計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了采用軟件的可信