轮毂铸造工艺设计及数值模拟

2018-03-20刘艳明

中国铸造装备与技术 2018年1期

刘艳明

轮毂是支撑汽车轮胎、圆形的、用于车轴安装的金属零件。铝合金材质的轮毂具有重量较轻、加工精度较高、较好的散热能力等优点。在汽车行驶中轮毂需要承受一定的载荷和强度，以及需要保持稳定性。合理科学的铸造工艺设计，可以保证轮毂有较好的性能，并可以提高汽车行业轮毂的质量。

1 结构分析和工艺初步分析

1.1 零件结构分析

轮毂尺寸为775mm×775mm×180mm，密度为2.68×103kg/m3,体积为 14.5×10-3m3，铸件质量为 39kg，铸件质量＜100kg时尺寸属于中小型零件，适合于大批量加工生产，可以采用砂型铸造，结构较为简单，分型面选择在竖直方向中间的水平面上，将铸件对称分布在两铸型内[1]。

1.2 零件凝固模拟

铸件材料为铝合金AlSi7M，初始金属液温度为752℃，初始铸型温度为503℃，初始空气温度为25℃；设定空气与铸件之间的换热系数为300W/（m2·K），空气与铸型之间的换热系数为50W/（m2·K），铸型与金属液之间的换热系数是1800W/（m2·K）；设置浇口条件，选择浇注口，设置浇注传热条件为1300℃，充型速度为0.5m/s。此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯。收缩率为0.8%～1.2%，垂直于分型面的壁上留有起模斜度，起模方便又不损坏砂型[2]。

图1 零件缺陷预测图

将零件进行凝固模拟，结果显示在轮缘上及轴孔周围出现缺陷（见图1）。据模拟预测的凝固缺陷，可对症地计算绘制出各个浇道、冒口。

2 浇冒系统设计及凝固模拟

此零件为托架，没有过多的型腔，铸件比较高，需要补缩，选择重力底注式浇注为宜。

2.1 浇注系统的设计

（1）浇注时间的计算

式中，t是浇注时间（s）；G2为浇入型腔内的铝合金溶液的质量（kg）；K 是系数，K＝1.50；l为铸件的平均壁厚。取浇道比例为35%，浇冒口的重量G1=39×35%kg=13.65kg，金属液的重量G2=G+G1=52.65kg，铸件的平均壁厚l=30 mm，可得:浇注经验时间t=11.6s。

（2）液面上升速度

式中，C为铸件最低与最高点距离 (mm)；t为计算的浇注时间（s），V=（180/11.6）mm/s=15.5mm/s。

（3）各浇道截面及尺寸的确定

轮毂质量39.0kg，轮毂最薄厚度为20mm，最厚壁 40mm，取∑S内=6.0 ，所以∑S内∶∑S横∶∑S直=1.0 ∶1.10 ∶1.15，因∑S内=6.0 ，得：∑S横=6.61 ，∑S直=6.91cm2，内浇道的具体尺寸a=11.2mm,b=7.0mm，c=17.1mm，使用圆柱形直浇道，直径D=42.0mm，查得S横=6.61，可得 A=16.0mm，B=11.0mm,C=18.1mm；得S直=6.9 。

轮毂设计增加了浇注系统，凝固模拟后，轮辐处的铸造缺陷有较为明显的减少，但缺陷也有所转移，由原来的中部集中转移到了内外轮缘与轮辐的交接处，而内轮缘处的缺陷有所减少，但却不明显，为此增加冒口和冷铁。缺陷的模拟预测如图2所示。

图2 加浇注系统的缺陷预测

2.2 冒口冷铁的设计

根据冒口的选择原则以及加入浇道后的缺陷位置，选内轮缘处位置增加冒口以改善缺陷，利用Pro/E软件绘制冒口。在内轮缘上方增加冒口。冒口共设置了三个，截面40.5mm×40.5mm，高为60.3mm。增设冒口模拟后，在内轮缘中心的铸造缺陷转到冒口处，已消除。

由于没有形成顺序凝固条件，冒口补缩距离又有限，致使外轮缘和轮辐连接处的缺陷仍未消除，冷铁能使冒口的补缩距离加大，故需设计冷铁进行局部范围冷却，使得轮辐上由外到内形成顺序凝固，打通冒口补缩通道[3]。用Pro/E绘制设计六个冷铁，尺寸为60.5mm×20.3mm×20.4mm，绘制好的浇冒系统和冷铁三维设计图见图3。

图3 全部浇冒系统设计

3 铸件充型凝固模拟

浇注系统、冒口和冷铁设计好后，进行充型模拟仿真，可以清楚地看到整个过程比较平稳，没有飞溅，充型时间为 0.1845s（见图 4）。

凝固进程如图5所示，可以发现轮缘的外部最早凝固，接下来是轮辐凝固，然后是冒口和浇注系统发生凝固，符合顺序凝固，从浇注系统或冒口到轮辐、轮缘，形成畅通的补缩通道[4]。

图4 不同时刻充型进程

图5 凝固进程图

图6 最终缺陷图

可以看出，由于在凝固过程中增设冷铁，保证不会形成热量集中区域。在轮毂凝固全程中，通过设计形成顺序凝固，冒口和内浇道成为最后凝固区域，所以轮毂铸件中的各种缺陷大幅减少。缩孔缩松是不可能完全避免的，现在已经减少到了无法减小的范围内。可以按照设定的浇铸工艺安排实际的浇注生产，保证铸件的性能。最终缺陷图如图6所示。实际浇注生产中铸件出现的缺陷与此大致相同。