摘要：本文運(yùn)用ESI公司的PAM-CASTTM軟件對鎂合金輪轂的低壓鑄造過程進(jìn)行了模擬，分析了在填充過程中溫度場、流場以及凝固過程中溫度、液體分?jǐn)?shù)的分布情況，預(yù)測了各種可能出現(xiàn)的缺陷，并解釋了這些缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，同時給出有效的解決方法，為改進(jìn)鑄造工藝和模具設(shè)計提供了可靠的科學(xué)指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：鎂合金，輪轂，低壓鑄造，模擬
前言
鎂是工業(yè)中最輕的常用金屬材料，質(zhì)量密度約為鋁的2/3，鐵的1/4。鎂及鎂合金還具有比強(qiáng)度高、剛度好、良好的阻尼系數(shù)、抗電磁干擾及屏蔽性好以及回收利用率高等優(yōu)點，在汽車、航空、航天、電子等行業(yè)有著很大的應(yīng)用潛力。因此，鎂及鎂合金被認(rèn)為是21世紀(jì)最富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”。根據(jù)西方汽車工業(yè)界的展望，在未來二十年里，平均每輛汽車上的鎂合金用量將達(dá)到100～120kg，這比目前的2kg增長50倍以上，屆時僅用于汽車的鎂合金將超過500萬噸，是目前全球鎂年需求量（48萬噸）的10倍。
汽車零件未來發(fā)展的目標(biāo)是用近凈形成形方法生產(chǎn)精密優(yōu)質(zhì)的鑄件。低壓鑄造是近無余量鑄造工藝，其特點是鑄件充型平穩(wěn)，并在壓力下補(bǔ)縮、凝固，生成的鑄件尺寸精度高，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，以及生產(chǎn)率較高等優(yōu)點，成為鎂合金鑄件生產(chǎn)的重要工藝。而在實際生產(chǎn)中往往會出現(xiàn)許多缺陷，如縮孔、縮松、裂紋等，這些缺陷對產(chǎn)品的使用構(gòu)成了很大的危險，所以必須找到行之有效的方法消除或降低。這些缺陷與鑄件的充型和凝固過程有很大的關(guān)系，通過對鑄造過程的分析可以為消除這些缺陷提供科學(xué)的理論依據(jù)和方法。
商業(yè)鑄造模擬軟件PAM-CASTTM采用有限差分法能夠?qū)Ω鞣N材料和澆鑄工藝進(jìn)行填充和凝固的3D模擬，并對流體通過的表面與坐標(biāo)軸不完全一致的地方采用修正因子進(jìn)行補(bǔ)償，更真實地模擬流體在模型中的流動。本文運(yùn)用此軟件對鎂合金輪轂低壓鑄造過程進(jìn)行模擬并分析了充型與凝固過程的溫度場、流場和液體分?jǐn)?shù)的分布情況，進(jìn)而預(yù)測各種可能出現(xiàn)的缺陷，并結(jié)合分析結(jié)果提出消除這些缺陷問題的方法。
模型的建立
使用CAD軟件UG對輪轂實體造型，如圖1所示。然后在PAM-CASTTM里進(jìn)行表面網(wǎng)格的劃分，并自動生成體網(wǎng)格。整個模型共劃分了1,894,528個單元，在其中輪轂最薄的輪網(wǎng)部分保證有2-3個單元，以保證模擬的準(zhǔn)確性，如圖2。 在模擬中使用的鎂合金為AZ91D，各種物理性能數(shù)據(jù)如表1，其中密度、比熱、熱傳導(dǎo)率是溫度的函數(shù)，表中只列出了在650 ℃左右的參數(shù)值。計算中采用的鎂合金液澆注溫度為690℃，初始模具的溫度為420℃，內(nèi)澆口速度為0.5m/s。
表1 AZ91D的物理性能參數(shù)
圖1 輪轂幾何模型 圖2 輪轂體元素模型
結(jié)果描述與分析
輪轂的整個填充過程在6.22s內(nèi)完成,如圖3，首先合金液體很平穩(wěn)地填充了輪心部分，然后平緩地進(jìn)入到輪輻中。在1.38s時合金液體前沿到達(dá)輪輻與輪網(wǎng)的連接處，并在2.13s時各個輪輻頂端間的合金液體匯合，此時的溫度為640℃左右。在4.88s時澆注液體前沿到達(dá)輪網(wǎng)中部，此時合金液體溫度為590℃左右。
圖3 充型過程合金溫度場分布(溫度顏色條從420℃開始，增量為38℃)
在6.2s時合金液體到達(dá)輪網(wǎng)頂部，整個輪轂被全部充型。此時沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷，輪網(wǎng)上緣合金溫度為580℃左右，處于可流動狀態(tài)，下緣部位合金溫度為630℃左右，上緣和下緣的溫差為約50℃。在填充結(jié)束末輪心上端的合金溫度仍然接近于澆注溫度690℃，如圖4。
圖4 填充過程中各個測試點的溫度曲線
在輪轂填充過程，當(dāng)合金液體前沿到達(dá)輪輻中部時，由于凹槽的存在，使輪輻中部液體的流動減緩，凹槽內(nèi)的氣體可能被兩端的液體所包圍，產(chǎn)生氣孔缺陷，如圖5。
圖5 輪幅中部氣孔的形成
在填充過程完成后，凝固過程開始，并在136.25s時結(jié)束，如圖6。在開始凝固階段，輪網(wǎng)的凝固不是很平緩地逐漸進(jìn)行，對應(yīng)各輪輻之間部位的凝固先于輪輻部位，如圖6-c。由于輪轂輪心的形狀不是完全的軸對 稱結(jié)構(gòu)，其中三個區(qū)域，處于輪網(wǎng)部分的最后階段凝固，所以預(yù)計會產(chǎn)生縮孔，如圖6-d。因鎂合金的容積熱容量比較小，因此在輪輻中部區(qū)域會產(chǎn)生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪網(wǎng)的連接處產(chǎn)生熱節(jié)，于是在這些區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷，如圖6-f和圖7。所以整個凝固過程不是理想的定向凝固，從而會降低輪轂質(zhì)量。
圖6 凝固過程液體分?jǐn)?shù)分布
圖7 凝固過程中各個測試點溫度曲線
缺陷的產(chǎn)生原因與消除方法
低壓鑄造生產(chǎn)中鑄件比較容易產(chǎn)生一些鑄造缺陷，其原因是多方面的，與鑄造設(shè)備、模具、工藝和具體的操作有關(guān)，為了獲得高質(zhì)的鎂合金鑄件，必須對產(chǎn)生的質(zhì)量問題做出正確的判斷，找出真正的原因，并提出相應(yīng)切實可行有效的改進(jìn)措施，以提高鑄件的質(zhì)量。
在本文研究的鎂合金低壓鑄造過程中，根據(jù)模擬的分析，預(yù)測出可能產(chǎn)生的缺陷有氣孔和縮孔。
1．氣孔：形成氣孔的原因一般有兩種，一種是在填充時，卷入氣體形成的內(nèi)表面光亮和光滑、形狀較為規(guī)則的空洞。另一種是合金熔煉不正確或者精煉不夠，氣體溶解于合金中。壓鑄時，凝固很快，溶于金屬內(nèi)部的氣體來不及析出，使金屬內(nèi)的氣體留在鑄件內(nèi)而形成的空洞。
在填充過程中，輪輻中部產(chǎn)生的氣孔屬于上面介紹的第一種情況，其改善措施有：降低內(nèi)澆口的速度； 改變輪輻的幾何結(jié)構(gòu)。
2．縮孔：鑄件在凝固過程中，金屬補(bǔ)償不足所形成的呈暗色、表面粗糙、形狀不規(guī)則的空洞。 輪轂在凝固過程中所形成的縮孔，主要是由于輪心部位和模具的設(shè)計不合理造成的。其改善措施有：改進(jìn)輪心部位為完全軸對稱結(jié)構(gòu)；改善模具的冷卻系統(tǒng)。
本文運(yùn)用商用軟件PAM-CASTTM對鎂合金輪轂低壓鑄造進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用AZ91D作為研究合金，對填充和凝固過程中的各種變量分布情況進(jìn)行了分析，包括溫度場，速度矢量場和液體分?jǐn)?shù)。進(jìn)而預(yù)測了在此過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷，并提出了消除這些缺陷而采取的措施。同時為實際生產(chǎn)準(zhǔn)確地確定出填充和凝固時間。該模擬及分析結(jié)果對提高鑄件質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率，降低和消除鑄造缺陷具有很重要的實際意義。
關(guān)鍵詞：鎂合金，輪轂，低壓鑄造，模擬
前言
鎂是工業(yè)中最輕的常用金屬材料，質(zhì)量密度約為鋁的2/3，鐵的1/4。鎂及鎂合金還具有比強(qiáng)度高、剛度好、良好的阻尼系數(shù)、抗電磁干擾及屏蔽性好以及回收利用率高等優(yōu)點，在汽車、航空、航天、電子等行業(yè)有著很大的應(yīng)用潛力。因此，鎂及鎂合金被認(rèn)為是21世紀(jì)最富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”。根據(jù)西方汽車工業(yè)界的展望，在未來二十年里，平均每輛汽車上的鎂合金用量將達(dá)到100～120kg，這比目前的2kg增長50倍以上，屆時僅用于汽車的鎂合金將超過500萬噸，是目前全球鎂年需求量（48萬噸）的10倍。
汽車零件未來發(fā)展的目標(biāo)是用近凈形成形方法生產(chǎn)精密優(yōu)質(zhì)的鑄件。低壓鑄造是近無余量鑄造工藝，其特點是鑄件充型平穩(wěn)，并在壓力下補(bǔ)縮、凝固，生成的鑄件尺寸精度高，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，以及生產(chǎn)率較高等優(yōu)點，成為鎂合金鑄件生產(chǎn)的重要工藝。而在實際生產(chǎn)中往往會出現(xiàn)許多缺陷，如縮孔、縮松、裂紋等，這些缺陷對產(chǎn)品的使用構(gòu)成了很大的危險，所以必須找到行之有效的方法消除或降低。這些缺陷與鑄件的充型和凝固過程有很大的關(guān)系，通過對鑄造過程的分析可以為消除這些缺陷提供科學(xué)的理論依據(jù)和方法。
商業(yè)鑄造模擬軟件PAM-CASTTM采用有限差分法能夠?qū)Ω鞣N材料和澆鑄工藝進(jìn)行填充和凝固的3D模擬，并對流體通過的表面與坐標(biāo)軸不完全一致的地方采用修正因子進(jìn)行補(bǔ)償，更真實地模擬流體在模型中的流動。本文運(yùn)用此軟件對鎂合金輪轂低壓鑄造過程進(jìn)行模擬并分析了充型與凝固過程的溫度場、流場和液體分?jǐn)?shù)的分布情況，進(jìn)而預(yù)測各種可能出現(xiàn)的缺陷，并結(jié)合分析結(jié)果提出消除這些缺陷問題的方法。
模型的建立
使用CAD軟件UG對輪轂實體造型，如圖1所示。然后在PAM-CASTTM里進(jìn)行表面網(wǎng)格的劃分，并自動生成體網(wǎng)格。整個模型共劃分了1,894,528個單元，在其中輪轂最薄的輪網(wǎng)部分保證有2-3個單元，以保證模擬的準(zhǔn)確性，如圖2。 在模擬中使用的鎂合金為AZ91D，各種物理性能數(shù)據(jù)如表1，其中密度、比熱、熱傳導(dǎo)率是溫度的函數(shù)，表中只列出了在650 ℃左右的參數(shù)值。計算中采用的鎂合金液澆注溫度為690℃，初始模具的溫度為420℃，內(nèi)澆口速度為0.5m/s。
表1 AZ91D的物理性能參數(shù)
圖1 輪轂幾何模型 圖2 輪轂體元素模型
結(jié)果描述與分析
輪轂的整個填充過程在6.22s內(nèi)完成,如圖3，首先合金液體很平穩(wěn)地填充了輪心部分，然后平緩地進(jìn)入到輪輻中。在1.38s時合金液體前沿到達(dá)輪輻與輪網(wǎng)的連接處，并在2.13s時各個輪輻頂端間的合金液體匯合，此時的溫度為640℃左右。在4.88s時澆注液體前沿到達(dá)輪網(wǎng)中部，此時合金液體溫度為590℃左右。
圖3 充型過程合金溫度場分布(溫度顏色條從420℃開始，增量為38℃)
在6.2s時合金液體到達(dá)輪網(wǎng)頂部，整個輪轂被全部充型。此時沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷，輪網(wǎng)上緣合金溫度為580℃左右，處于可流動狀態(tài)，下緣部位合金溫度為630℃左右，上緣和下緣的溫差為約50℃。在填充結(jié)束末輪心上端的合金溫度仍然接近于澆注溫度690℃，如圖4。
圖4 填充過程中各個測試點的溫度曲線
在輪轂填充過程，當(dāng)合金液體前沿到達(dá)輪輻中部時，由于凹槽的存在，使輪輻中部液體的流動減緩，凹槽內(nèi)的氣體可能被兩端的液體所包圍，產(chǎn)生氣孔缺陷，如圖5。
圖5 輪幅中部氣孔的形成
在填充過程完成后，凝固過程開始，并在136.25s時結(jié)束，如圖6。在開始凝固階段，輪網(wǎng)的凝固不是很平緩地逐漸進(jìn)行，對應(yīng)各輪輻之間部位的凝固先于輪輻部位，如圖6-c。由于輪轂輪心的形狀不是完全的軸對 稱結(jié)構(gòu)，其中三個區(qū)域，處于輪網(wǎng)部分的最后階段凝固，所以預(yù)計會產(chǎn)生縮孔，如圖6-d。因鎂合金的容積熱容量比較小，因此在輪輻中部區(qū)域會產(chǎn)生早期凝固現(xiàn)象，而在輪輻與輪網(wǎng)的連接處產(chǎn)生熱節(jié)，于是在這些區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷，如圖6-f和圖7。所以整個凝固過程不是理想的定向凝固，從而會降低輪轂質(zhì)量。
圖6 凝固過程液體分?jǐn)?shù)分布
圖7 凝固過程中各個測試點溫度曲線
缺陷的產(chǎn)生原因與消除方法
低壓鑄造生產(chǎn)中鑄件比較容易產(chǎn)生一些鑄造缺陷，其原因是多方面的，與鑄造設(shè)備、模具、工藝和具體的操作有關(guān)，為了獲得高質(zhì)的鎂合金鑄件，必須對產(chǎn)生的質(zhì)量問題做出正確的判斷，找出真正的原因，并提出相應(yīng)切實可行有效的改進(jìn)措施，以提高鑄件的質(zhì)量。
在本文研究的鎂合金低壓鑄造過程中，根據(jù)模擬的分析，預(yù)測出可能產(chǎn)生的缺陷有氣孔和縮孔。
1．氣孔：形成氣孔的原因一般有兩種，一種是在填充時，卷入氣體形成的內(nèi)表面光亮和光滑、形狀較為規(guī)則的空洞。另一種是合金熔煉不正確或者精煉不夠，氣體溶解于合金中。壓鑄時，凝固很快，溶于金屬內(nèi)部的氣體來不及析出，使金屬內(nèi)的氣體留在鑄件內(nèi)而形成的空洞。
在填充過程中，輪輻中部產(chǎn)生的氣孔屬于上面介紹的第一種情況，其改善措施有：降低內(nèi)澆口的速度； 改變輪輻的幾何結(jié)構(gòu)。
2．縮孔：鑄件在凝固過程中，金屬補(bǔ)償不足所形成的呈暗色、表面粗糙、形狀不規(guī)則的空洞。 輪轂在凝固過程中所形成的縮孔，主要是由于輪心部位和模具的設(shè)計不合理造成的。其改善措施有：改進(jìn)輪心部位為完全軸對稱結(jié)構(gòu)；改善模具的冷卻系統(tǒng)。
本文運(yùn)用商用軟件PAM-CASTTM對鎂合金輪轂低壓鑄造進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用AZ91D作為研究合金，對填充和凝固過程中的各種變量分布情況進(jìn)行了分析，包括溫度場，速度矢量場和液體分?jǐn)?shù)。進(jìn)而預(yù)測了在此過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷，并提出了消除這些缺陷而采取的措施。同時為實際生產(chǎn)準(zhǔn)確地確定出填充和凝固時間。該模擬及分析結(jié)果對提高鑄件質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率，降低和消除鑄造缺陷具有很重要的實際意義。
