輪轂擠壓鑄造數值模擬與參數優化

2024年1月4日發(作者：歲月如梭)

《熱加工工藝》2013年3月第42卷第5期輪轂擠壓鑄造數值模擬與參數優化任杰，張治民，王明哲，朱亞哲(中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051)摘要：Anycasting軟件是為各種鑄造工藝過程開發的仿真系統，可以進行鑄造的充型、熱傳導、凝固過程和應力場的模擬分析。運用Anycasting軟件對輪轂成型工藝參數進行了模擬，優化了工藝，最終確定了合適的工藝參數。關鍵詞：輪轂；參數；擠壓鑄造中圖分類號：TG249.9文獻標識碼：A文章編號：1001-3814(2013)05-0049-03NumericalSimulationandParameterOptimizationofSqueezeCastingWheelHubRENJie,ZHANGZhimin,WANGMingzhe,ZHUYazhe(CollegeofMaterialScienceandEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)cansimulatethemouldfilling,heatconduction,cesspaally,ds：wheelhub;parameters;squeezecasting輪轂屬于汽車的受力件，承受著汽車的全部質撞，要求有很好的強度、抗撞擊能力；同時，在運行過量。在汽車高速運行過程中，面臨著地面的摩擦、碰程中，一直暴露在露天，飽受風吹雨淋，要求有一定的氣密性。總之，服役環境復雜，對其力學性能等都有很高的要求，由此選擇鑄造成型方法就成了關鍵。1輪轂成型工藝試驗方法輪轂擠壓鑄造成型所涉及的工藝參數很多，而每個工藝參數又有多種選擇情況，工藝參數組合不同，所鑄造出來的輪轂質量也不相同，如果對每種工驗無法完成。本文采用正交試驗設計法對參數進行試驗安排，通過少量試驗次數，得出所需要的數據[1]。正交試驗設計，是利用規格化的正交表，恰當的設計出試驗方案和有效的分析試驗結果，提出最優配方和工藝條件，并進而設計出可能更優秀的試驗藝參數組合都做一次試驗，則試驗次數繁多，甚至試方案的一種科學方法。正交表則是利用“均衡搭配”與“整齊可比”這兩條基本原理，從大量的全面試驗中，為挑選出少量具有代表性的試驗點，所制成的排列整齊的規格化表格[2]。收稿日期：2012-08-13作者簡介：任杰(1986-),男,山西晉中人,碩士,主要研究方向:輕合金成型;電話:186****7772;E-mail:******************CAwMwEwO.c凱am模案rg.c例庫n23Abstract：TheAnycastingsoftwareis輪轂成型工藝參數方案的確立擠壓鑄造不同于其他鑄造方式之處是液態合金一直處于壓力下直至凝固結束，相對于普通壓鑄而言，多了一個壓力下補縮的過程，擠壓壓力是其最顯已有較為成熟的擠壓力取值為110MPa。由于在相同鑄造工藝下，鎂合金的壓力通道阻著的一個工藝參數，針對38mm鋁合金汽車輪轂，力比鋁合金要大，對于相近形狀與體積鑄件來說，鎂合金應采用比鋁合金略高的擠壓力[3]。根據輪轂“擠壓壓鑄”的工藝特性，模具溫度和合金液溫度對鑄件的充型和凝固過程有較大的影響。初始加壓時間以合金液充型完成開始，通過Anycasting軟件自動計算鑄件體積與內澆口充型速度的比值得到，與保壓時間設定為軟件凝固過程模擬結束時自動結束。試驗過程及結果分析本文針對擠壓壓力，合金液澆注溫度，模具初始溫度3個參數，選取的因素和水平表見表1。正交試驗方案L9(33)和結果見表2。表2結果可進行單指標試驗的極差分析。因素A擠壓壓力的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是三次A1、A2、A3分別同B、C的3個水平全部搭配一次后的試驗結果，比較第一列(因素)Ⅰ/3、Ⅱ/3、Ⅲ/3的大小，可以認為因素對

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HotWorkingTechnology2013,Vol.42,No.5表1因素和水平表Tab.1Thetableoffactorsandlevels水平因素A擠壓壓力/MPa因素B因素C模具預熱溫度/℃合金澆注溫度/℃C-A-B。即：合金澆注溫度—擠壓壓力—模具預熱溫度。(注意：這里對指標的影響主次是在所取各因素的水平范圍內。)12311525.2選取各因素的最佳水平由于該實驗選取因素的水平與指標有關，本次試驗指標為殘余熔體模數，在凝固結束之時，縮孔、縮松等越少越好，殘余熔體模數越小越好。因此，試驗中取A2B3C1。表2試驗方案及結果Tab.2Theexperimentalplanandresults試驗號ABC擠壓壓力/MPa模具預熱溫度/℃合金澆注溫度/℃殘余熔體模數3.3確定較好的搭配方案根據正交表均勻可比性結論可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ數值的大小，只與本列因素的水平有關，實際上不受其他因素水平變化的影響。所以把各因素的最好水平搭配起來就是要求的較好的搭配方案：A2-B3-C1。它剛好是已作9個試驗中的一組即第6組。在已做過的試驗中是最高的，這說明分析出來的結論是比較符合實際的，并且說明正交表安排9次試驗確實有代表性，能比較全面地反映3個因素水平對凝固ⅠⅡⅢⅠ/3Ⅱ/3Ⅲ/3R3.10812.96803.11111.03600.98931.03700.0477他們的影響大體相同。這樣，第一列Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(Ⅰ/3、Ⅱ/3、Ⅲ/3)的差別，可以看作是因素A取了水平引起的，這就是正交表提供的均勻可比性。用同樣的方法分析B、C因素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(Ⅰ/3、Ⅱ/3、Ⅲ/3)數據的差別，就可以看作是有相應列的因素的水平引起的。R極差反映了該列因素所選水平對指標的影響。3.1分析各因素對指標的影響根據表中極差R值可知，C列R最大為0.0559，B列中R最小只有0.01517。這說明凝固過程中，合金澆注溫度對凝固的影響最大，擠壓壓力其次，模具預熱溫度最小。排出因素的主次順序是：50CAwMwEwO.c凱am模案rg.c例庫n3.06723.09013.04461.02241.030031.014862.96103.10483.12890.98701.03491.0429--52506801.01231.03161.06421.02191.03170.92911.03301.02681.0513的影響，在對試驗數據進行分析后，就可以從中選出比較好的搭配方案。0.015170.05593.4進一步試驗的方向通過對指標—水平變化規律(圖1)進行觀察，從而明確深入試驗需選的因素水平。4工藝參數對擠壓鑄造過程的影響該輪轂在擠壓鑄造模擬中出現的缺陷主要是縮松，其發生位置集中在輪轂的中心和輪輞輪輻的聯接處。縮孔和縮松主要是由于鑄件在凝固過程中由于補縮不良而產生的缺陷。在鑄造過程中，鑄件在一定壓力下凝固，可有效減輕鑄件的縮松傾向，但由于縮松的分布位置不同于普通鑄造，因此常用的Niyama判據預測低壓鑄造的縮松會有較大的誤差[4]。而Anycasting中采用RetainedMeltModulus(殘

《熱加工工藝》2013年3月第42卷第5期余熔體模數)來預測擠壓鑄造的縮松位置，殘余熔體模數公式為：RM=RV/RA，式中：RM即殘余熔體模數；得到較好的補縮，避免鑄件關鍵部位產生縮孔、縮松、澆不足等缺陷。RV為殘余熔體體積；RA為殘余熔體比表面積。殘余熔體模數基于孤立熔體預測縮松，RV越大說明孤立熔池區越大，RA越小說明熔體比較集中，更容易形成孤立熔池而產生縮松缺陷[5]。由正交表對鑄件的缺陷的分析，主要由極差R的值可知，C列R最大為0.0559，B列中R最小只有0.01517。這說明在凝固過程中，合金澆注溫度對凝固的影響最大，擠壓壓力其次，模具預熱溫度最小。排出因素的主次順序是：C-A-B。即：合金澆注溫度—擠壓壓力—模具預熱溫度。注意：這里對指標的影響主次是在所取各因素的水平范圍內。(3)工藝參數對鑄件性能的影響是各參數的綜合效應，通過前面的模擬分析可知，多種不同數值的參數組合均能達到良好的充型與凝固效果。考慮到經濟與成本，在達到鑄件性能要求的基礎上，各工藝水平應盡量取小值。參考文獻:[1][2][3]李南玲．我國初步形成鎂合金高新技術產業[N]．科學時報，2002-12-24(2).王渠東，丁文江．鎂合金研究開發現狀與展望[J]．有色金屬，2004，(7)：8-11.袁序弟．鎂合金在汽車工業的應用前景綜述[J]．汽車科技，5結論通過對不同工藝參數組合下輪轂擠壓鑄造成型模擬，可以得出以下結論：(1)在凝固過程中，合金澆注溫度對凝固的影響最大，擠壓壓力其次，模具預熱溫度最小。(2)在給定壓力下，基本實現了從輪緣—輪輻—輪轂到澆口的順序凝固，有利于壓力的傳遞，使鑄件(上接第48頁)工業爐，1991，1(59)：61-64．[11][12][13]2.5.2007-09-19．劉榮章，王祺．一種新型燃氣鋁合金保溫爐[P]：中國，陳肇友，柴俊蘭．六鋁酸鈣材料及其在鋁工業爐中的應用[J]．耐火材料，2011，45(2)：122-125．VanGarlD，BuhrA，GnauckV，etal．Longtermhightem-peraturestabilityofmicroporouscalciurnhexaluminatebadman，1999.181-186．insulatingmaterials[A]．ProcofUNITECR'99[C]，Berlin，Ger-[14][15][16][17][18][19]神野文數，奧野浩英．ァルミニゥム合金溶湯用斷熱キャスタフルの使用結果[J]．耐火物，2008，60(3)：25-126．李治岷，魏玉文．工業加熱爐的節能關鍵技術[J]．機械工人，2005，(2)：24-26．辛湘杰，易保華，柏玉春，等．一種基于節能涂層的熔鋁爐[P]：中國，2.3.2011-12-28．周美霞，李鵬，劉福平．中頻爐熔煉鋁合金節能探討[J]．銅業工程，2010，(2)：74-76．孟梅,張穎,張軍戰，等.石墨坩堝性能的影響因素分析[J].熱加工工藝,2012,41(17)：45-47.樊忠義．環保型蓄熱燃燒技術與永磁攪拌技術在熔鋁爐的應CAwMwEwO.c凱am模案rg.c例庫n2002，(3)：1-3.[4][5]1999，(10)：45-50.[6][7][20]2007，(3)：30-31．[21][22][23][24]26(6)：13-18．[25][26][27][28]2011，30(2)：59-64．社，2010．Hircyuki，MukaiT，KohzuM，etal．Lowtemperaturesuper-las-ticityinaZK60magnesiumalloy[J]．，1999，40(8)：809-814.陳力禾．鎂合金壓鑄及其在汽車工業中的應用[J]．鑄造，張春燕,喬印虎.車用鑄鋁飛輪的鑄造成型過程模擬[J].熱加工工藝,2011,40(6)：39-40.工工藝，2011，40(17)：40-42.裴暖暖，楊永順．鎂合金汽車輪轂擠壓成形工藝研究[J]．熱加用研究[D]．西安：西安建筑科技大學，2010．孫斌，陳振東．工業爐節能現狀和發展趨勢[J]．能源與環境，胡勇,饒麗,閆洪.機械攪拌法制備半固態鎂合金的研究[J].熱加工工藝,2011,40(9)：65-67．高振中，白文昌，王祝堂．開創鋁熔煉技術新時代的等溫熔煉爐[J]．輕合金加工技術，2007，35(12)：1-6．宋湛蘋，史競．工業爐的現狀與發展趨勢[J]．工業爐，2004，蔡九菊，杜濤，陳春霞，等．鋼鐵企業余熱資源的回收利用及關鍵技術研究[A]．2007中國鋼鐵年會論文集[C]．成都：中國金屬學會，2007.408-416．馬建國．一種新型高效節能蓄熱式工業爐[P]．中國，2.8.2011-09-21．張健敏，于海．有色冶金煙氣余熱回收利用[J]．冶金能源，顧華志，張文杰．不定形耐火材料節能化研究進展[A]．2011全國不定形耐火材料學術會議論文集[C]，2011.I35-I46．李楠，顧華志，趙惠忠．耐火材料學[M]．北京：冶金工業出版

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