汽車輪轂擠壓鑄造數(shù)值模擬

汽車輪轂擠壓鑄造數(shù)值模擬

雙聚壓鑄造，又稱連軸連軸、雙軸雙驅(qū)、二次壓補(bǔ)、局部壓補(bǔ)，是正在開發(fā)的壓縮造的新技術(shù)。事實(shí)上，它是“直接壓”和“間接壓”的結(jié)合，具有直接壓和間接壓的優(yōu)勢(shì)?？梢栽谕怀尚芜^程中連續(xù)完成壓鑄和鍛造兩種功能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件形狀尺寸和功能的精確控制。不僅可以像壓鑄一樣控制零件形狀和尺寸,而且由于可以使零件產(chǎn)生塑性變形,從而使強(qiáng)度得到較大提高,并且可以通過熱處理提高性能。雙重?cái)D壓鑄造由于采用兩次擠壓,其第二次擠壓的范圍、深度、加壓時(shí)機(jī)等均可進(jìn)行調(diào)整,這對(duì)于克服整體或局部的縮松、縮孔甚至縮裂和氣孔等缺陷的作用非常顯著。在雙重?cái)D壓鑄造成形過程中,鍛造過程是極為重要的一環(huán),而在這一過程中補(bǔ)縮力是最重要的參數(shù)。由于補(bǔ)縮力是矢量,即使鍛壓比壓和功率加大,實(shí)現(xiàn)有效鍛壓補(bǔ)縮的部位也只能在毛坯型腔鍛壓壓塊作用位置的附近,并不能有效地傳遞到整個(gè)鑄件毛坯上,因此必須對(duì)鑄件缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè),找到最佳的補(bǔ)縮位置。補(bǔ)縮力不夠,制件內(nèi)部組織粗大、縮松等壓鑄缺陷無法消除,反之,補(bǔ)縮力過大,對(duì)雙控成形模具會(huì)造成很大的沖擊,引起模具變形甚至損壞,降低模具壽命,并增加能量消耗。目前補(bǔ)縮力主要通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定,對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件相差較大,因此補(bǔ)縮力的確定對(duì)于消除鑄件缺陷具有十分重要的意義。1收縮開口的位置預(yù)測(cè)1.1模型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分以輪轂為研究對(duì)象,使用Pro/E對(duì)輪轂進(jìn)行建模,為了節(jié)省模擬計(jì)算所需的時(shí)間,考慮到輪轂的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),取模型的1/2進(jìn)行模擬分析,其模型結(jié)構(gòu)見圖1。對(duì)鑄型與鑄件運(yùn)用了不同尺寸的網(wǎng)格劃分。由于鑄件用于流體分析計(jì)算和熱分析,因此采用較小的網(wǎng)格單元,又要保證鑄件最薄處(輪輞)有3層網(wǎng)格,因此采用3mm的單元長(zhǎng)度;對(duì)于模具部分僅用于換熱計(jì)算,采用單元長(zhǎng)度為10mm的網(wǎng)格劃分。在Pro/E中對(duì)模型的裝配體文件劃分表面網(wǎng)格,之后通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒈砻嫖募D(zhuǎn)換成ProCAST可以識(shí)別的sm網(wǎng)格文件。1.2數(shù)值模擬過程和結(jié)果1.2.1模擬試驗(yàn)及主要參數(shù)設(shè)計(jì)在ProCAST分析軟件中對(duì)其進(jìn)行凝固場(chǎng)的數(shù)值模擬。材料是A356合金,開始采用擠壓鑄造模擬,中心澆注,設(shè)置其擠壓壓力、充型速度、初始模具溫度及初始澆注溫度等參數(shù)。模擬中采用的擠壓力為110MPa,澆注溫度為700℃,模具的初始溫度為200℃,充型速度為1m/s。1.2.2輪與輪的共聚改性鋁合金輪轂的整個(gè)充型過程在8.5s內(nèi)完成,各時(shí)間的填充狀態(tài)和溫度場(chǎng)分布見圖2~圖5。首先鋁合金液體很平穩(wěn)地由澆口流入輪轂的輪芯部分,然后平緩地進(jìn)入各個(gè)輪輻中,此時(shí)溫度為660℃左右。在2.2s時(shí)合金液到達(dá)輪輻與輪輞的連接處,見圖2。5.8s時(shí)在輪輻端部的輪輞處匯合,此時(shí)的溫度為640℃左右,鋁合金液處于完全流動(dòng)狀態(tài),見圖3。在7.1s時(shí)金屬液充滿輪芯與輪輻,并平穩(wěn)地沿輪輞上升,此時(shí)合金液溫度為620℃左右,見圖4。在8.5s時(shí)鋁合金液前沿到達(dá)輪轂頂部,整個(gè)輪轂被全部充滿,此時(shí)輪輞上緣合金液溫度為600℃左右,并處于可流動(dòng)狀態(tài),整個(gè)輪轂的最低溫度在輪輞的下部,約580℃,見圖5,還未凝固,因此整個(gè)充型過程沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷。填充過程結(jié)束后,進(jìn)入凝固過程。輪轂?zāi)虝r(shí)間見圖6?？梢钥闯?輪轂的凝固基本上滿足從上到下,從外到內(nèi)的順序,模擬結(jié)果顯示最后凝固部位在輪芯的中心,最后凝固的部位會(huì)由于壓力補(bǔ)縮不足而產(chǎn)生縮孔或者縮松缺陷,見圖7。2收縮位置和收縮能力的確定2.1縮孔縮松預(yù)測(cè)結(jié)果通過以上模擬和ProCAST軟件的縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù),得到縮松的位置正是在輪芯中部,見圖7中深色顯示區(qū)域,從而將補(bǔ)縮位置設(shè)置在輪轂中心部位。2.2補(bǔ)縮力的計(jì)算鍛造過程主要是使鑄件產(chǎn)生屈服塑性變形,以此對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,達(dá)到消除鑄件縮孔縮松的目的。設(shè)一點(diǎn)的主應(yīng)力為σ1、σ2、σ3,且σ1>σ2>σ3,最大剪應(yīng)力為屈雷斯加屈服條件為式中,C為定值,取決于材料在變形條件下的性質(zhì),與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。在壓縮條件下發(fā)生屈服時(shí),σ1=σs,σ2=σ3=0,則由于在鍛造時(shí),材料的屈服強(qiáng)度是很低的,同時(shí)在鍛造過程中還必須考慮模具摩擦阻力的影響,因此補(bǔ)縮力的大小在充分考慮了各個(gè)因素影響后按下式計(jì)算式中,P為補(bǔ)縮力,kN;σs為鍛造溫度下材料的屈服強(qiáng)度,MPa,查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定;A為與補(bǔ)縮力垂直鍛件投影面積,cm2。鋁合金在500℃時(shí)σs=11~25MPa,輪轂中心面積為200.96cm2,因此計(jì)算出鍛壓比壓為157.3~357.5MPa。如果鍛造溫度下的材料屈服強(qiáng)度無法確定,也可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行補(bǔ)縮力計(jì)算。式中,K為合金種類系數(shù),查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定;H為鍛件中鍛造時(shí)阻力較大部分的高度,mm;a為與H部分相對(duì)應(yīng)的平均厚度,mm。鋁合金中K=800~1000MPa,H=200mm,a=4mm,由此計(jì)算得鍛壓比壓為100.8~126.0MPa。2.3補(bǔ)縮力模擬對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行多次雙重?cái)D壓鑄造數(shù)值模擬,補(bǔ)縮位置設(shè)置在輪轂中心,鑄造參數(shù)采用擠壓鑄造時(shí)的擠壓參數(shù),鍛造開始時(shí)間為輪轂快凝固終了時(shí),補(bǔ)縮力以經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù)建立補(bǔ)縮力參數(shù)模擬,模擬結(jié)果見圖8。由圖8可知,補(bǔ)縮力為110MPa時(shí),縮松缺陷區(qū)域已經(jīng)很小,說明由于補(bǔ)縮力的增加,使鑄件產(chǎn)生塑性變形,對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,明顯減少了縮松缺陷的產(chǎn)生,當(dāng)補(bǔ)縮力在120~130MPa時(shí),無明顯縮松,其微觀縮松危險(xiǎn)區(qū)域也進(jìn)一步減小。3u3000加壓部位(1)針對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行了擠壓鑄造數(shù)