低压铸造铝合金轮毂铸型壁厚与铸件壁厚的关系

低压铸造铝合金轮毂铸型壁厚与铸件壁厚的关系 赵丽红1 毕 涛2 (1．秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司;2． TI Automotive) 摘 要 依据数学理论和低压铸造原理，提出模具壁厚和铸件壁厚存在着 δt h = 3λ 2cλw 的比例关系时，液态金属流过铸型表面 才能达到最大的温度梯度。低压铸造铝合金轮毂热节处 δt h = 1． 8 ～ 2． 2 时，有利于轮辋的补缩和热节处的凝固。通过实际 生产和有限元模拟对铸型壁厚与铸件壁厚的上述关系进行了验证。 关键词 低压铸造;铝合金轮毂;温度梯度;铸件与铸型壁厚 中图分类号 TG249． 2;O242 文献标志码 A 文章编号 1001 － 2249(2011)03 － 0226 － 03 DOI:10． 3870 / tzzz． 2011． 03． 010 收稿日期:2010-09-24;修改稿收到日期:2010-10-18 第一作者简介:赵丽红，女，1983 年出生，助理工程师，秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司，河北省秦皇岛市经济技术开发区黑龙江西道 15 号(066004) ，电 话:0335 － 8581126，13180148225，E － mail:521 － btllh@ 163． com 模具是成形轮毂的关键工艺装备，其结构的优化 决定了轮毂的成品率及生产成本。金属型模具壁厚对铸 件的凝固速度、铸型的寿命及铸造生产率都有直接的影 响。低压铸造铝合金铸件壁厚一般较薄，铸件冷却主要取 决于金属型的蓄热能力［1 ～3］，增加金属型的壁厚可提高铸 件的冷却凝固速度。但在实际的生产中，型壁增加到一定 厚度之后，对凝固速度的影响就逐渐减弱以至消失。另 外，型壁过厚就会造成内外温差大，型壁上承担的热应力 也大，有时不但不能成正比地提高模具的寿命而且还会出 现相反的情况。此外，为了保证金属型在高温工作时具有 足够的强度和刚度，使其不变形或过早损坏，金属型的壁 厚也不宜太薄。研究铸型壁厚和铸件壁厚之间的关系，使 铸件达到最大的温度梯度，是十分必要的。 1 数学模型的推导与建立 液态金属流经铸型表面所导致温度梯度的数学公 式如下［2］: f(h) x = α［sin(2α)－ 2sin 2α］ 2x(α + sinα)3 (1) α的定义域为(0，π) 对式(1)求导，得到的最大解代入下式中，得到毕 渥数 Bi = 2． 495 806 993，这时液态金属流过铸型表面 可得到最大的温度梯度。 毕渥数 Bi = 3λh2δtλw (2) 式中，Bi 为毕渥数，其值为常数 2． 495 806 993，设此常 数为 c;λ 为铸型的热导率;h 为铸件的厚度;λw 为金属 液的热导率;δt 为热边界层的厚度(模具被热量辐射的 厚度)。 由式(2)得出模具的壁厚与铸件的壁厚满足下式 时，将会获得最大的温度梯度。 δt h = 3λ 2cλw (3) 2 实例分析与验证 低压铸造铝合金轮毂模具壁厚设计材料的收缩率 约为 0． 6%，铝合金轮毂铸件三维图见图 1。 图 1 轮毂 3D造型 1．窗口 2．轮辐 3．轮心 4．轮辋 5．热节 所选用的 Al-Si合金的化学成分见表 1。 表 1 Al-Si合金的化学成分 % wB Si Mg Ti Fe Cu Zn Ni Pb Mn Sn Al 6． 5 ～ 7． 5 0． 20 ～ 0． 40 ＜ 0． 20 ＜ 0． 30 ＜ 0． 10 ＜ 0． 10 ＜ 0． 10 ＜ 0． 10 ＜ 0． 20 ＜ 0． 05 余量 轮毂的中心壁厚为 25 ～ 50 mm，轮辐部位为 10 ～ 25 mm，轮辋部位为 10 ～ 13 mm，轮辐和轮辋连接处存 在较大的热节，热节厚为 27 ～ 35 mm。模具由成形系统 (又称铸型系统)、排气系统、浇注系统、冷却系统、顶出 系统 5 大部分组成。铸型分顶模、底模和边模，顶模和 底模采用热作模具钢 H13，边模采用 35CrMo。 浇口放置在轮毂的中心位置，高温铝液(铝液浇注 温度为 690 ～ 710 ℃)从轮毂的中心部位流经轮辐，最 后到达轮缘。利用金属壁厚的变化，有效地控制铸件凝 固的过程，实现顺序凝固。冷却顺序原则是:首先轮辋部 位由上往下的顺序凝固，随后轮辐部位由外部向内部逐 622 压 力 铸 造 特种铸造及有色合金 2011 年第 31 卷第 3 期 步的凝固，最后凝固的是轮毂的中心部位。 轮辋部位壁厚较薄，并且离浇口较远，铝液剩余的 热量相对较少，铸件的冷却主要取决于金属型的蓄热能 力，空气与模具的传热与模具本身的蓄热能力相比可以 忽略不计，所以希望轮辋处铸件的温度梯度最大。设计 轮辋处模具壁厚须满足式(3)。 铸件 的 材 料 为 A356． 2，热 导 率 为 1． 504 8 W/(cm·℃) ;模具的材质为 H13，热导率为 0． 278 8 W/(cm·℃)。代入式(3)得 δt h = 3． 23。 轮辋与轮辐连接处是轮毂的热节部位，此处壁厚 一般为 27 ～ 35 mm，是给轮辋提供补缩的通道，而且要 在轮辐之前凝固。所以铝液在此处不能形成较大的温 度梯度，一般情况下 δt h = 1． 8 ～ 2． 2。 轮辐部位，铸件壁厚为 10 ～ 25 mm，此部位是给轮 辋和热节处提供补缩的通道。要求轮辐部位能够顺序 凝固，并且力学性能好，必须同时满足下列条件:①此部 位的温度梯度小于轮辋但大于中心部位;②在满足模具 寿命的前提下，模具壁越薄越好。 轮心部位，铸件相对较厚，为 25 ～ 50 mm，为了充分 发挥中心浇口的补缩作用，有利于顺序凝固，希望此处 最后凝固。因此此处壁厚应满足下列条件:①温度梯度 要小于轮辐部位的温度梯度;②在满足模具寿命的前提 下，模具壁越薄越好。 对于热节处采取强制冷却;对于局部影响补缩的 “冷节”，可在背后的四周钻孔铣槽，然后填充保温材 料，以增加热阻，以调节出一个符合补缩的温度场分布。 设计模具见图 2。 图 2 模具设计图 3 有限元模拟模具温度场的分析 采用有限元 ANSYS 对上述模具设计进行分析，用 热焓法来处理结晶潜热。为节约计算机内存，取实际模 型的 1 /10 进行模拟。 3． 1 模拟中的初始条件 铸件与模具之间是紧密结合的，二者之间只发生热 传导。在铝合金轮毂低压铸造过程中，模具外表面温度 不高，所以只考虑模具与空气的对流换热，而不考虑对 空气的辐射［5］。使用的材料和现场生产保持一致，铸 件材料为 A356． 2，模具材料为 H13 钢。假设铝液瞬时 充满型腔，浇注温度为铸件的初始温度，在试验中铸件 的浇注温度为 700 ℃，模具的预热温度为 350 ℃。 3． 2 计算模拟结果及分析 汽车轮毂的主要结构见图 1，模具设计见图 2，模具 网格图见图 3;有限元 ANSYS模拟分析结果见图 4。 图 3 模具网格剖分图 通过观察发现，铸件在 1 s 时轮辋处开始结壳凝 固，20 s时轮缘部位已经凝固，轮辋开始凝固。180 s时 722 低压铸造铝合金轮毂铸型壁厚与铸件壁厚的关系 赵丽红 等 (a)1 s (b)20 s (c)180 s 图 4 有限元模拟铸件的温度梯度 轮辋已经凝固，轮辐开始凝固。这说明此套模具型腔给 铸件提供了一个顺序凝固的温度场。 此模具设计已经用部分轮型进行试验，试验效 果明显。对试样的轮心和轮缘部位分别取样，以观察微 观组织情况，见图 5 和图 6。 图 5 轮心部位金相组织 × 200 图 6 轮缘部位金相组织 × 200 可以看出，轮缘和轮心处的组织致密，成分均匀，且 晶粒细小。 对试样进行力学性能检测。取 10 个试样的平均值 作为最后的结果。力学性能结果见表 2。通过表 2 可 以看出，力学性能较好，能满足使用要求。 表 2 力学性能测试结果 屈服强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 伸长率 /% 外轮缘 176 281 16． 7 内轮缘 172 274 16． 0 轮辐 161 254 6． 5 轮心 153 230 4． 7 4 结语 通过理论推导，得出低压铸造铝合金轮毂轮辋部 位、热节部位及轮辐部位的铸型壁厚和铸件壁厚的关 系。并通过有限元 ANSYS的模拟分析发现铸件能够得 到一个合理的温度场。实际生产显示，产品的合格率达 到 98%以上，基本杜绝了轮辋缩松和热节处的缩松现 象。从轮毂的金相组织可以看出，该方法生产的铸件组 织致密均匀，且晶粒小、成分均匀。 参 考 文 献 ［1］ 李庆春．铸件形成理论［M］．北京:机械工业出版社，1982． ［2］ 董秀琦．低压及差压铸造理论与实践［M］．北京:兵器工业出版社，2002． ［3］ 李玉涛．铝合金车轮制造技术基础［M］．北京:机械工业出版社，2004． ［4］ 潘晓涛，贺伯平，阳林，等．汽车铝合金轮毂低压铸造模具设计［J］． 机电工程技术，2005，34(9) :46-48． ［5］ 张涯飞，王雷刚，黄瑶．铝合金轮毂低压铸造模具温度场数值分析 ［J］．特种铸造及有色合金，2009，29(2) :134-136． (编辑:张正贺 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪 殏 殏殏 殏 ) 日本镁协电谢中国同仁对日本地震灾区各界的慰问 日本镁协会长、日本金属株式会社会长相良达一郎，于 2011 年 3 月 14 发来电函，对中国同业及朋友对此次日本 地震各界的关心和慰问，表示深切的感激: 此次日本东北地区发生 9． 0 级地震，为人类有历史记 录以来的一次超强地震，因地震引发海啸造成危害幅度之 深之广，所造成的伤亡及损失尚在扩大之中，电讯中断，交 通阻绝，全盘局势几乎失控。 不幸中之大幸，我家族成员及企业从业人员皆未有伤 亡情况，请各位不需担心。 托大家的福，家庭以及单位受地震影响的程度相较全 盘局势算是轻微，但此次地震对日本全国造成如此重大的 创伤，使我们完全无法置身事外。 特别是福岛核能发电厂受到此次地震冲击，目前进入 高戒备状态，也给海外其他国家造成安全威胁及困扰，除了 针对现状尽全力挽救，似乎别无良方。 震央以外地区虽说幸免于惨重伤亡，但根据政府 停电及能源配置原则加之东京地区加油站供油短缺及食物 供应断续的影响在所难免，我想未来仍旧将面临诸多问 尚待克服。在此艰难期间，本人再次对各界的慰问及支持 表示感谢，致上灾后现况报告及深厚的感激之意! (本刊编辑部 报道) 822 特种铸造及有色合金 2011 年第 31 卷第 3 期 fang2，Wu Shusen1(1． State Key Laboratory of Materials Processing and Die ＆ Mold Technology，Huazhong Univer- sity of Science and Technology，Wuhan， China; 2． Guangdong Hongtai Technology (Holdings)Co．，Ltd．， Gaoyao，China)2011，31(3)0222 ～ 0225 Abstract We have developed key techniques including vacuum valve and its control equipment for high vacuum die casting． The running principle of the vacuum valve is that exhausting channel is closed by a level arm driven by liquid pressure in the valve． Vacuum control apparatus u- ses PLC and touch screen technology to make sure reliable working state of valve． The vacuum die casting technology has been used for producing car chassis part，transmission box and 3G housing，and desirable effects are achieved． Key Words:Vacuum Valve，Vacuum Die Casting， Vacuum Control Apparatus，PLC Relationship between Mould Wall Thickness and Wheel Wall Thickness in Low Pressure Casting Alumi- num Alloy Wheel Zhao Lihong1，Bi Tao2(1． Qinhuang- dao Dicastal-xinglong Wheel Manufacturing Co．，Ltd．， Qinhuangdao，China;2． TI Aumotive )2011，31(3) 0226 ～ 0228 Abstract Based on mathematical principle and low pres- sure casting principle，when function relation between mould wall thickness and wheel wall thickness is δt h = 3 2 λ cλw ，liquid metal can obtain the maximum temperature gradient on the mould surface． When δt h is 1． 8 ～ 2． 2 at hot spot of low pressure casting aluminum alloy wheel，it is beneficial for rim feeding and solidification of hot spot， which is effectively verified by practical production and FEM analysis． Key Words:Low Pressure Casting，Aluminum Alloy Wheel，Temperature Gradient，Wheel and Mould Wall Thickness Manufacturing Magnesium Alloy Wheel for Motorcy- cle by Die Casting Zeng Yuemei，Tang Tiezhuang， Zhou Jian，Li Yangde (Dongguan Eon Technology Co．， Ltd．，Dongguan，China)2011，31(3)0229 ～ 0232 Abstract Vacuum-assisted local supplement pressure tech- nology was used to produce back wheel hub of magnesium alloy motorcycles． The mould was poured tangentially via the rim edges of the wheel with collected-residual alloy at center，effectively eliminating the inclusion and shrinkage hole (porosity)in hot spot in the wheel． Design of vacuum system and vacuum process could prevent oxidation and air entrapment，and the vacuum degree in the mould cavity could reach 2． 9kPa． Local supplement pressure could a- void the formation of shrinkage hole resulted from different solidification rate from center of wheel hub to their edge． Meanwhile，some defects easily occurred in magnesium al- loy production，such as cold shut，shrinkage hole，crack， inclusion，and deformation，were analyzed，and counter- measures were presented． Practical production verified that vacuum-assisted local supplement pressure could obtain desirable magnesium alloy wheel． Key Words:Magnesium Alloy，Wheel，Vacuum Die Casting，Local Supplement Pressure Numerical Simulation of Die Casting 6063 Aluminum Alloy Bracket and Its Processing Parameters Huang Yong，Guo Jibin，Huang Yao，Du Xiaoming，Xu Minghai，Wu Qiong (School of Materials Science and Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang，Chi- na)2011，31(3)0232 ～ 0234 Abstract Filling and solidification process of die casting 6063 aluminum bracket were simulated by the ProCAST software to obtain the distribution and change of velocity and temperature field． The results indicate that the factors influencing filling process are as follows in sequence:pou- ring temperature，pre-heating temperature of mould，filling velocity． The desirable aluminum alloy bracket was suc- cessfully produced with pouring temperature at 600℃ and pre-heating temperature of mould at 200℃ as well as fill- ing velocity at 2． 5 m /s． Key Words:Bracket，Die Casting Die，Numerical Simulation Design of Die Casting Mould with Two Parting Surface for Complex Thin Shell Castings Li Shuyu1，Tian Fux- iang2(1． School of Automobile and Traffic，Qingdao Technology University，Qingdao，China;2． Department of Mechanical Engineering，Qingdao Technological Universi- ty，Qingdao，China)2011，31(3)0235 ～ 0236 Abstract In accordance with the characteristics of thin wall，large wrapping area and structure complexity，the Ⅲ