电动车镁合金轮毂压铸数值模拟及工艺参数优化

GXF360 2017-08-25

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■董淑红，张慧绒，胡思远，崔云波

摘要：利用数值模拟软件，对电动车镁合金轮毂压铸进行数值模拟，得到金属充型过程、凝固过程以及缺陷预测结果。针对存在缺陷进行工艺优化及模具改进，最终得到最优工艺参数以及合理的模具结构，并进行压铸试验得到完整、无缺陷的轮毂，验证模拟结果，为实际生产提供可靠依据。

关键词：压力铸造；AM60B；数值模拟；参数优化；镁合金；轮毂

随着经济技术的发展，能源的紧缺与环境污染得到广泛的关注，旧式交通工具逐渐被新能源交通工具所替代，其中电动自行车已广泛取代摩托车成为最重要的城市交通工具之一[1]。电动车轻量化和节能环保的要求逐步提出，镁合金作为目前工程应用中最轻的金属材料，已应用于电动车轮毂等关键运动部件。镁合金不仅满足了轮毂具有的高疲劳强度、刚度好、弹性好，同时还满足了减振性、安全性和轻量化的要求[2]。

近年来，随着学者研究的深入，提出了许多新式成形方法，其中有真空压铸、充氧压铸、半固态压铸等引起了广泛关注[3]。这些新式铸造方法具有缺陷少、力学性能良好等优点，但因技术提升带来成本的提高，所以实际生产应用较少。传统重力铸造与压力铸造应用较广，是现阶段镁合金轮毂主要的生产方式，研究镁合金轮毂压铸模具设计对实际生产具有指导作用。本文利用铸造数值模拟软件Magma，对镁合金轮毂的压铸成形过程进行仿真模拟，预测缺陷并进行工艺优化，以指导模具设计和工艺参数优化，为实际生产提供依据。

1. 试验方法及过程

（1）压铸件工艺分析利用三维造型软件UG进行压铸件的造型设计，如图1所示。轮毂最大直径为219mm，高度为100mm，质量为630g，表面粗糙度Ra值为12.5μm。从图中可以看到轮毂呈对称形，轮毂中部较厚而其他部位较薄，各部位厚度不均匀成形难，易形成缺陷。铸件要求质量较高，不允许出现缩孔、裂纹等缺陷。轮毂材料为AM60B（ASTM），作为目前应用最广泛的镁合金之一，具有良好的铸造性、减振性、耐冲击载荷等优点，因此成为轮毂类受力件的首选，AM60B镁合金力学性能见表1。

（2）压铸模初步设计压铸模初步设计如图2所示。由于铸件为环形结构，必须使滑块预先抽出后零件才能顶出，因此采用中心浇口形式，金属液从水平方向注入，金属液从中心流入，因此在中心设计分流锥，一模一件。为了更好地溢流排气，必须在动定模镶块上开设溢流槽，且环形布置了8个。

（3）模拟参数将模具铸件及浇注系统导入模拟仿真软件中（见图3），设置坐标轴以保证重力方向符合工艺条件。对铸件进行网格划分，将网格数量设定为3.5×106，以保证模拟的精确度。铸件材料设置为AM60B，模具材料为H13，材料库中有此材料相关数据直接调用即可。

图1 镁合金轮毂三维造型

表1 AM60B力学性能

抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率(%)硬度HBW 225 130 8 65

铸件与模具间热导率设定为2500W/(m·℃)，模具间热导率为1000W/(m·℃)，模具与环境间换热系数为20W/(m·℃)，环境温度为室温20℃。最后设定压铸工艺相关参数进行模拟。

2. 模拟结果与分析

（1）充型过程模拟及分析对镁合金轮毂压铸充型过程进行数值模拟，图4为镁合金轮毂的充型速度场模拟，充型时间为727ms。由于高压铸造使金属具有较快的流速进行充型，因此充型时间短且金属温度在液相线以上，以保持液态使得金属流动性能好，不易产生冷隔。充型开始时，金属液从位于轮毂中心的浇道处注入，此时金属液具有较大的流动速度（见图4a），充型阶段前期主要充型轮毂中心轴部位；当金属液充型轮辐部位时（见图4b），处于水平方向和竖直轮辐充型具有较快的速度，而与水平面呈45°的4根轮辐充型速度较慢。从图4c可知，当充型轮毂外缘时，由于充型轮辐阶段水平和竖直方向金属液流速较快，因此水平和竖直方向4根轮辐处外缘充型快于其他部分。从整个充型过程来看，最终填充的位置为轮毂外缘与水平线呈45°夹角位置，这些位置最后充型，因此容易积蓄气体且无法排出，会形成气孔缺陷。

图2 压铸模造型

（2）凝固过程模拟及缺陷分析凝固过程用时28.21s，图5为液固相转换示意，从图中可知，整个凝固过程轮辐部位由于金属与模具接触面积大且轮辐厚度较薄，因此温度下降速度最快，最先由液相转变为固相；轮外缘部位水平位置与竖直位置金属凝固速度较快；整个过程中心轴部位最后冷却，这是因为此处不仅壁厚较厚且与浇道相通。从凝固过程上看，轮外缘以及中心轴部分容易产生缩孔缺陷。

图3 模拟环境下的铸件与模具

图5 镁合金轮毂凝固过程液固相限转换示意

通过对轮毂充型过程以及凝固过程进行模拟可以得到对轮毂缺陷的预测。如图6所示，轮外缘顶端因冷却时周围没有金属补充而产生缩孔，其他位置因设置溢流槽而未产生此类缺陷；中心轴部位因其最后冷却而周围金属已凝固，所以产生缩孔缺陷；其余轮辐及轮外缘产生少量的气孔，这是因为充型时间与凝固时间均较短，气体无法溢出而产生的。

（3）优化措施及试验验证针对缺陷预测对工艺参数进行试验讨论，三组工艺参数见表2。图7a、图7b、图7c为三组参数下模拟结果，从图中可以看到第三组试验参数可将缺陷控制到最小，但仍有部分缺陷。因此，将轮外缘顶部溢流槽进行改善，增大溢流槽与轮外缘接触部分面积；中心处缺陷则通过降低浇注温度、增加保压时间以调整凝固顺序，使其与浇道连接部位最后冷却，以消除缺陷，最终结果如图7d所示，模拟结果显示缺陷完全消除。

根据数值模拟结果所设计的模具内腔进行加工得到压铸模，按照最佳工艺参数进行压铸试验。利用机械加工将飞边清除后，所得镁合金轮毂形状完整，表面良好无缺陷，如图8所示。