摘要：本文運用ESI公司的PAM-CASTTM軟件對鎂合金輪轂的低壓鑄造過程進行了模擬，分析了在填充過程中溫度場、流場以及凝固過程中溫度、液體分數的分布情況，預測了各種可能出現的缺陷，并解釋了這些缺陷的產生機理，同時給出有效的解決方法，為改進鑄造工藝和模具設計提供了可靠的科學指導。
關鍵詞：鎂合金，輪轂，低壓鑄造，模擬
前言
鎂是工業中最輕的常用金屬材料，質量密度約為鋁的2/3，鐵的1/4。鎂及鎂合金還具有比強度高、剛度好、良好的阻尼系數、抗電磁干擾及屏蔽性好以及回收利用率高等優點，在汽車、航空、航天、電子等行業有著很大的應用潛力。因此，鎂及鎂合金被認為是21世紀最富于開發和應用潛力的“綠色材料”。根據西方汽車工業界的展望，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。
汽車零件未來發展的目標是用近凈形成形方法生產精密優質的鑄件。低壓鑄造是近無余量鑄造工藝，其特點是鑄件充型平穩，并在壓力下補縮、凝固，生成的鑄件尺寸精度高，內部質量優良，以及生產率較高等優點，成為鎂合金鑄件生產的重要工藝。而在實際生產中往往會出現許多缺陷，如縮孔、縮松、裂紋等，這些缺陷對產品的使用構成了很大的危險，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系，通過對鑄造過程的分析可以為消除這些缺陷提供科學的理論依據和方法。
商業鑄造模擬軟件PAM-CASTTM采用有限差分法能夠對各種材料和澆鑄工藝進行填充和凝固的3D模擬，并對流體通過的表面與坐標軸不完全一致的地方采用修正因子進行補償，更真實地模擬流體在模型中的流動。本文運用此軟件對鎂合金輪轂低壓鑄造過程進行模擬并分析了充型與凝固過程的溫度場、流場和液體分數的分布情況，進而預測各種可能出現的缺陷，并結合分析結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里進行表面網格的劃分，并自動生成體網格。整個模型共劃分了1,894,528個單元，在其中輪轂最薄的輪網部分保證有2-3個單元，以保證模擬的準確性，如圖2。 在模擬中使用的鎂合金為AZ91D，各種物理性能數據如表1，其中密度、比熱、熱傳導率是溫度的函數，表中只列出了在650 ℃左右的參數值。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℃，內澆口速度為0.5m/s。
表1 AZ91D的物理性能參數
圖1 輪轂幾何模型 圖2 輪轂體元素模型
結果描述與分析
輪轂的整個填充過程在6.22s內完成,如圖3，首先合金液體很平穩地填充了輪心部分，然后平緩地進入到輪輻中。在1.38s時合金液體前沿到達輪輻與輪網的連接處，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輪網中部，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時合金液體到達輪網頂部，整個輪轂被全部充型。此時沒有發生欠鑄和冷隔缺陷，輪網上緣合金溫度為580℃左右，處于可流動狀態，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，當合金液體前沿到達輪輻中部時，由于凹槽的存在，使輪輻中部液體的流動減緩，凹槽內的氣體可能被兩端的液體所包圍，產生氣孔缺陷，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時結束，如圖6。在開始凝固階段，輪網的凝固不是很平緩地逐漸進行，對應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 稱結構，其中三個區域，處于輪網部分的最后階段凝固，所以預計會產生縮孔，如圖6-d。因鎂合金的容積熱容量比較小，因此在輪輻中部區域會產生早期凝固現象，而在輪輻與輪網的連接處產生熱節，于是在這些區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，從而會降低輪轂質量。
圖6 凝固過程液體分數分布
圖7 凝固過程中各個測試點溫度曲線
缺陷的產生原因與消除方法
低壓鑄造生產中鑄件比較容易產生一些鑄造缺陷，其原因是多方面的，與鑄造設備、模具、工藝和具體的操作有關，為了獲得高質的鎂合金鑄件，必須對產生的質量問題做出正確的判斷，找出真正的原因，并提出相應切實可行有效的改進措施，以提高鑄件的質量。
在本文研究的鎂合金低壓鑄造過程中，根據模擬的分析，預測出可能產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，卷入氣體形成的內表面光亮和光滑、形狀較為規則的空洞。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，溶于金屬內部的氣體來不及析出，使金屬內的氣體留在鑄件內而形成的空洞。
在填充過程中，輪輻中部產生的氣孔屬于上面介紹的第一種情況，其改善措施有：降低內澆口的速度； 改變輪輻的幾何結構。
2．縮孔：鑄件在凝固過程中，金屬補償不足所形成的呈暗色、表面粗糙、形狀不規則的空洞。 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計不合理造成的。其改善措施有：改進輪心部位為完全軸對稱結構；改善模具的冷卻系統。
本文運用商用軟件PAM-CASTTM對鎂合金輪轂低壓鑄造進行了數值模擬，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行了分析，包括溫度場，速度矢量場和液體分數。進而預測了在此過程中可能出現的各種缺陷，并提出了消除這些缺陷而采取的措施。同時為實際生產準確地確定出填充和凝固時間。該模擬及分析結果對提高鑄件質量、性能和生產效率，降低和消除鑄造缺陷具有很重要的實際意義。
關鍵詞：鎂合金，輪轂，低壓鑄造，模擬
前言
鎂是工業中最輕的常用金屬材料，質量密度約為鋁的2/3，鐵的1/4。鎂及鎂合金還具有比強度高、剛度好、良好的阻尼系數、抗電磁干擾及屏蔽性好以及回收利用率高等優點，在汽車、航空、航天、電子等行業有著很大的應用潛力。因此，鎂及鎂合金被認為是21世紀最富于開發和應用潛力的“綠色材料”。根據西方汽車工業界的展望，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。
汽車零件未來發展的目標是用近凈形成形方法生產精密優質的鑄件。低壓鑄造是近無余量鑄造工藝，其特點是鑄件充型平穩，并在壓力下補縮、凝固，生成的鑄件尺寸精度高，內部質量優良，以及生產率較高等優點，成為鎂合金鑄件生產的重要工藝。而在實際生產中往往會出現許多缺陷，如縮孔、縮松、裂紋等，這些缺陷對產品的使用構成了很大的危險，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系，通過對鑄造過程的分析可以為消除這些缺陷提供科學的理論依據和方法。
商業鑄造模擬軟件PAM-CASTTM采用有限差分法能夠對各種材料和澆鑄工藝進行填充和凝固的3D模擬，并對流體通過的表面與坐標軸不完全一致的地方采用修正因子進行補償，更真實地模擬流體在模型中的流動。本文運用此軟件對鎂合金輪轂低壓鑄造過程進行模擬并分析了充型與凝固過程的溫度場、流場和液體分數的分布情況，進而預測各種可能出現的缺陷，并結合分析結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里進行表面網格的劃分，并自動生成體網格。整個模型共劃分了1,894,528個單元，在其中輪轂最薄的輪網部分保證有2-3個單元，以保證模擬的準確性，如圖2。 在模擬中使用的鎂合金為AZ91D，各種物理性能數據如表1，其中密度、比熱、熱傳導率是溫度的函數，表中只列出了在650 ℃左右的參數值。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℃，內澆口速度為0.5m/s。
表1 AZ91D的物理性能參數
圖1 輪轂幾何模型 圖2 輪轂體元素模型
結果描述與分析
輪轂的整個填充過程在6.22s內完成,如圖3，首先合金液體很平穩地填充了輪心部分，然后平緩地進入到輪輻中。在1.38s時合金液體前沿到達輪輻與輪網的連接處，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輪網中部，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時合金液體到達輪網頂部，整個輪轂被全部充型。此時沒有發生欠鑄和冷隔缺陷，輪網上緣合金溫度為580℃左右，處于可流動狀態，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，當合金液體前沿到達輪輻中部時，由于凹槽的存在，使輪輻中部液體的流動減緩，凹槽內的氣體可能被兩端的液體所包圍，產生氣孔缺陷，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時結束，如圖6。在開始凝固階段，輪網的凝固不是很平緩地逐漸進行，對應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 稱結構，其中三個區域，處于輪網部分的最后階段凝固，所以預計會產生縮孔，如圖6-d。因鎂合金的容積熱容量比較小，因此在輪輻中部區域會產生早期凝固現象，而在輪輻與輪網的連接處產生熱節，于是在這些區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，從而會降低輪轂質量。
圖6 凝固過程液體分數分布
圖7 凝固過程中各個測試點溫度曲線
缺陷的產生原因與消除方法
低壓鑄造生產中鑄件比較容易產生一些鑄造缺陷，其原因是多方面的，與鑄造設備、模具、工藝和具體的操作有關，為了獲得高質的鎂合金鑄件，必須對產生的質量問題做出正確的判斷，找出真正的原因，并提出相應切實可行有效的改進措施，以提高鑄件的質量。
在本文研究的鎂合金低壓鑄造過程中，根據模擬的分析，預測出可能產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，卷入氣體形成的內表面光亮和光滑、形狀較為規則的空洞。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，溶于金屬內部的氣體來不及析出，使金屬內的氣體留在鑄件內而形成的空洞。
在填充過程中，輪輻中部產生的氣孔屬于上面介紹的第一種情況，其改善措施有：降低內澆口的速度； 改變輪輻的幾何結構。
2．縮孔：鑄件在凝固過程中，金屬補償不足所形成的呈暗色、表面粗糙、形狀不規則的空洞。 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計不合理造成的。其改善措施有：改進輪心部位為完全軸對稱結構；改善模具的冷卻系統。
本文運用商用軟件PAM-CASTTM對鎂合金輪轂低壓鑄造進行了數值模擬，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行了分析，包括溫度場，速度矢量場和液體分數。進而預測了在此過程中可能出現的各種缺陷，并提出了消除這些缺陷而采取的措施。同時為實際生產準確地確定出填充和凝固時間。該模擬及分析結果對提高鑄件質量、性能和生產效率，降低和消除鑄造缺陷具有很重要的實際意義。
