技术帖 | 基于ANSYS 和Pro/E 的镁铝合金汽车轮毂铸模设计

节能逐渐作为摩托车及汽车技术发展的核心部分。为此近些年来全球各大汽车集团公司为了争取市场，不但越来越美化外观，而且着重降低燃油消耗量及提高汽车的性价比，这是现代汽车技术发展的趋势。

利用镁合金轮毂设计有如下优势：①降低汽车自身重量，以达降低能源消耗，提升环保的效果；②增强刹车、加速等车辆操控性能；③阻尼性好，增强车辆平稳性；④导热性好，以免长时行驶产生爆胎现象。

本文使用镁铝合金使轮毂轻量化，利用pro/E 软件对轮毂结构重新设计，使用挤压铸造技术。利用有限元分析并模拟镁合金工艺数值，改进铸造工艺和模具设计，规避太多的模具修改，使新品研发周期缩短，试模经费降低。

1 、汽车轮毂模型实体设计

使用Pro/E 软件对实体完成图1（a）旋转截面的设计并建立了回转中心线，图1（b）为设计的实体模型。

2、挤压铸造镁合金轮毂的数值模拟

2.1 模拟前期处理

轮毂材料使用AZ91D，模具材料使用H13 钢，在材料参考中可查出这两种材料具体的物理参数。通过反复模拟分析结果对比拟定各工艺参数如下：铸型起初温度是300℃，浇注温度是680 ℃，冲头压射速率是0.7 m/s，保压压力为80 MPa，在金属彻底充满型腔后，将压力在85 ms 内快速增大到100MPa。

2.2 有限元分析

ANSYS 包含多种的网格划分方式，划分精度属于8 级。总共包含了4 988 040 个单元。AZ91D 物理性能参数分别为密度ρ=1 680 kg/m3， 比热容c=1.3kJ/kg·k，液相线温度θ=595℃, 固相线温度θs=470℃,潜热H=373 kJ/kg，热传导系数k=90 W2/m.k。计算中采用的镁合金液浇注温度为700℃，模具初始温度为300℃，浇注速度为0.7 m/s,保压时间为40 s。镁合金轮毂的整个填充过程在5 s 内完成各时间的填充状态和温度场分布如图2。

从图2可看到，先是镁合金液稳定地从浇口进入且填充轮毂轮芯部分，再慢慢地注入至每个轮辐中。于1.03 s 时合金液抵达轮毂和轮辐交接处，于2.52 s 时处于各轮辐顶端间的镁合金液汇合一起，此刻温度处于640℃上下，镁合金前端部分属于完全流动状况。于3.95 s 的时候镁合金液前端抵达轮毂顶端位置，而且轮毂被完全充型，这时候上端合金液温度是590℃上下，处在可流动状况故不会出现冷隔缺陷和欠铸，轮毂下端位置合金温度是630 ℃上下，上下端温度差大概50℃，当填充结束尾段，轮芯上方的合金温度依然与浇注温度（690 ℃） 相接近。

从轮毂填充分析过程总可看到：因为存在有凹槽，所以当合金液体前端抵达轮辐中央处的时候，导致轮辐中部液体流动速度变慢，处于凹槽里的气体或许会受到两端的液体包围，未能及时逃逸以致凝固过程中出现气孔缺陷。

3、轮毂压铸缺陷分析及消除

3.1 缺陷分析

根据以上镁合金通过低压条件下铸造过程，结合模拟分析，可看出存在可能产生缩孔及气孔的缺陷。气孔的成因通常包括两种，**种是处于填充过程时气体被卷入而产生外形比较规则且内表面光滑光亮的空洞；第二种则是合金精炼不够抑或熔炼错误，气体在合金当中溶解，压铸的时候很快凝固，而溶解在金属内部的气体不能及时析出，导致金属内的气体滞留于铸件内最终形成了空洞。解决方法为：改变轮辐的结构及降低浇注速度。

从整体上看轮辋部位依旧不属于同步凝固，每个轮辐之间的凝固要比对应的轮辐的凝固要早，不过由于浇注速度的减低，对应每个轮辐的部位却能同步凝固，未能产生液体孤岛，则避免了在轮毂处出现缩孔缺陷，而各自轮辐和轮毂会接处出现的热节仍然存在，因此模具此处的冷却性还要逐步改良，以免出现缩孔缺陷。

3.2 缺陷消除优化

依据以上分析缺陷消除优化方法如下：增加冷却系统：为使轮辋端部实现同步降温避免产生缩孔缺陷，在轮辋端部增设冷却系统。延缓注射速度：把原来注射速度延缓到0.5 m/s。合理提升模具温度，确保导热均匀。提升合金液温度：把合金液原始温度增加至850℃。调整浇口尺寸。这里设置充型速度为0.5 m/s，铸液温度850℃，模温400℃；优化工艺后充型过程

从上面模拟程序对比可知，充型速度是0.5 m/s时金属液体充型都相对平稳。速度均匀时，于充型全过程中，会接处液体速率差别小，避免互相冲击出现紊流，并且稳定的变化率小，铸件温度随着温度梯度及冷却率降低而分布越均匀，则在结晶形成过程中形成粗大晶粒机会降低，对提高铸件质量有良好作用。从充型速度场得出，合金熔液能平稳进行充型，所以说**充型速度是0.5 m/s。

3.3 充型温度场和凝固过程优化分析

通过挤压浇注充型铸造镁合金轮毂的过程可知,金属液通过中心浇道注入轮辐，再随着轮辐对型腔开展填充。合金液起初于轮毂下方会接处融汇，在此处开设溢流槽，能将前沿含气多、杂质多、质量差和温度低的合金液流充分收集，再通过层叠法进行充型，将气体不断向上赶，而后进入轮毂边的溢流槽。在充型的全过程中，充型状态佳，合金液体速率稳，温度变化小，当型腔完全充满后，铸件温度仍然均匀分布。

从图4 可以看出，在固定压力条件下将铸件保压凝固，铸件快速凝固且平稳，同时温度均匀分布。铸件的凝固过程最初是浇道，于填充过程未段合金液体前端部分的温度处于600℃上下，还属于流动状态，虽然浇注速度渐渐下降但轮毂上端并未出现欠铸及冷隔现象，大体上完成了轮缘、轮辐和轮毂浇口的依次凝固，有助于传递压力，很好地对铸件进行补缩，令铸件关键部位免于出现浇不足、缩孔或缩松等缺陷，生产出致密、组织均匀且偏析少的铸件。

4、结论

应用pro/e 软件完成了汽车轮毂模具的实体设计，对其进行了三维造型检测，确定采用层切面法，设置层数10 和偏距20 mm， 建立了镁合金轮毂铸造模具的有限元模型，完成各时间的填充状态和温度场分布模拟，对卷气缺陷、凝固缺陷进行了有限元分析完成了初始冷却水道设计、冷却水道改进设计，实现了浇口尺寸修改和充型速度后充型速度场有限元分析。

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