因輻條中間部位很薄，再減薄模具壁厚會使輻條中部比根部過早凝固，從而導(dǎo)致根部的縮松。為此，在下模底部的中空部位添加保溫材料，使輻條邊緣壁厚的凝固慢一些，成為補縮通道，而輻條中部可以更早凝固獲得較好的微觀組織和機械性能。對兩種模具設(shè)計方案的鑄造模擬結(jié)果見圖4～圖6所示。
從圖4可看出，初始設(shè)計時凝固時間為155s，改進后的凝固時間為131s，縮短了成型周期。從圖5可看出，相同位置的晶粒尺寸，改進后的設(shè)計要比初始設(shè)計小，在輻條位置處，初始設(shè)計的晶粒尺寸約為30.6μm，改進后為29.0μm。從圖6可看出，在輻條根部，初始設(shè)計時鑄造產(chǎn)生的縮松比較大，改進設(shè)計的車輪輻條根部縮松產(chǎn)生的幾率比較小。
4 結(jié)果與討論
表1為初始方案和改進方案的鑄件各部位的抗拉強度、屈服強度和伸長率的比較。從表1可知，改進設(shè)計后輻條部位的伸長率明顯比初始設(shè)計有所提高，并達到3%的要求。
根據(jù)圖5的晶粒尺寸分布與表1的機械性能數(shù)據(jù)可知，車輪相同部位晶粒尺寸越小其機械性能越好，表明了模擬結(jié)果的正確性。這就將微觀組織與機械性能建立了準定量的數(shù)學(xué)關(guān)系，為直接預(yù)測機械性能提供了依據(jù)。
凝固數(shù)值模擬經(jīng)過近年來的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，鑄造CAE應(yīng)用于低壓鑄造鋁合金車輪仍然是以凝固模擬為基礎(chǔ)，具有一定的精度。但是由于邊界條件復(fù)雜，模具表面通常噴有涂料，涂料層的厚度對傳熱有很大影響，所以界面換熱系數(shù)很難精確測量。因此，CAE模擬結(jié)果的準確性在一定程度上依賴于工程經(jīng)驗。而且鑄造CAE只能夠?qū)σ延心＞咴O(shè)計方案進行模擬，軟件還不能夠根據(jù)模擬結(jié)果自動進行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進。
還應(yīng)注意，低壓鑄造鋁合金車輪力學(xué)性能不僅受模具結(jié)構(gòu)影響，而且還受合金成份、熔煉、鑄造工藝等影響；Si相形態(tài)、大小、分布對力學(xué)性能影響很大，當(dāng)以針片狀態(tài)存在時，可看作是材料失效的初始裂紋；Mg元素過高，合金的抗拉強度和屈服強度都有所提高，但是伸長率會下降；Fe元素含量增加會降低合金的抗拉強度和屈服強度，且伸長率降低幅度更大；熔液中含氫量過高會使縮松更為嚴重；各個冷卻水管的開啟時間對縮松產(chǎn)生有直接影響。在全面分析影響鑄造缺陷和力學(xué)性能的因素的基礎(chǔ)上，才能更好地應(yīng)用鑄造CAE技術(shù)指導(dǎo)模具設(shè)計。
5 結(jié)束語
以流體力學(xué)傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，利用Any Casting鑄造模擬軟件，對初始設(shè)計進行了鑄造過程的流場和溫度場的數(shù)值模擬。采用殘余熔體模數(shù)預(yù)測縮孔和縮松缺陷，確定模擬方法模擬微觀組織。根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合鑄件形成的理論與工程經(jīng)驗對模具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。對改進后的模具進行了鑄造模擬，與初始設(shè)計相比，凝固時間縮短，晶粒尺寸和縮松缺陷減小。實際產(chǎn)品和車輪各部位拉伸試驗證明，該方法能夠指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少反復(fù)修模試模所造成的資源與能源浪費，提高工藝成品率。
