前言

　　鎂是工業(yè)中最輕的常用金屬材料，質(zhì)量密度約為鋁的2/3，鐵的1/4屋犯。鎂及鎂合金還具有比強度高、剛度好、良好的阻尼系數(shù)滑期、抗電磁干擾及屏蔽性好以及回收利用率高等優(yōu)點闽但，在汽車、航空凰侈、航天锋力、電子等行業(yè)有著很大的應用潛力。因此郎丰，鎂及鎂合金被認為是21世紀最富于開發(fā)和應用潛力的“綠色材料”吩饶。根據(jù)西方汽車工業(yè)界的展望，在未來二十年里洛惹，平均每輛汽車上的鎂合金用量將達到100～120kg唯乃，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500萬噸奋构，是目前全球鎂年需求量（48萬噸）的10倍壳影。

　　汽車零件未來發(fā)展的目標是用近凈形成形方法生產(chǎn)精密優(yōu)質(zhì)的鑄件。低壓鑄造是近無余量鑄造工藝弥臼，其特點是鑄件充型平穩(wěn)宴咧，并在壓力下補縮、凝固径缅，生成的鑄件尺寸精度高掺栅，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，以及生產(chǎn)率較高等優(yōu)點纳猪，成為鎂合金鑄件生產(chǎn)的重要工藝氧卧。而在實際生產(chǎn)中往往會出現(xiàn)許多缺陷，如縮孔氏堤、縮松沙绝、裂紋等，這些缺陷對產(chǎn)品的使用構(gòu)成了很大的危險鼠锈，所以必須找到行之有效的方法消除或降低闪檬。這些缺陷與鑄件的充型和凝固過程有很大的關(guān)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(jù)和方法脚祟。

　　商業(yè)鑄造模擬軟件PAM-CASTTM采用有限差分法能夠?qū)Ω鞣N材料和澆鑄工藝進行填充和凝固的3D模擬丐吹，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烂攒。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性聚、流場和液體分數(shù)的分布情況，進而預測各種可能出現(xiàn)的缺陷筝贮，并結(jié)合分析結(jié)果提出消除這些缺陷問題的方法饶粪。

　　模型的建立

　　使用CAD軟件UG對輪轂實體造型苗隔，如圖1所示。然后在PAM-CASTTM里進行表面網(wǎng)格的劃分镰鹤，并自動生成體網(wǎng)格溺六。整個模型共劃分了1,894,528個單元，在其中輪轂最薄的輪網(wǎng)部分保證有2-3個單元达华，以保證模擬的準確性伪给，如圖2。 在模擬中使用的鎂合金為AZ91D晒淮，各種物理性能數(shù)據(jù)如表1盲如，其中密度、比熱敲霍、熱傳導率是溫度的函數(shù)俊马，表中只列出了在650 ℃左右的參數(shù)值。計算中采用的鎂合金液澆注溫度為690℃肩杈，初始模具的溫度為420℃柴我，內(nèi)澆口速度為0.5m/s。

　　結(jié)果描述與分析

　　輪轂的整個填充過程在6.22s內(nèi)完成,如圖3扩然，首先合金液體很平穩(wěn)地填充了輪心部分艘儒，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(wǎng)的連接處夫偶，并在2.13s時各個輪輻頂端間的合金液體匯合彤悔，此時的溫度為640℃左右。在4.88s時澆注液體前沿到達輪網(wǎng)中部索守，此時合金液體溫度為590℃左右。

　　在6.2s時合金液體到達輪網(wǎng)頂部抑片，整個輪轂被全部充型卵佛。此時沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷，輪網(wǎng)上緣合金溫度為580℃左右议乐，處于可流動狀態(tài)奥憎，下緣部位合金溫度為630℃左右，上緣和下緣的溫差為約50℃忙坡。在填充結(jié)束末輪心上端的合金溫度仍然接近于澆注溫度690℃眉藤。

　　在輪轂填充過程，當合金液體前沿到達輪輻中部時邪笆，由于凹槽的存在琴邻，使輪輻中部液體的流動減緩，凹槽內(nèi)的氣體可能被兩端的液體所包圍熏尉，產(chǎn)生氣孔缺陷赂燎。

　　在填充過程完成后飞熙，凝固過程開始，并在136.25s時結(jié)束向膏，如圖6豪纸。在開始凝固階段，輪網(wǎng)的凝固不是很平緩地逐漸進行逞迟，對應各輪輻之間部位的凝固先于輪輻部位岩喷，如圖6-c。由于輪轂輪心的形狀不是完全的軸對 稱結(jié)構(gòu)监憎，其中三個區(qū)域纱意，處于輪網(wǎng)部分的最后階段凝固，所以預計會產(chǎn)生縮孔枫虏，如圖6-d妇穴。因鎂合金的容積熱容量比較小，因此在輪輻中部區(qū)域會產(chǎn)生早期凝固現(xiàn)象隶债，而在輪輻與輪網(wǎng)的連接處產(chǎn)生熱節(jié)腾它，于是在這些區(qū)域存在潛在的縮孔缺陷，如圖6-f和圖7死讹。所以整個凝固過程不是理想的定向凝固瞒滴，從而會降低輪轂質(zhì)量。

　　缺陷的產(chǎn)生原因與消除方法

　　低壓鑄造生產(chǎn)中鑄件比較容易產(chǎn)生一些鑄造缺陷赞警，其原因是多方面的妓忍，與鑄造設備、模具愧旦、工藝和具體的操作有關(guān)世剖，為了獲得高質(zhì)的鎂合金鑄件，必須對產(chǎn)生的質(zhì)量問題做出正確的判斷锥桐，找出真正的原因菲贝，并提出相應切實可行有效的改進措施，以提高鑄件的質(zhì)量鳄砸。

　　在本文研究的鎂合金低壓鑄造過程中威跟，根據(jù)模擬的分析，預測出可能產(chǎn)生的缺陷有氣孔和縮孔惧圆。

　　1．氣孔：形成氣孔的原因一般有兩種往茄，一種是在填充時，卷入氣體形成的內(nèi)表面光亮和光滑瘦镶、形狀較為規(guī)則的空洞乘占。另一種是合金熔煉不正確或者精煉不夠，氣體溶解于合金中澳坟。壓鑄時牙娇，凝固很快若又，溶于金屬內(nèi)部的氣體來不及析出，使金屬內(nèi)的氣體留在鑄件內(nèi)而形成的空洞粱快。
在填充過程中秩彤，輪輻中部產(chǎn)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(nèi)澆口的速度事哭； 改變輪輻的幾何結(jié)構(gòu)漫雷。

　　2．縮孔：鑄件在凝固過程中，金屬補償不足所形成的呈暗色鳍咱、表面粗糙降盹、形狀不規(guī)則的空洞。 輪轂在凝固過程中所形成的縮孔谤辜，主要是由于輪心部位和模具的設計不合理造成的蓄坏。其改善措施有：改進輪心部位為完全軸對稱結(jié)構(gòu)；改善模具的冷卻系統(tǒng)丑念。

　　本文運用商用軟件PAM-CASTTM對鎂合金輪轂低壓鑄造進行了數(shù)值模擬涡戳，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脯倚，包括溫度場渔彰，速度矢量場和液體分數(shù)。進而預測了在此過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷鸯流，并提出了消除這些缺陷而采取的措施胯挚。同時為實際生產(chǎn)準確地確定出填充和凝固時間。該模擬及分析結(jié)果對提高鑄件質(zhì)量址靶、性能和生產(chǎn)效率咨桶，降低和消除鑄造缺陷具有很重要的實際意義。

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