铝合金汽车轮圈铸造问题研究.docx
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1、铝合金汽车轮圈铸造问题研究 汽车铝合金轮圈在铸造冷却的过程中,会因为熔液的流速、冷却等因素控制不良而产生收缩及裂痕等缺陷,影响到轮圈的强度无法通过弯曲测试。本文由铸造的基本程序以及轮圈的铸造过程了解汽车轮圈铸造问题产生的原因,评估如何藉由计算机辅助分析的方法来帮助解决汽车轮圈铸造时所产生的问题。1. 金属铸造基本理论 金属铸造程序分为三个步骤,加热、将熔化的的金属灌注到模穴中、最后冷却及凝固。1.1 加热(Heating) 铸造时首先要将金属加热到熔点以上,然后再注入模穴之中凝固。加热时所供给的能量需要大于将金属熔解的能量,这样融熔的金属才有时间能够充填模穴。因此加热金属所需提供的热能包含(1
2、)将金属加热至熔点温度时的热量、(2)金属由固态改变成液态的熔解热、以及(3)加热至灌注温度时所需的热量,可由以下公式表达: H=V(Cs(Tm-T0) Hf Cl(Tp-Tm)) (1) 其中H为将金属加热至灌注温度时所需的总热量,为密度,Cs为金属固态时比热,Tm为金属熔点温度,T0为环境温度,Hf为熔解热,Cl为金属液态时比热,T为灌注温度,V为金属开始加热时的体积。式(1)所求出的数值只是一个大略的估计,因为有许多热量的特性会随温度的改变而改变,而且一般铸造都是使用合金,所以式(1)只是用来说明铸造加热的概念。1.2 灌注融熔金属(Pouring the Molten Metal) 将
3、金属加热到灌注时的温度是个重要的因素,由于灌注温度高于金属的融熔温度使得融熔的金属为过热(superheat)的状态。越高的灌注温度液态金属的流动性(fluidity)越好,模穴的充填也就越快。但流动性太好的融熔金属则会穿透到沙模颗粒间的小空洞,这样铸造出来的金属表面便会有许多的小颗粒。 将融熔金属倒入模穴中的速度(pouring rate)也是影响铸造成品质量优劣的重要因素。流速太慢则熔液尚未填满模穴之前便开始冷却凝固,流速太快则会形成紊流(turbulent flow),紊流会使得金属的氧化作用加快因而在凝固时会产生缺陷或裂缝,另外融熔金属的密度高,模具表面遭受到融熔金属紊流的冲击而加重侵
4、蚀(mold erosion)而缩短了模具的使用寿命。1.3 冷却及凝固(Cooling and Solidification) 熔液填满模穴之后便开始冷却,合金冷却时温度与时间的关系如图1所示,由于合金含有不同的金属,因此合金由液态转变成固态的过程中会有一段液态固态共存的区域如图1中左图所示,而其凝固的温度也不会如同单一金属保持在固定的温度,会有一段温差。由灌注温度冷却到固态所需的时间称之为凝固时间(solidification time) 影响凝固时间的因素有很多,包括铸件的体积、表面积,模具材料的比热、热传导系数以及铸造金属的比热、熔解热、热传导系数等,因此凝固时间可以藉由一经验公式“C
5、hvorinovs Rule”来估算。 其中TST代表凝固时间(total solidification time),V为铸件的体积,A为铸件的表面积,指数n的值通常设为2,Cm为铸模系数(mold constant),此系数需经由实际的铸造过程所推得,它包含了模具材料与铸造金属的材料性质,以及灌注温度等参数的综合。由式(2)我们可以了解在在铸造凝固的过程中影响冷却速度两大因素:模具体积与表面积的比例AV以及模穴散热的能力Cm,式(2)除了能预估整体的冷却时间,也指出如果我们要针对局部的冷却速度作调整,也需由此两个方向着手。例如在冷却速率较慢的部位采用散热较快的金属模具材质,或是在AV比值较小
6、温度冷却较快的部分加以保温减缓冷却速率,以利熔液能顺利流动补充。1.4 收缩(Shrinkage) 在冷却的过程中材料会产生收缩(shrinkage),收缩的过程可分为三个阶段如图2所示,第一个阶段当融熔金属由灌注温度下降至开始凝固温度时会产生约0.5%的液态收缩(liquid contraction),如图2中的(1)所示。金属开始由与模具接触的表面向内凝固,由图2中(2)所示当液态凝固成固态时又会产生凝固收缩(solidification shrinkage),铝合金的凝固收缩约7%。最后凝固后的金属将冷却至一般的室温会如(3)所示的固体热收缩(solid thermal contract
7、ion),以铝合金来说其收缩的幅度约为5%。由于凝固是由外往内,因此从步骤(2)至(3)可以观察到由于内部凝固的速度较迟,会产生收缩空洞(shrinkage cavity),这是在冷却时所该注意的因素. 2. 汽车轮圈的铸造问题 汽车轮圈的铸造如图3所示,模具总共分为上模、下模以及左右两个模具四个部分组成。由于金属铸造在冷却的过程中会产生收缩,因此在模穴的体积设计需要比原尺寸大,同时也设计缓冲区让融熔液体储存在缓冲区中,在金属冷却收缩时能加以补充。由于汽车轮圈各部分的厚度并不相同,因此在冷却的速度便有快有慢,由Chvorinovs Rule得知体积较大的地方冷却的速度较慢,这样会产生如上节所述
8、空洞的问题。因此以吹风、喷水雾的方式加速其冷却的速度,设置通气粒让肋这体积较大的部分冷却,逃气沟让在模穴内部的空气能顺沟挤出避免产生气孔。 在汽车铝合金轮圈的铸造所发生的问题有:(1) 轮圈弯折部位因厚度较大冷却较慢,冷却后产生收缩使得轮圈强度变弱无法通过轮圈弯曲测试。(2) 虽然可以在模具上设计通气粒、逃气沟以及吹风等方式加速较厚部位铝料的冷却,然而其位置的安排是根据经验来设置,常需要加以修改,而这样则会浪费轮圈当作试验品。(3) 为补偿铸造时铝料冷却后之收缩,将铝圈的初始模具设计厚一些,待铸造完成后再加以加工除去多余的铝料得到符合设计的轮圈,此法浪费过多的铝料。 综合以上所述如果我们能以C
9、AE软件有效的仿真轮圈在铸造时的状况,包含模拟通气粒、逃气沟以及其它冷却的方式在CAE模型中,即可在实际铸造前先评估修改,这样能缩短制造的时程也能节省制造成本。3. 铸造分析软件评估3.1 铸造模流分析软件分析流程 铸造CAE软件分析的流程如图4所示,与一般我们所熟悉的CAE流程大致相同,其中最重要的是热物性数据库的输入。热物性数据库包含各种材料的热物理特性数据,如密度、比热、热传导系数、潜热、固液相线温度、接口热组抗、黏滞系数、表面张力等以及制程参数。热物性数据库的数据直接影响到流动充填分析与凝固热传分析的正确性,因此热物性数据库数据的准确性与数据库中是否有我们所使用的材料便需要加以注意。
10、3.2 商用铸造模流分析软件 目前商用铸造模流分析的软件并不多见且价格昂贵,其名称、功能与代理商如表1所示。由表1所列之CAE软件中有两大系统,一种系统是针对整个铸造过程由流动充填至凝固热传皆能加以分析与模拟,可充分观察整个铸造过程,帮助设计者能对流道与模具设计加以调整。另一系统则只针对凝固热传部分加以分析,其以模穴已经完全充填为前提进行凝固的分析,因此设计者只能对模具的设计加以调整。然而两者之间的价格差异相当大,因此在选购时必须在功能与价格上作一取舍。 3.3 AFS-3D试用评估 AFS-3D提供10天试用版软件可让使用者先行评估其功能,与一般计算机辅助分析软件的结构相同,分为前处理、求解
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