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《热加工工艺》2013年3月第42卷第5期
轮毂属于汽车的受力件，承受着汽车的全部质量。在汽车高速运行过程中，面临着地面的摩擦、碰撞，要求有很好的强度、抗撞击能力；同时，在运行过
程中，一直暴露在露天，饱受风吹雨淋，要求有一定
的气密性。总之，服役环境复杂，对其力学性能等都
有很高的要求，由此选择铸造成型方法就成了关键。
1轮毂成型工艺试验方法
轮毂挤压铸造成型所涉及的工艺参数很多，而每个工艺参数又有多种选择情况，工艺参数组合不同，所铸造出来的轮毂质量也不相同，如果对每种工艺参数组合都做一次试验，则试验次数繁多，甚至试
验无法完成。本文采用正交试验设计法对参数进行试验安排，通过少量试验次数，得出所需要的数据[1]。
正交试验设计，是利用规格化的正交表，恰当的设计出试验方案和有效的分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法。正交表则是利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面试验中，为挑选出少量具有代表性的试验点，所制成的排列整齐的规格化表格[2]。
2轮毂成型工艺参数方案的确立
挤压铸造不同于其他铸造方式之处是液态合金
一直处于压力下直至凝固结束，相对于普通压铸而
言，多了一个压力下补缩的过程，挤压压力是其最显著的一个工艺参数，针对38mm 铝合金汽车轮毂，
已有较为成熟的挤压力取值为110MPa 。
由于在相同铸造工艺下，镁合金的压力通道阻
力比铝合金要大，对于相近形状与体积铸件来说，镁
合金应采用比铝合金略高的挤压力[3]。根据轮毂“挤压压铸”的工艺特性，模具温度和合金液温度对铸件
的充型和凝固过程有较大的影响。初始加压时间以合金液充型完成开始，通过Anycasting 软件自动计算铸件体积与内浇口充型速度的比值得到，与保压时间设定为软件凝固过程模拟结束时自动结束。
3
试验过程及结果分析
本文针对挤压压力，合金液浇注温度，模具初始
温度3个参数，选取的因素和水平表见表1。正交试验方案L 9(33)和结果见表2。
表2结果可进行单指标试验的极差分析。因素
A 挤压压力的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是三次A 1、A 2、A 3分别同
B 、
C 的3个水平全部搭配一次后的试验结果，比较第
一列(因素)Ⅰ/3、Ⅱ/3、Ⅲ/3的大小，可以认为因素对
轮毂挤压铸造数值模拟与参数优化
任杰，张治民，王明哲，朱亚哲
(中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051)
摘
要：Anycasting 软件是为各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力
场的模拟分析。运用Anycasting 软件对轮毂成型工艺参数进行了模拟，优化了工艺，最终确定了合适的工艺参数。
关键词：轮毂；参数；挤压铸造中图分类号：TG249.9
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2013)05-0049-03
Numerical Simulation and Parameter Optimization of Squeeze Casting Wheel Hub
REN Jie,ZHANG Zhimin,WANG Mingzhe,ZHU Yazhe
(College of Material Science and Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)
Abstract ：The Anycasting software is casting simulation system for development of all kinds of casting process.It
can simulate the mould filling,heat conduction,solidification process and stress field.The process parameters of the casting wheel hub were simulated with Anycasting software.And the process was optimized.Eventually,the appropriate parameters were determined.
Key words ：wheel hub;parameters;squeeze casting
收稿日期：2012-08-13
作者简介：任杰(1986-)，男，山西晋中人，硕士，主要研究方向：轻合金
成型；电话:186****7772;E-mail:******************
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Hot Working Technology 2013,Vol.42,No.5
他们的影响大体相同。这样，第一列Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(Ⅰ/3、
Ⅱ/3、Ⅲ/3)的差别，可以看作是因素A 取了水平引
起的，这就是正交表提供的均匀可比性。用同样的方
法分析B 、C 因素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(Ⅰ/3、Ⅱ/3、Ⅲ/3)数据的
差别，就可以看作是有相应列的因素的水平引起的。
R 极差反映了该列因素所选水平对指标的影响。3.1分析各因素对指标的影响
根据表中极差R 值可知，C 列R 最大为
0.0559，B 列中R 最小只有0.01517。这说明凝固过
程中，合金浇注温度对凝固的影响最大，挤压压力其
次，模具预热温度最小。排出因素的主次顺序是：
C-A-B 。即：合金浇注温度—挤压压力—模具预热温
度。(注意：这里对指标的影响主次是在所取各因素的水平范围内。)
3.2选取各因素的最佳水平
由于该实验选取因素的水平与指标有关，本次试验指标为残余熔体模数，在凝固结束之时，缩孔、缩松等越少越好，残余熔体模数越小越好。因此，试验中取A2B3C1。
3.3确定较好的搭配方案
根据正交表均匀可比性结论可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ数值的大小，只与本列因素的水平有关，实际上不受其他因素水平变化的影响。所以把各因素的最好水平搭配起来就是要求的较好的搭配方案：A2-B3-C1。它刚好是已作9个试验中的一组即第6组。在已做过的试验中是最高的，这说明分析出来的结论是比较符合实际的，并且说明正交表安排9次试验确实有代表性，能比较全面地反映3个因素水平对凝固
的影响，在对试验数据进行分析后，就可以从中选出
比较好的搭配方案。
3.4进一步试验的方向
通过对指标—水平变化规律(图1)进行观察，从而明确深入试验需选的因素水平。
4工艺参数对挤压铸造过程的影响
该轮毂在挤压铸造模拟中出现的缺陷主要是缩松，其发生位置集中在轮毂的中心和轮辋轮辐的联接处。缩孔和缩松主要是由于铸件在凝固过程中由于补缩不良而产生的缺陷。在铸造过程中，铸件在一定压力下凝固，可有效减轻铸件的缩松倾向，但由于
缩松的分布位置不同于普通铸造，因此常用的Niyama 判据预测低压铸造的缩松会有较大的误差[4]。
而Anycasting 中采用Retained Melt Modulus(残
表1因素和水平表
Tab.1The table of factors and levels
水平
因素A 因素B
因素C
挤压压力/MPa
模具预热温度/℃合金浇注温度/℃
123110120130200225250670680690
表2试验方案及结果
Tab.2The experimental plan and results
试验号
A B C
残余熔体模数
挤压压力/MPa 模具预热温度/℃合金浇注温度/℃
123456789110110110120120120130130130200225250200225250200225250670680690680690670690670680 1.01231.03161.06421.02191.03170.92911.03301.02681.0513
ⅠⅡⅢ 3.10812.96803.1111 3.06723.09013.0446 2.96103.10483.1289-Ⅰ/3Ⅱ/3Ⅲ/3 1.03600.98931.0370 1.02241.030031.01486
0.98701.03491.0429
-
R
0.0477
0.015170.0559
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《热加工工艺》2013年3月第42卷第5期
(上接第48页)工业炉，1991，1(59)：61-64．
[11]刘荣章，王祺．一种新型燃气铝合金保温炉[P]：中国，200620045834.5.2007-09-19．
[12]陈肇友，柴俊兰．六铝酸钙材料及其在铝工业炉中的应用
汽车轮毂
[J]．耐火材料，2011，45(2)：122-125．
[13]
Van Garsel D ，Buhr A ，Gnauck V ，et a l ．Long term high tem-perature stability of microporous calciurn hexaluminate based insulating materials[A]．Proc of UNITECR'99[C]，Berlin ，Ger-man ，1999.181-186．
[14]神野文数，奥野浩英．ァルミニゥム合金溶汤用断热キャスタフルの使用结果[J]．耐火物，2008，60(3)：25-126．[15]李治岷，魏玉文．工业加热炉的节能关键技术[J]．机械工人，
2005，(2)：24-26．
[16]辛湘杰，易保华，柏玉春，等．一种基于节能涂层的熔铝炉[P]：中国，201120146362.3.2011-12-28．
[17]周美霞，，刘福平．中频炉熔炼铝合金节能探讨[J]．铜业工程，2010，(2)：74-76．
[18]孟梅，张颖，张军战，等.石墨坩埚性能的影响因素分析[J].热加工工艺,2012,41(17)：45-47.
[19]
樊忠义．环保型蓄热燃烧技术与永磁搅拌技术在熔铝炉的应
用研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2010．
[20]
孙斌，陈振东．工业炉节能现状和发展趋势[J]．能源与环境，2007，(3)：30-31．[21]胡勇，饶丽，闫洪.机械搅拌法制备半固态镁合金的研究[J].热
加工工艺,2011,40(9)：65-67．
[22]高振中，白文昌，王祝堂．开创铝熔炼技术新时代的等温熔炼炉[J]．轻合金加工技术，2007，35(12)：1-6．
[23]宋湛苹，史竞．工业炉的现状与发展趋势[J]．工业炉，2004，26(6)：13-18．[24]
蔡九菊，杜涛，陈春霞，等．钢铁企业余热资源的回收利用及关键技术研究[A]．2007中国钢铁年会论文集[C]．成都：中国金属学会，2007.408-416．
[25]马建国．一种新型高效节能蓄热式工业炉[P]．中国，
201010127766.8.2011-09-21．
[26]张健敏，于海．有冶金烟气余热回收利用[J]．冶金能源，2011，30(2)：59-64．[27]顾华志，张文杰．不定形耐火材料节能化研究进展[A]．2011全国不定形耐火材料学术会议论文集[C]，2011.I35-I46．[28]
李楠，顾华志，赵惠忠．耐火材料学[M]．北京：冶金工业出版
社，2010．
余熔体模数)来预测挤压铸造的缩松位置，残余熔体模数公式为：R M =R V /R A ，式中：R M 即残余熔体模数；
R V 为残余熔体体积；R A 为残余熔体比表面积。残余
熔体模数基于孤立熔体预测缩松，R V 越大说明孤立熔池区越大，R A 越小说明熔体比较集中，更容易形成孤立熔池而产生缩松缺陷[5]。
由正交表对铸件的缺陷的分析，主要由极差R 的值可知，C 列R 最大为0.0559，B 列中R 最小只有0.01517。这说明在凝固过程中，合金浇注温度对凝固的影响最大，挤压压力其次，模具预热温度最小。
排出因素的主次顺序是：C-A-B 。即：合金浇注温度—挤压压力—模具预热温度。注意：这里对指标的影响主次是在所取各因素的水平范围内。
5结论
通过对不同工艺参数组合下轮毂挤压铸造成型模拟，可以得出以下结论：
(1)在凝固过程中，合金浇注温度对凝固的影响
最大，挤压压力其次，模具预热温度最小。
(2)在给定压力下，基本实现了从轮缘—轮辐—
轮毂到浇口的顺序凝固，有利于压力的传递，使铸件
得到较好的补缩，避免铸件关键部位产生缩孔、缩松、浇不足等缺陷。
(3)工艺参数对铸件性能的影响是各参数的综
合效应，通过前面的模拟分析可知，多种不同数值的参数组合均能达到良好的充型与凝固效果。考虑到经济与成本，在达到铸件性能要求的基础上，各工艺水平应尽量取小值。参考文献:
[1]李南玲．我国初步形成镁合金高新技术产业[N]．科学时报，
2002-12-24(2).
[2]王渠东，丁文江．镁合金研究开发现状与展望[J]．有金属，
2004，(7)：8-11.
[3]
袁序弟．镁合金在汽车工业的应用前景综述[J]．汽车科技，
2002，(3)：1-3.[4]Hircyuki ，Mukai T ，Kohzu M ，et al ．Low temperature super-las-ticity in a ZK60magnesium alloy [J]．Materials Transac-tions.JIM ，1999，40(8)：809-814.
[5]
陈力禾．镁合金压铸及其在汽车工业中的应用[J]．铸造，
1999，(10)：45-50.[6]张春燕，乔印虎.车用铸铝飞轮的铸造成型过程模拟[J].热加工工艺,2011,40(6)：39-40.[7]裴暖暖，杨永顺．镁合金汽车轮毂挤压成形工艺研究[J]．热加
工工艺，2011，40(17)：
40-42.
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