1鋁合金汽車輪圈鑄造問題研究

汽車鋁合金輪圈在鑄造冷卻的過程中，會(huì)因?yàn)槿垡旱牧魉?、冷卻等因素控制不良而產(chǎn)生收縮及裂痕等缺陷，影響到輪圈的強(qiáng)度無法通過彎曲測(cè)試。本文由鑄造的根本程序以及輪圈的鑄造過程了解汽車輪圈鑄造問題產(chǎn)生的原因，評(píng)估如何藉由計(jì)算機(jī)輔助分析的方法來幫助解決汽車輪圈鑄造時(shí)所產(chǎn)生的問題。

1.金屬鑄造根本理論

金屬鑄造程序分為三個(gè)步驟，加熱、將熔化的的金屬灌注到模穴中、最后冷卻及凝固。1.1加熱(Heating)

鑄造時(shí)首先要將金屬加熱到熔點(diǎn)以上，然后再注入模穴之中凝固。加熱時(shí)所供應(yīng)的能量需要大于將金屬熔解的能量，這樣融熔的金屬才有時(shí)間能夠充填模穴。因此加熱金屬所需提供的熱能包含(1)將金屬加熱至熔點(diǎn)溫度時(shí)的熱量、(2)金屬由固態(tài)改變成液態(tài)的熔解熱、以及(3)加熱至灌注溫度時(shí)所需的熱量，可由以下公式表達(dá)：H=ρV〔Cs〔Tm-T0〕HfCl(Tp-Tm)〕

〔1〕

其中H為將金屬加熱至灌注溫度時(shí)所需的總熱量，ρ為密度，Cs為金屬固態(tài)時(shí)比熱，Tm為金屬熔點(diǎn)溫度，T0為環(huán)境溫度，Hf為熔解熱，Cl為金屬液態(tài)時(shí)比熱，Tｐ為灌注溫度，V為金屬開始加熱時(shí)的體積。式(1)所求出的數(shù)值只是一個(gè)大概的估計(jì)，因?yàn)橛性S多熱量的特性會(huì)隨溫度的改變而改變，而且一般鑄造都是使用合金，所以式(1)只是用來說明鑄造加熱的概念。

1.2灌注融熔金屬(PouringtheMoltenMetal)

將金屬加熱到灌注時(shí)的溫度是個(gè)重要的因素，由于灌注溫度高于金屬的融熔溫度使得融熔的金屬為過熱(superheat)的狀態(tài)。越高的灌注溫度液態(tài)金屬的流動(dòng)性(fluidity)越好，模穴的充填也就越快。但流動(dòng)性太好的融熔金屬那么會(huì)穿透到沙模顆粒間的小空洞，這樣鑄造出來的金屬外表便會(huì)有許多的小顆粒。

將融熔金屬倒入模穴中的速度(pouringrate)也是影響鑄造成品質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要因素。流速太慢那么熔液尚未填滿模穴之前便開始冷卻凝固，流速太快那么會(huì)形成紊流(turbulentflow)，紊流會(huì)使得金屬的氧化作用加快因而在凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生缺陷或裂縫，另外融熔金屬的密度高，模具外表遭受到融熔金屬紊流的沖擊而加重侵蝕(molderosion)而縮短了模具的使用壽命。

1.3冷卻及凝固(CoolingandSolidification)

熔液填滿模穴之后便開始冷卻，合金冷卻時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示，由于合金含有不同的金屬，因此合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程中會(huì)有一段液態(tài)固態(tài)共存的區(qū)域如圖1中左圖所示，而其凝固的溫度也不會(huì)如同單一金屬保持在固定的溫度，會(huì)有一段溫差。由灌注溫度冷卻到固態(tài)所需的時(shí)間稱之為凝固時(shí)間(solidificationtime)

影響凝固時(shí)間的因素有很多，包括鑄件的體積、外表積，模具材料的比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)以及鑄造金屬的比熱、熔解熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，因此凝固時(shí)間可以藉由一經(jīng)驗(yàn)公式“Chvorinov’sRule〞來估算。

其中TST代表凝固時(shí)間(totalsolidificationtime)，V為鑄件的體積，A為鑄件的外表積，指數(shù)n的值通常設(shè)為2，Cm為鑄模系數(shù)(moldconstant)，此系數(shù)需經(jīng)由實(shí)際的鑄造過程所推得，它包含了模具材料與鑄造金屬的材料性質(zhì)，以及灌注溫度等參數(shù)的綜合。由式(2)我們可以了解在在鑄造凝固的過程中影響冷卻速度兩大因素：模具體積與外表積的比例AV以及模穴散熱的能力Cm，式(2)除了能預(yù)估整體的冷卻時(shí)間，也指出如果我們要針對(duì)局部的冷卻速度作調(diào)整，也需由此兩個(gè)方向著手。例如在冷卻速率較慢的部位采用散熱較快的金屬模具材質(zhì)，或是在AV比值較小溫度冷卻較快的局部加以保溫減緩冷卻速率，以利熔液能順利流動(dòng)補(bǔ)充。

1.4收縮(Shrinkage)

在冷卻的過程中材料會(huì)產(chǎn)生收縮(shrinkage)，收縮的過程可分為三個(gè)階段如圖2所示，第一個(gè)階段當(dāng)融熔金屬由灌注溫度下降至開始凝固溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生約0.5%的液態(tài)收縮(liquidcontraction)，如圖2中的(1)所示。金屬開始由與模具接觸的外表向內(nèi)凝固，由圖2中(2)所示當(dāng)液態(tài)凝固成固態(tài)時(shí)又會(huì)產(chǎn)生凝固收縮(solidificationshrinkage)，鋁合金的凝固收縮約7%。最后凝固后的金屬將冷卻至一般的室溫會(huì)如(3)所示的固體熱收縮(solidthermalcontraction)，以鋁合金來說其收縮的幅度約為5%。由于凝固是由外往內(nèi)，因此從步驟(2)至(3)可以觀察到由于內(nèi)部凝固的速度較遲，會(huì)產(chǎn)生收縮空洞(shrinkagecavity)，這是在冷卻時(shí)所該注意的因素.2.汽車輪圈的鑄造問題

汽車輪圈的鑄造如圖3所示，模具總共分為上模、下模以及左右兩個(gè)模具四個(gè)局部組成。由于金屬鑄造在冷卻的過程中會(huì)產(chǎn)生收縮，因此在模穴的體積設(shè)計(jì)需要比原尺寸大，同時(shí)也設(shè)計(jì)緩沖區(qū)讓融熔液體儲(chǔ)存在緩沖區(qū)中，在金屬冷卻收縮時(shí)能加以補(bǔ)充。由于汽車輪圈各局部的厚度并不相同，因此在冷卻的速度便有快有慢，由Chvorinov’sRule得知體積較大的地方冷卻的速度較慢，這樣會(huì)產(chǎn)生如上節(jié)所述空洞的問題。因此以吹風(fēng)、噴水霧的方式加速其冷卻的速度，設(shè)置通氣粒讓肋這體積較大的局部冷卻，逃氣溝讓在模穴內(nèi)部的空氣能順溝擠出防止產(chǎn)生氣孔。據(jù)

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