铝合金轮毂低压铸造过程中铝液在浇注系统中流动的研究.pdf

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材料工艺 MATERAL& TECHNOLOGY
铝合金轮毂低压铸造过程中
铝液在浇注系统中流动的硏究
Research on the Flow of Aluminum Liquid in the Gating System
for Aluminum Alloy Wheel
赵铁石罗峰王志学杨奋飞(中信戴卡轮毂制造股份有限公司,河北秦皇岛市066003)
摘要:在铝合金轮毂低压铸造过程中,铝液在轮毂模具中的流动状态是影响压铸质量的重要因素。本文通
过理论分析,详细说明了铝液在轮毂浇注系统中的流动状态,并用数值模拟进行了验证。结果表明,在低压铸
造过程中,铝液在未流经分流锥时,其流动较为平稳,呈稳态流动;在流经分流锥和到达轮辐根部时,其流动状
态较为复杂,易产生紊流、涡流。
关键词:铝合金轮毂,浇注系统,流动
中图分类号:TG149.2;文献标识码:A;文章编号:1006-9658(2009)06-3
Abstract: Based on theoretical analysis, the characteristics of the liquid flow in the gating system for
Al alloy rim have been elaborated and verified with numerical simulation, Resuits showed that, in low
pressure casting process, Al liquid flow was smooth before sprue spreader, and became complex in the
stage passing the sprue spreader to the root of spokes, in which turbulence and eddy currents occurred
readily
Keywords: Al alloy wheel; gating system; liquid flow
铝合金轮毂以其美观、重量轻、散热好、耐腐蚀
加工性好、节能等特点,在轿车工业中得到大量使
用,发展潜力巨大2。据资料显示,2004年全球汽
车产量约为6460万辆,而铝合金轮毂产量则为1.5
1.6亿件。预计到2010年,北美汽车铝合金轮毂的市
场占有率将上升到70%以上;而到2014年,全球铝
合金轮毂的需求量将达到2.5亿件左右。国际铝合金
轮毂市场巨大的吸引力刺激着铝合金轮毂行业的高
图1铝合金轮毂低压铸造模貝示意图
成品。
速发展。
在轮毂低压铸造过程中,浇注系统尤为重要,其
作用不光使液态金属平稳地导入并充满型腔,还将
铝合金轮轂浇注系统
国内外生产铝合金轮毂的铸造工艺主要有低压在轮毂凝固阶段对轮毂进行补缩,以得到性能优良
造、重力铸造和挤压铸造三种铸造形式,但以低医的铸件。典型砂型铸造的浇注系统如图2所示,一般
由浇口杯(外浇口)、直浇道、直浇道窝、横浇道和内
铸造为主,约占全部产量的80%以上。低压铸造铝
合金轮毂模具如图1所示,其主要由浇注系统、成型洗道等部分组成。
同典型砂型铸件的浇注系统相比,低压铸造铝
系统、冷却系统、排气系统和顶出系统组成。压铸时
炉膛内的铝液由升液管经浇口杯进人模具型腔,并合金轮毂模具的浇注系统可认为由浇口杯、内浇道、
在压力的作用下凝固,凝固完成后经冷却得到毛坯
分流锥、横浇道等部分组成,其结构图如图3所示。
从图中可见,浇注系统的横浇道就是轮毂的轮辐部
收稿日期:2009-09-02
位,这是因为在低压铸造过程中,轮辐虽是需成型的
文章编号:2009-107
部件,但同时还需向轮部位输送液流,并是保证轮
作者简介:赵铁石(1981-),男,助理工程师
辋部位成型及性能的补缩通道。
GFTM中国铸造装备与技术6/2009
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式中:y一铝液的重度;
h一浇口杯内液面与炉内液面高度差
杯
p作用于炉内铝液上的气体压力。
当な一定时,U升与p成正比,所以为使铝液在浇
一直浇道
口杯中流动平稳并处于层流状态,加压的面积比以
20-45为宜。
横浇道
2.2铝液在内浇道中的流动
末端延长段
铝液通过内浇道进人型腔的流动可视为通过喷
嘴的流动形式,即为射流或淹没射流。此阶段(浇注
直浇道窝
初期)的流动情况具有决定性意义,铝液的高速流动
内浇道
及对型壁的冲击都可能形成涡流和喷射,从而卷入
图2典型砂型铸造浇注系统的结构
空气和氧化物。
在不考虑过滤网和分流锥的作用情况下.可认为
铝液由内浇道的喷出高度与加压速度有关。当加压
速度大时,喷出流达到最大高度时,流速与重力及表
分流锥
面张力保存平衡,岡时横向发生膨胀,随之平衡被破
坏,液体下落,从而卷入空气。当加压速度小时,液流
横浇道
喷出后随即膨胀,并在内浇道表面上扩展,而不产生
紊乱。这一时期的特点是极易在铸件中形成二次夹
iで过滤网
杂,并伴随着局部过热,从而凝固减慢形成缩松。所
内浇道
以在低压铸造时,需尤要注意这一时期的加压速度。
浇口杯
2.3铝液在横浇道中的流动
在压力作用下,从内浇道出来的铝液有保持其运
图3低压铸造铝合金轮毂浇注系统示意图
动方向和动量的倾向,经分流锥分流后,其速度有所
下降,但仍容易形成贯穿已填充区域的潜流η。在不
2铝液在浇注系统中的流动
考虑温度的影响时潜流在运动中不断与周围介质发
2.1铝液在浇∏杯中的流动
生动量交换,结果使潜流逐步扩展,其平均流速逐渐
低压铸造时,炉内的铝液经升液管抵达浇口杯
下降,同时在其两侧产生液体涡流运动,从而在分流
铝液在浇口杯中的上升过程应做到流态合理,不致锥两侧的轮心部位形成涡流区。不过,随着充型的进
引起铝液的氧化和吸气。为使铝液在浇口杯中流动行,铝液与模具间的热交换不断进行,造成铝液温度
平稳、则应该使其处于层流状态,即铝液在浇口杯中不断下降,粘度增大涡流的强度会逐渐减弱并消失。
的上升速度应小于某一临界值ル,即:ル升<ル。
当铝液流动到轮辐根部驼峰处后,如其速度不
其中,U临可由下式确定?
大,则其充型的能量有相当大一部分被轮辐根部的
e临
驼峰吸收而转变为向上的动能。一般注入型内的最
初金属液中,常带有一定量的气体,而驼峰恰可起到
式中:d一浇口杯内径,mm;
缓冲作用,能让一部分气体上浮,并通过排气系统排
U铝液运动粘度,m/s
出型腔。如果其速度较大,极易形成涡流冲击型壁
Re临一低临界雷诺数。
造成此处局部过热,形成热节,从而出现缩松
据文献?研究,当<150mm时,铝液处于层
流状态,液面平稳。此时,浇口杯中卷入空气及氧化
计算机模拟分析
膜的机会很少,并且有利于液面上的氧化膜及浮渣3.1模拟前处理及参数设置
粘附到管壁上,起到一定的撇渣作用。一般地说,上
本文使用的模拟软件为 Magmasoft,造型软件