车轮件缺陷分析及设计优化 | 智铸超云案例分享
01 产品介绍
产品来源
产品由山东华盛荣镁业科技有限公司提供。
山东华盛荣镁业科技有限公司，成立于2010年1月。现有挤压生产线2条（4500吨宽幅挤压机是国内最大吨位专业镁挤压机）、压铸生产线6条（其中5条线进口），配备后续CNC加工和喷涂产线，可为客户提供完善的交付服务和整体的镁合金产品解决方案。
产品结构
该铸件为一体成型的车轮件，产品平均壁厚为5.0mm，直径为530mm，结构基本符合中心对称，在轮辐根部和车轮外圈加工面上不允许存在明显气孔缺陷。
工艺参数
合金材料为AM60B，生产设备为力劲850t，选用冲头直径为90mm，实际压射过程采用的工艺为二级压射：一速为0.3m/s，二速为3.5m/s，浇注温度为680℃。
缺陷描述
此铸件在调试生产过程中，在轮辐根部和车轮外圈加工面固定会出现孔洞缺陷，上述孔洞位置，气孔不良率100%，气孔超过客户标准(>1mm)的不良率为60%以上。
经X射线探伤和加工面肉眼观察均验证得出：在孔周围存在明显的连续孔洞。除此位置以外，其余位置铸件质量在可接受范围内。通过调整压射工艺，缺陷未有明显改善，可以初步断定为模具浇注系统设计不当引起的缺陷。
图1｜车轮件产品实物及缺陷位置
02 原始方案缺陷分析
为进一步明确缺陷成因，从而更有针对性地调整模具结构，对此产品进行了充型过程的模拟仿真分析。以下分别就残余气体压力、充填序列、充填速度进行分析。
原始设计方案
图2｜原始浇注系统方案
表1｜工艺参数表
原始浇注系统方案如图2所示，为中心浇口进料，浇口设计工艺参数如表1所示，渣包和排气如图2所示。对图2 浇注排溢系统进行模拟分析，分析结果如下所示。
充填序列
如图3，4所示，高气压位置集中在轮缘外圈两只轮辐中间和轮辐根部，轮缘外圈存在渣包和气道，但是轮辐根部困气位置无排气结构。
图3｜轮缘外圈两只轮辐中间最后充填位置
图4｜轮辐根部最后充填位置
图5｜残余气体压力分布
残余气体压力分布如图5所示，大部分气体进入渣包内，但是在部分轮辐根部和外圈轮缘处依然存在高压区（高亮颜色）。这些高压区气压超过15个大气压，是出现气孔的高风险位置。这些高气压区域和X-ray探伤结果一致。
充型速度
传感器采集的位置如图6所示，从图中可以看出，传感器采集的速度波动大，V2速度为120m/s，V3速度为80m/s，V4速度为30m/s，速度损失很大。中心浇口平均速度约为60m/s，低于设计值。
图6｜充型过程传感器速度变化过程
浇排工艺设计分析
图7｜原始工艺参数和中心浇口平均速度
从图7可以看出，中心浇口截面积是内浇口截面积的30%，形成开放式浇道，导致内浇口压力和速度均衰减。冲头浇口截面积比为8.4，核算的内浇口速度约为29.4m/s，中心浇口速度为98.5m/s。
凝固分析
图8｜凝固百分数和热节分布
原始设计方案铸件和浇道凝固总时间为21.4s，铸件的凝固时间约为10s。图8中红色箭头所指的位置为热节区域，多出现在轮辐根部以及外圈轮缘中心渣包位置，需通过控制冷却转移或分散热节，从而控制气孔的位置和数量。
03 改进设计方案
图9｜改进浇注系统设计方案
改进的浇注系统设计方案如图9所示。对改进方案的充填和凝固过程做模拟分析，分析结果如下所示。
充填序列
图10｜改进后渣包有效性分析，车轮底部
图10中渣包1、3、7、9 困气可以通过渣包排出；4、6困气无法通过附近渣包气道排出；2、5、8困气位置较分散，在渣包过道两侧各自分布高气压区，渣包一旦封闭，则无法排气，需优化设计。
图11｜改进后渣包有效性分析，车轮顶部
图11中渣包1、3、4、6、7、9、10、12、13、15 困气可以通过渣包排出；2、5、8、11，14困气位置较分散，在渣包过道两侧各自分布高气压区，渣包一旦封闭，则无法排气，需优化设计。
传感器速度
图12｜改进后充型过程传感器速度变化过程
改进后传感器在相同位置采集的速度曲线如图12所示。从图中可以看出，速度整体波动小，V2速度约为90m/s，V4速度接近于V2，速度损失小，V3速度接近于60m/s。
浇排工艺改进分析
图13｜改进工艺参数和中心浇口平均速度
从图13可以看出，中心浇口截面积是内浇口截面积的104%，形成封闭式浇道，内浇口压力和速度均逐渐增强。冲头浇口截面积比为20.45，核算的内浇口速度约为71.59m/s，中心浇口速度为68.7m/s。
凝固分析
图14｜改进方案凝固百分数和热节分布
改进后型腔总凝固时间约为22.9s，铸件凝固时间约为10s，浇道在铸件完全凝固时，凝固百分数约为96%。图中所指位置为改进后热节分布区域，可以看出热节多集中出现在轮辐根部，在轮缘外圈存在三处细小的热节区域。轮辐根部区域热节需通过控制冷却转移或分散热节，消除可能的凝固缺陷。
04 总结
改进后方案相较于原方案：
1、内浇口速度大小V3从平均速度80m/s下降到至60m/s，且速度波动明显变小；V4从平均速度30m/s提升至90m/s，且速度波动明显变小。从中心浇口到内浇口截面的优化效果得到验证，从开放式浇注系统变化为封闭式浇注系统。
2、探伤显示的卷气位置通过渣包和排气的优化调整，轮辐根部的绝大部分高气压位置和渣包气道连通，可以有效排气。轮缘内圈渣包两侧的高气压位置比较分散，大于15个大气压的高气压区域位于内圈渣包内，但是渣包过道两侧区域仍然存在部分气压较低（<5个大气压）的区域，有产生气孔的风险，需进一步优化。
3、凝固分析可以看出，优化后浇排设计方案，在轮缘外圈中部存在的热节基本转移到对应的内部渣包内，热节得到较大的优化；但轮辐根部的热节依然存在，需考虑优化设计或通过控温实现热节的转移和分散。
05 实际生产验证
图15｜最终优化后的浇排设计方案
图15是最终优化后的浇排设计方案，根据“智铸超云”对之前方案合金充填过程中卷气趋势的预测，在最有可能困住气的位置都加上辅助引出气体的溢流槽。
将该优化方案进行实际生产验证，如图16所示，证实车轮外圆面的气孔消失了，足以说明：利用好“智铸超云”的模拟压铸技术，可帮助工程师逐步改进设计思维，快速确定铸件的浇排系统设计方案。
图16｜精加工后的车轮外圆面
/ END.
作者：
1) 郑小强：资深压铸模具设计师，在压铸模具设计、工艺调试及压铸工艺优化领域有10数年从业经历
2) 涂华斌：资深铸件设计师，就职于山东华盛荣镁业科技有限公司，对汽车零部件设计及工艺优化有着深刻理解
3) 周正：智铸超云模流工程师，专职从事压铸模拟仿真计算及客户仿真问题服务
