铝是地壳中含量仅次于氧和硅的元素，约占地壳总质量的7.5%， 是地壳中含量最高的金属元素。纯铝的密度为2.7 t/m3，具有良好的延展性、塑性，可进行多样化的机械加工。 但纯铝的强度低，一般不能直接用作结构材料，只有通过合金化才能得到可做结构材料的铝合金。 铝合金按照成型方法可分为变形铝合金和铸造铝合金。 同牌号铸造铝合金的力学性能不如变形铝合金，但铸造铝合金具有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件；不需要大型的变形加工设备，并具备节约金属、降低成本、减少工时等优点，在航空工业和民用工业都得到广泛的应用[1-2]。 低压铝合金铸造具有效率高、成本低、铸件尺寸精度高、表面质量优的特点，一般低压铸造采用底部注入铝液，可实现较好的稳流充型，生产出的铸件质量好，工艺出品率较高，是目前一种成熟的铝合金铸造工艺[3]。 然而，在实际生产中，也不可避免地出现如气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷[4]。 缩孔、缩松的产生会让轮毂出现中空断续， 在受力情况下会出现应力集中，长时间周期性疲劳运转，会严重威胁到车辆行驶安全[5]。 因此，在铸件工艺设计时需重点针对排气、凝固顺序、补缩等方面进行充分研究[6]，对铸造缺陷产生的原理进行具体分析， 并制定对应的措施预防缺陷问题的发生； 生产中可通过无损探伤等手段进行检验，保证产品质量[7]。 在分析铸造缺陷产生原因时， 传统方式都是依靠经验进行分析判断，虽然能一定程度预防了缺陷出现，但这种方法往往不够全面，顾此失彼，可能解决了一种问题，又带来了其他问题。随着计算机技术的发展，全方位系统性的模流分析技术也得到了普遍的应用[8]。 将铝合金材料成分、模流边界参数等输入到分析软件当中，可以对铸造过程中充型速度、流液追踪、粒子追踪、充型卷气、 凝固顺序等方面进行分析铸造中出现的问题原因，采用对浇道位置变动、截面积优化、人为干预冷却等措施对热节部位进行补缩、优化凝固顺序，最终达到良好的铸造效果。
1 研究对象与研究方法
商用车轮毂不同于乘用车轮毂，一般的乘用车轮毂集合轮毂、轮辋、轮辐等为一体，而商用车（重卡）的轮毂和轮辋是分别独立的两个零件，虽有关联但并非一体。 本文所研究轮毂为商用车（重卡）装配轴承、 油封等零件后再装配到桥壳轴管上的部分，并不涉及轮辋。
以国内某款11.5 T 驱动桥轮毂为例，在对铸件进行X 光检测时，产品法兰盘位置发现了缩松等缺陷。 针对该缺陷产生的原因，首先进行了位置和产生机理分析， 并采用AnyCasting 模流分析软件，对整个铸造过程进行了模拟判断分析。
图1 为重卡商用车铝合金轮毂结构图。 该产品一般采用重力方式进行铸造，大端向上，小端向下，浇口在模具上端，通过雨淋式浇注。
图1 轮毂铸件示意图及缩松部位
Fig.1 Schematic of wheel hub and the shrinkage locations
图2 为该铸件X 光检测时，发现法兰盘部位等区域出现了缩松缺陷，缩松尺寸约为17 mm×9 mm，缩松形态为连贯状。 由于轮毂采用垂直浇注，法兰盘在铸造时为一较大区域的平面，浇注铝液时又是采用重力雨淋方法，铝水经过滤网后通过分流锥分流，铝液便直接倾斜进入模具，轮毂总高度238 mm，其铝液倾斜高度约为200 mm，高度落差大，铝液进入模具后会产生翻转、卷气等现象，气体会随铝液流动到法兰部位，法兰另一面设计了花瓣状凹凸结构，最薄部位11 mm，法兰最薄部位首先凝固，而大平面会阻碍气体的流动， 随后法兰凸台凝固补缩通道关闭，气体无法排到顶部冒口，气体留存在法兰内部，导致缩松气体形成。
图2 X 光检测发现的缩松区域
Fig.2 Shrinkage area detected by X-ray inspection
为了解决上述以法兰缩松为代表的铸造缺陷，重新制定新的工艺方法，采用低压铸造工艺，底部入水。 降低浇注落差，实现缓流浇注。
2 模拟流态分析
将使用UG NX 10.0 绘制好的三维轮毂模型使用stp 格式导入到AnyCasting 模流分析软件中，并对模流分析前置参数设定。
轮毂所用材料的化学成分w(%)为：11.0～13.0 Si、3.5～4.5 Cu、0.6～0.9 Mg、0.02～0.04 Ti、0.01～0.05 La，余量为Al。 主要铸造参数及主要模具参数分别列于表1 和表2。
表1 主要铸造参数
Tab.1 Main casting parameters
项目参数浇注温度/℃720充型时间/s9铝材牌号AC4B铝材固液相线/℃520～590循环时间/s360循环次数/ 次3冷却（水雾）第11 s 开启，持续100 s，流量大小6 L/min
表2 主要模具参数
Tab.2 Main die parameters
块初始温度/℃ 涂料厚度/mm涂料材料金属模上模模块4200.12氧化锌下模模块4800.15钢芯模块4500.10
图3 为初始设计方案。根据低压铸造模式，采用小端朝上，大端向下的方式。 在法兰盘上进行分模，对比产品分模后， 上模表面积占63.8%， 下模占36.2%，从开模后铸件留在上模角度利于生产效率，同时下模在开模时温度高易拉伤铸件， 所以结构复杂的关键部位不宜设置在下模。同时，顶部厚度最大可达37.9 mm，所以增设水雾冷却[9]，以保证凝固顺序。内腔上下两端采用40CrMo 钢芯，中段采用覆膜砂芯，呋喃树脂固化，浸涂醇基涂层。 浇注系统设计为内嵌式四点分流结构，上部采用进料道直连分流补缩设计。 铸造过程中压力随时间的变化情况如图4 所示。
图3 轮毂铸造初始方案设计
Fig.3 Initial design of wheel hub casting
图4 铸造过程中压力随时间的变化
Fig.4 Variation of pressure with time during casting
3 模拟结果分析及试制验证
图5 为铸造充型顺序模拟和液流分区追踪结果。 可以看出，初始方案充型时间为9.23 s，充型过程都比较平稳，未出现严重的紊流现象，未出现提前进料和铝液翻转现象。 初始方案顶部充型时液面平稳，所以汇流区域基本在浇口处，基本没有圆周方向的铝液汇流。
图5 铸造充型顺序和液流分区追踪模拟结果
Fig.5 Simulated filling sequence and liquid flow partition tracking during filling
图6 为粒子流向追踪和充型速度模拟结果。 可以看出，初始方案在浇口位置都会存在短暂的停留，待液面平缓后再进入型腔，提高进料的均匀性，减少进料时的紊流现象，未出现严重的打转和回流现象，卷入渣和气体的风险都比较低。 初始方案初始进料时比较缓慢，充型速度保持在12 cm/s 左右，充型到大法兰面时速度达到30 cm/s 左右， 法兰充满之后速度降低到20 cm/s 以下，最终顶部结构简单，适当提高充型速度，快速充满型腔。
图6 粒子流向追踪和充型速度模拟结果
Fig.6 Simulated particle flow tracing and filling speed
图7 为充型氧化物和充型卷气模拟结果。 可以看出，氧化物风险位置主要分布在顶部区域，可以通过冒口设置，聚集氧化物向去料部位。初始方案在未设置排气条件下， 发现充型过程中法兰盘部的孤立气团，即卷气风险区域。虽然两种铸造工艺方式略有不同，但受产品结构影响，该项分析也复原了铸件中法兰盘面存在缩松的问题。可以通过增设排气顶杆、排气线、 负压吸气等措施后将气体引导出铸件或引导至加工余量部位， 在机械加工后可消除缩松问题的出现。
图7 充型氧化物和充型卷气模拟结果
Fig.7 Simulated filling oxide and air entrainment during mold filling
通过以上分析， 提出了以下的优化措施： ①顶部、底部采用联通式浇道；②顶部厚大部位增设水雾冷却；③增设排气顶杆、排气线、负压吸气；④设置排气、补缩、聚集氧化物为目的的冒口；⑤增大入水口处浇道截面积，上移浇口。
优化后凝固顺序如图8 所示， 从顶部到底部依次冷却，冷却凝固未出现孤立液相，产品上无缩松风险。 初始方案模流分析后，发现如缩松为代表的缺陷，按照上述措施优化实施试制后，通过X 光探伤观察法兰部位的缩松问题已被解决，其他部位均未发现明显的铸造缺陷。
图8 工艺优化后的凝固顺序和X 射线探伤结果，未发现缩松
Fig.8 For optimized scheme the solidification sequence and X-ray inspection result,no shrinkage
4 结论
（1）针对商用车铝合金轮毂在铸造时出现的缩松缺陷，利用AnyCasting 软件通过模流分析，发现法兰盘是由于排气不良和凝固顺序导致的孤立气团形成的缩松。
（2）针对上述问题制定了增设排气顶杆和排气线等优化措施，由重力铸造改为了低压铸造。 对厚大部位增设了水雾冷却，对顺序凝固和细化组织晶粒起到了有效的作用[10]。对冒口的设置，对聚集铸件内部氧化物、补缩起到了良好效果[11]。通过增大入水处横浇道和内浇道截面积、上移浇口等方法，对铸造热节起到了较好的补缩作用，最终消除了缩松等缺陷。
（3）通过多轮试制验证，该商用车铝合金轮毂低压铸造工艺已达到良好的使用效率，试制成品率到达95.38%，加工料废率为0.5%，工艺出品率达到85%左右。
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