广东省佛山市南海奔达模具有限公司
摘要：对铝合金轮毂深轮唇凹槽圆角开裂形成原因进行分析，通过优化凹槽结构，解决了轮毂深轮唇圆角开裂的问题，提高了产品的良品率，获得了良好的经济效益。这些措施对于相同类型产的同类缺陷具有同样的效果，对解决复杂铝合金金属型铸件裂纹具有指导意义。
关键词：铝合金轮毂、深轮唇凹槽、结构优化、解决措施
前言：
在铝合金轮毂的制造生产中，发现深轮唇凹槽处的圆角开裂有普遍现象。本次研究内容是针对于此展开的。通常铝合金裂纹主要可分为两种，一种是冷裂，一种是热裂。冷裂纹是指合金在低于合金固相线温度时形成的裂纹。而热裂指的是合金在高于合金固相线温度时形成的裂纹。通俗地说，冷裂是铸件冷却到低温时，作用在铸件上的铸造应力超过铸件本身强度或塑性所允许的程度而产生的。因此，凡是增加铸造应力，降低强度和塑性的因素都将促使冷裂纹的产生。而热裂则是合金在固相线温度以上的固液区间冷却时，由于收缩受阻而产生的应力超过了当时金属的强度，就会导致热裂纹的产生[1]。
首先，本研究旨在弄清轮毂裂纹究竟是属于冷裂还是热裂；其次，通过分析裂纹区域的金相组织，获得产生裂纹的主要原因；最后根据主要原因寻求找到解决办法，减少或根除轮辐R裂纹。
1.问题的描述
部分产品在生产过程中出现小R角开裂现象，课题统计深轮唇凹槽圆角易开裂的轮毂产品共26款，出现模具开裂的产品数量为17款，占总数的65.4%。
2.铝合金轮毂裂纹缺陷的组织分析
2.1分析铸件样品选取及金相试样
如图2.1所示，选取生产现场开裂的铸件样品，裂纹缺陷存在于R角位置的铸件。通过机加工手段以获取适宜尺寸的试样，再预磨、精磨、抛光及电解腐蚀工艺获得观察试样。
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图2.1 裂纹缺陷存在于凹槽圆角位置（如上图红色位）
2.2金相结果
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图2.2 图左和右分别是异常区域和正常区域的金相组织。
铝合金轮毂的主要A356金属组织相是由先析出的α－Al其体相及共晶铝硅相组成。其基体的成分主要是铝相，共晶体的成分主要为铝－硅相[2]。如2.2图所示为铸件纵截面裂纹缺陷处的金相组织，可明显观察到，裂纹自铸件近表面向内部扩展，并终止于某一位置。开裂的轮辐凹槽圆角部位存在热节[3]，裂纹产生区域的组织存在大量的共晶团聚集，明显异常于正常A356铝合金组织。判断认为，这种异常组织是导致裂纹扩展微观组织上的主要原因，该裂纹多为冷裂。
3.铝合金轮毂裂纹缺陷的工艺分析
就合金熔体本身质量而言，熔体质量应大体一致，应在铸件的各个部位产生组织缺陷的概率是均等的。既然裂纹多出现于轮辐凹槽R角，这就说明除却合金熔体质量的因素，铸件的工艺设计及结构对于裂纹产生也是具有重要影响作用[2]。因而有必要对裂纹处的铸件工艺过程及结构进行分析。
3.1通过ANSYS对产品进行力学分析
如图3.1所示。通过ANSYS对产品进行径向力学分析，可知在铝合金轮毂凹槽处存在应力接种的结构。凹槽的R角部位产品的应力集中点[5]，铸件尺寸、结构及形状，决定了补缩通道的长度及弯曲程度，即补缩阻力的大小。如果缩孔缺陷位于铸件表面，在收缩期间受应力集中的作用，则可能作为裂纹源而优先导致裂纹的扩展[4]。铝合金轮毂轮辐凹槽圆角裂纹处于铸件薄厚交界区域，因此改进裂纹处的产品结构能有效避免裂纹的产生。
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图3.1 铝合金轮毂ANSYS径向分析应力云图
4.结构优化设计
深J筋条末端R角易开裂的轮毂产品，产生裂纹的主要原因是：造型结构设计不合理产生的应力集中、氧化夹渣及缩孔等。结构上的优化需要减少高度落差、加大圆角面、降低浇道变径的变化程度。
通过实际工作实践，为避免产品开裂，针对此种开裂的轮毂产品结构参数进行修改。
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图4.1 产品2D图纸修改前后对比
5.结构改进后的改善效果
5.1产品轮辐凹槽圆角结构上的修改
将生产中，轮辐凹槽圆角开裂铸件的产品3D，按结构工艺优化的参数进行修改。
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图5.1 产品3D模型修改前效果图 图5.2 产品3D模型修改后效果图
此种修改的优点：1、改大R角减小应力集中的效应；2、减小凹槽位置转角在铸造过程中的杂质阻挡积累效应，减少凹槽根部的杂质积累，优化铸造组织，提高力学性能，以减少裂纹源的产生及扩展。
5.2产品工艺结构修改后的对比分析
通过ANSYS对修改前后的产品进行力学分析
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图5.3 修改前径向分析应力分布云图 图5.4 修改后径向分析应力分布云图
如图5.3、5.4所示，修改前径向力学分析米塞斯应力最大值77.4Mpa，修改后米塞斯应力最大值73.8Mpa，应力集中效应得到改善，实际生产中，产品已完全无开裂情况。
总结
（1）铝合金轮毂深轮唇凹槽圆角开裂，多为冷裂纹。
（2）铝合金轮毂深轮唇开裂处存在热节，可加大该处模具冷却速度，减少开裂倾向。
（3）通过如图4.1结构优化可有效解决开裂情况。
参考文献：
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