李秋芳 楊東光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李秋芳 楊東光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

本文以實(shí)際生產(chǎn)的AlSi7Mg0.3鋁合金汽車底盤鑄件為例，運(yùn)用MAGMA軟件對(duì)其差壓鑄造充型及凝固過(guò)程的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了鑄件缺陷產(chǎn)生的位置及大小，并分析了原因。結(jié)果表明，鑄件不能按照順序凝固方式進(jìn)行凝固，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。通過(guò)調(diào)整模具結(jié)構(gòu)及冷卻工藝均不能改善鑄件質(zhì)量，分析出產(chǎn)生鑄造缺陷的主要原因是鑄件結(jié)構(gòu)不合理。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，對(duì)其再次進(jìn)行鑄造模擬分析，發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷消失，鑄件質(zhì)量得到了改善。

數(shù)值模擬 差壓鑄造 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1　序言

當(dāng)前出于能源及環(huán)保的考慮，汽車輕量化研究受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，汽車底盤系統(tǒng)零件由鑄鐵材料更改為鋁合金材料是汽車輕量化進(jìn)程的重要手段之一。鋁合金作為比較輕的結(jié)構(gòu)材料近些年來(lái)備受關(guān)注。

鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車的重要安全件，材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，隨著汽車產(chǎn)業(yè)輕量化趨勢(shì)加深，鑄件厚度越來(lái)越薄，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了鑄件容易出現(xiàn)大量的疏松、氣孔、縮孔和夾渣等鑄造缺陷，在一定的工藝條件下，通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是提高鑄件整體質(zhì)量最簡(jiǎn)單和容易的辦法。本文結(jié)合實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)，并采用軟件模擬優(yōu)化的方法，找到比較合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并在試驗(yàn)階段對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。轉(zhuǎn)向節(jié)原始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1充型過(guò)程模擬分析

圖2為鑄件充型階段不同充型百分比時(shí)的形貌圖?？梢钥闯觯饘僖后w通過(guò)澆口上升，然后沿法蘭平面向周圍底端流動(dòng)，充滿底端中心區(qū)域后再沿鑄件各個(gè)加強(qiáng)筋向上填充；整個(gè)充型過(guò)程中，金屬液體流動(dòng)較平穩(wěn)，未發(fā)生鋁液飛濺及卷氣的現(xiàn)象，充型后鑄件溫度場(chǎng)分布合理。

2.2凝固過(guò)程模擬分析

鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬是預(yù)測(cè)鑄件中產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的基礎(chǔ)和主要依據(jù)，通過(guò)凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，可以直觀地看出凝固過(guò)程中鑄件各部分的溫度分布和變化過(guò)程，這對(duì)于改進(jìn)鑄件工藝，以及提高鑄件質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益都具有極其重大的意義。根據(jù)凝固末期的溫度梯度的大小，采用溫度梯度法來(lái)預(yù)測(cè)和分析縮孔缺陷的發(fā)生。在充型過(guò)程完成后，凝固過(guò)程開始至完成這一階段的液固體積比情況如圖3所示。相對(duì)于中心法蘭面區(qū)域而言，頂端減震器孔及轉(zhuǎn)向臂區(qū)域優(yōu)先凝固。由于鑄件結(jié)構(gòu)的限制，在減震器孔兩側(cè)及轉(zhuǎn)向臂與中心區(qū)域交接位置的壁厚都比較薄，凝固時(shí)體積收縮過(guò)快而得不到補(bǔ)償。因此，預(yù)測(cè)出在減震器孔頂端及轉(zhuǎn)向臂位置將會(huì)產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對(duì)出現(xiàn)缺陷的減震器孔及轉(zhuǎn)向臂兩個(gè)位置，需要增加這兩個(gè)位置的補(bǔ)縮通道，保證減震器孔頂端及轉(zhuǎn)向臂末端的補(bǔ)縮效果，故在減震器孔處縮短抽芯的長(zhǎng)度，在減震器孔底部增加材料。在轉(zhuǎn)向臂與中心區(qū)域交接位置的減重窩處，減少減重窩的深度，增加該位置的壁厚。更改示意如圖4。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模擬

4.1充型過(guò)程模擬分析

鑒于以上數(shù)值模擬結(jié)果與分析，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，進(jìn)而改進(jìn)凝固工藝條件。采用增加鑄件壁厚的措施，對(duì)填充和凝固過(guò)程再次進(jìn)行模擬。圖5為改進(jìn)后合金液充型過(guò)程的模擬結(jié)果?？梢钥闯觯麄€(gè)充型過(guò)程，金屬液面比較平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)卷氣缺陷的產(chǎn)生，充型后鑄件溫度場(chǎng)分布合理。

4.2凝固過(guò)程模擬分析

圖6為凝固過(guò)程中合金溫度場(chǎng)的分布圖。從模擬結(jié)構(gòu)可以看出，從減震器孔頂端及轉(zhuǎn)向臂末端開始，鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，不會(huì)出現(xiàn)液相孤島，進(jìn)而防止了縮孔缺陷的產(chǎn)生。

5　結(jié)果驗(yàn)證及結(jié)論

通過(guò)對(duì)差壓鑄造模擬仿真，獲得了澆注過(guò)程中溫度場(chǎng) 、流場(chǎng)和澆注各分階段時(shí)間及凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)出了兩處潛在的縮孔缺陷，針對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，造成缺陷的主要原因在于鑄件凝固過(guò)程中補(bǔ)縮通道窄，補(bǔ)縮不及時(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)縮孔。對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加鑄件壁厚，增大補(bǔ)縮通道，再次進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬，發(fā)現(xiàn)缺陷得到改善。如圖7所示。

利用模擬得到的初版工藝參數(shù)，并在產(chǎn)品試制過(guò)程中逐漸進(jìn)行完善，對(duì)生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行X光探傷分析，如圖7結(jié)果顯示鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，未出現(xiàn)大量的縮孔、縮松及其他缺陷，此次對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化得到了顯著的效果，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而使降低了車輛在行駛過(guò)程中由于外力沖擊引起的交通事故，大大提高了車輛的安全性和舒適性。