（東風商用車鑄造二廠，湖北 十堰 442050）

1 前言

翻轉臂支架-前懸置的主要功能是連接支架和穩(wěn)定桿固接。該件是東風商用車某車型翻轉支架類零件之一，為提高產品的鑄造工藝性，對產品結構進行優(yōu)化。CAE 仿真分析為產品結構優(yōu)化提供了較好的解決方案不僅可以計算出產品的受力情況，更縮短了產品的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

Hywerworks 是目前汽車行業(yè)最流行的CAE 分析軟件之一，擁有強大的前、后處理功能，在汽車行業(yè)得到廣泛應用。本文借助Hywerworks 對翻轉臂支架-前懸置進行靜力學分析，根據(jù)分析結果對產品結構進行優(yōu)化。對應力較小區(qū)域進行減材料處理，從而達到輕量化要求。同時，對優(yōu)化后的結構進行CAE 分析，對結構更改提供依據(jù)和參考，針對不同工況下優(yōu)化前后的結果進行對比分析，驗證優(yōu)化后產品的可行性和科學性。

根據(jù)我廠類似件的生產經驗和我廠不同生產線的特點，結合華鑄CAE 進行鑄造工藝分析，設計合理的鑄造工藝。綜合分析后，我廠DISA 線制造該產品，一型2 件方案較好，可以實現(xiàn)降低鑄造成本、縮短制造周期。

2 原產品CAE 分析

原模型由商用車技術中心提供鑄鐵件三維模型，我廠對鑄鐵件三維模型進行有限元分析。

2.1 網(wǎng)格化分

運用HyperWorks 進行有限元分析，對其幾何模型進行集合清理，為了較好的反應產品結構和合理的計算精度，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在3 mm.

2.2 材料屬性

翻轉臂支架的材質為QT700-8，其材料參數(shù)如表1.

表1 材料屬性列表

2.3 邊界條件及載荷

翻轉臂支架模型邊界條件及載荷如圖1 所示。

約束翻轉臂支架平板位置四個安裝孔的縱向、橫向、垂向的平動和轉動自由度。

載荷工況為：

工況1：z 軸的力為20 000 N；

工況2：y 軸的力為52 000 N.

圖1 翻轉臂支架邊界條件及載荷示意圖

2.4 有限元分析

有限元分析模型如圖2 所示。各工況下的應力和位移分布見表2 和圖3 所示。

圖2 有限元模型

表2 和圖3 表明，工況1 的最大應力為145 MPa，工況2 的最大應力為684 MPa，應力主要集中在中部的兩個安裝孔位置。通過對原始模型的靜力學分析，可以為結構優(yōu)化提供依據(jù)，保證在優(yōu)化后的模型對產品在加載情況下應力分布無較大影響。

表2 原模型CAE 分析結果統(tǒng)計

3 產品結構優(yōu)化方案的制定

3.1 產品需要優(yōu)化的原因

如圖4 所示，圖中大圓孔外輪廓標記位置，不便于分型和起型，造成分型面復雜，外圓最低位置不能起型。故結合我廠生產線和鑄造生產經驗，對產品提出結構優(yōu)化。

3.2 產品優(yōu)化的要求

產品重量不得增加，便于起型和進行鑄造工藝設計。

3.3 產品優(yōu)化的結果

優(yōu)化位置示意見圖5，首先將凸臺位置的外側向外延申，保證不存在起型干涉，為保證重量不增加，將減重孔向外移動，同時該處起型更方便。

優(yōu)化后的優(yōu)點：圓孔位置可以起型，砂胎形狀簡單；凹坑位置更好起型。

3.4 優(yōu)化后CAE 分析

模型和邊界條件參考優(yōu)化前，結果如表3 和圖6 所示。從結果可以看出，優(yōu)化后，工況1 的最大應力為130 MPa，工況2 最大應力為644 MPa，均降低，最大降低40 MPa.應力集中位置無變化。

圖3 原模型兩種工況的應力分布

圖4 產品需要更改位置示意

圖5 產品優(yōu)化位置

表3 優(yōu)化后模型CAE 分析結果統(tǒng)計

圖6 優(yōu)化后兩種工況的應力分布

4 鑄造工藝設計和制造

結合產品結構、需求量和我廠生產線特點，最終確定該產品在DISA 線生產，布置為1 型2 件，采用下芯框下芯，材質為QT700-8，鑄件單重4.75 kg.

4.1 鑄造工藝設計

4.1.1 產品技術條件

材質QT700-8；鑄件表面油漆以QC-2，按EQY-2 執(zhí)行；初期調試階段100%X 光探傷；鑄件質量按EQY-22 執(zhí)行。

4.1.2 工藝設計優(yōu)化

通過對多種方案進行分析，確定最優(yōu)方案進行工藝設計。

設計方案1 凝固模擬結果如圖7 所示，考慮鑄件橫向布置，一型3 件。

圖7 方案1 凝固模擬結果

圖7 模擬結果表明，鑄件在凝固最后，中間拉筋交叉位置有出現(xiàn)縮松的傾向，所以圖中冒口起到改善縮松傾向的作用。

方案2 見圖8，鑄件豎向布置，一型2 件。

圖8 方案2 凝固模擬結果

圖8 模擬結果表明，增加一個冒口對縮松傾向影響不大，但是出品率降低。

方案3 見圖9，bmd 線布置，一型12 件。

對3 種方案進行對比，方案3 的收益性較差，方案1 縮松傾向較小，并且型板布置和砂芯設計較合理，故選擇方案1 進行工藝設計，在設計中，由于砂芯的定位和下芯，只能一型布置2 件。

4.1.3 澆注系統(tǒng)設計

估算整箱重為16 kg、澆注時間按估算為8 s，其中流量系數(shù)取0.5；每型鑄件高度為290 mm；查表得：F內=140 mm2；F直=140×1.2=167 mm2；三維截面形狀如圖10 所示。

圖10 為工裝設計的三維示意圖，采用方案1的冒口設計和澆注系統(tǒng)，通過增加輔助澆道，改善鐵水的壓頭，降低砂眼風險，砂芯為成型圓孔位置。

圖9 方案3 凝固模擬結果

圖10 工裝三維示意圖

4.2 鑄造工藝驗證

4.2.1 材質結果分析

針對小批量生產階段，將多次結果進行統(tǒng)計，材質性能見表4.

表4 材質結果分析

經過多批次、小批量生產驗證，該鑄件材質達到QT700-8 要求，并能穩(wěn)定生產。

4.2.2 鑄件內部質量分析

對多批次鑄件進行X 光探傷和解剖，見圖11，鑄件內部質量滿足技術條件要求，故該件可以批量生產。

圖11 鑄件X 光探傷和解剖

4.2.3 鑄造和加工工序流程

鑄造和加工工序流程如圖12 所示。

圖12 鑄造和加工工序流程

5 結論

根據(jù)經驗對產品提出結構優(yōu)化，借助Hyper-Works 強大的前、后處理功能，對優(yōu)化前后產品進行靜態(tài)應力分析，為產品更改提供依據(jù)并通過公司技術中心認可；通過多個方案的鑄造工藝CAE 分析，選出較合理、收益較高的方案進行產品生產，各項要求均達到鑄件質量要求并批量生產。

1）產品結構優(yōu)化后，重量沒有增加，工況1 的最大應力由145 MPa 降低到133 MPa；工況2 的最大應力由684 MPa降低到644 MPa，應力降低，產品安全系數(shù)得到提高，同時兼顧了鑄造工藝性；

2）產品結構優(yōu)化后，局部更適合于鑄造工藝生產，便于起型，簡化模型；

3）采用華鑄CAE 軟件對多種鑄造工藝進行分析，確定鑄件內部質量較好的方案，為鑄件批量生產提供依據(jù)。