CAE模擬分析在搖臂室鑄件開發(fā)過程中的應用

■ 劉海軍，李永華，夏貴光

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋁合金鑄件被廣泛地應用到汽車上。傳統(tǒng)的鑄件開發(fā)模式逐漸不能跟上生產(chǎn)的需求，迫切需要一個開發(fā)速度快、開發(fā)周期短的生產(chǎn)模式。傳統(tǒng)的鑄件開發(fā)是依靠長期積累的經(jīng)驗先設計出一個鑄造工藝，然后在生產(chǎn)中試驗該工藝是否合理，對不合理的地方逐漸改進直至生產(chǎn)出合格的鑄件。這種開發(fā)模式既延長了鑄件開發(fā)周期，又浪費了開發(fā)資金。CAE模擬分析可以預先模擬鑄件的流場及凝固場，根據(jù)預先設定的邊界條件，可以模擬出鑄件在澆注時會出現(xiàn)哪些缺陷，為設計者提供直觀的參考，這樣就可以提出針對性的預案。

搖臂室材料為ZL101A，需T6熱處理，該產(chǎn)品凈重16.5kg。長度為983mm，寬度為350mm，長寬比約為3:1。產(chǎn)品一側(cè)有一個水道型腔用于對發(fā)動機進行冷卻，水道型腔下表面及型腔內(nèi)的各個搭子較厚大，造成補縮困難，易產(chǎn)生縮松缺陷，該產(chǎn)品的氣密性要求較高，在0.3MPa壓力下保壓2min不能泄漏，產(chǎn)品如圖1、圖2所示。

一、鑄造工藝設計

從結構上分析，該產(chǎn)品熱節(jié)主要集中在鑄件反面及水道型腔內(nèi)部，根據(jù)設計經(jīng)驗，我們設計成頂注式澆注工藝，補縮冒口放置在鑄件頂部，內(nèi)澆道開設在兩邊冒口上，通過水道型腔內(nèi)的一系列搭子作為補縮通道對下面的熱節(jié)進行補縮，鑄造工藝如圖3所示。該澆注方式使鑄件能形成由下到上的的順序凝固梯度，有利于對熱節(jié)部位進行補縮。

二、CAE模擬分析

1. 充型過程模擬

把設計好的三維工藝導入分析軟件進行鑄造工藝模擬。從溫度梯度看，上面溫度高，下面溫度低，基本體現(xiàn)了設計思想，實現(xiàn)了鑄件的順序凝固，但充型時間長達16s。充型時間過長，鋁液在澆注過程中易卷入氣體，導致鑄件產(chǎn)生氣孔及氧化渣缺陷，直接影響水道內(nèi)腔試壓漏。

為此，我們加大了澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道截面積，使充型時間控制在12s，同時在直澆道下面放置過濾網(wǎng)，對鋁液進行過濾，防止鋁液中的一次渣進入。

為避免二次渣對水道內(nèi)腔造成影響，將內(nèi)澆道開設在水道腔對面的一邊冒口上，并在產(chǎn)品底部增加了兩處澆道補貼，使水道腔形成了底注式遠端充型模式，不產(chǎn)生紊流，這樣不但保證了鑄件充型完整，而且又防止了水道腔處出現(xiàn)氣孔及氧化渣缺陷，更改后的澆注系統(tǒng)如圖4所示。

最終模擬結果顯示，更改澆注系統(tǒng)后的鑄件基本沒有出現(xiàn)氣孔及氧化渣缺陷，如圖5所示。

2. 凝固過程模擬

從圖6中可以看出，在鑄件凝固過程中有A、B、C、D4個孤立的液相區(qū)，說明這幾處是最后凝固的地方，其補縮通道已經(jīng)提前凝固，這4處凝固時的體收縮導致的體積虧損沒有得到外界鋁液補償。模擬結果顯示所設計的冒口系統(tǒng)對這4處的補縮不充分，鑄件會在這4處產(chǎn)生縮松缺陷。為此，我們對冒口系統(tǒng)作了更改，針對這4處增加冒口補貼，加強對這幾處的補縮。再次模擬結果顯示，這些區(qū)域的縮松缺陷消失，如圖7所示。

三、應用效果

根據(jù)更改后的鑄造工藝，我們制作了模具。實際生產(chǎn)中，澆注結果和模擬分析基本吻合，充型較穩(wěn)定，鑄件基本沒有發(fā)現(xiàn)縮松、裂紋缺陷，產(chǎn)品一次試壓合格率達到90%，滿足了客戶的要求，并成功送樣。

從搖臂室產(chǎn)品開發(fā)過程中可以發(fā)現(xiàn)，CAE模擬分析使鑄造缺陷在工藝設計階段就得到了預防，很好地指導了生產(chǎn)，可在開發(fā)過程中少走很多彎路，確保產(chǎn)品一次性開發(fā)成功。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7