汽車鋁合金轉向節結構優化

李秋芳 楊東光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

汽車鋁合金轉向節結構優化

李秋芳 楊東光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

本文以實際生產的AlSi7Mg0.3鋁合金汽車底盤鑄件為例，運用MAGMA軟件對其差壓鑄造充型及凝固過程的數值模擬，預測了鑄件缺陷產生的位置及大小，并分析了原因。結果表明，鑄件不能按照順序凝固方式進行凝固，在鑄件內部產生缺陷。通過調整模具結構及冷卻工藝均不能改善鑄件質量，分析出產生鑄造缺陷的主要原因是鑄件結構不合理。根據模擬結果，優化鑄件結構，對其再次進行鑄造模擬分析，發現鑄造缺陷消失，鑄件質量得到了改善。

數值模擬 差壓鑄造 鋁合金轉向節 結構優化

1　序言

當前出于能源及環保的考慮，汽車輕量化研究受到了世界各國的廣泛關注，汽車底盤系統零件由鑄鐵材料更改為鋁合金材料是汽車輕量化進程的重要手段之一。鋁合金作為比較輕的結構材料近些年來備受關注。

鋁合金轉向節是汽車的重要安全件，材質為AlSi7Mg0.3，隨著汽車產業輕量化趨勢加深，鑄件厚度越來越薄，結構越來越復雜，鑄件的結構特點決定了鑄件容易出現大量的疏松、氣孔、縮孔和夾渣等鑄造缺陷，在一定的工藝條件下，通過產品結構的優化是提高鑄件整體質量最簡單和容易的辦法。本文結合實際工作中的經驗，并采用軟件模擬優化的方法，找到比較合理的產品結構，并在試驗階段對優化的結構進行了驗證，在實際生產中取得了很好的效果。轉向節原始結構如圖1所示。

2　模擬結果與分析

2.1充型過程模擬分析

圖2為鑄件充型階段不同充型百分比時的形貌圖。可以看出，金屬液體通過澆口上升，然后沿法蘭平面向周圍底端流動，充滿底端中心區域后再沿鑄件各個加強筋向上填充；整個充型過程中，金屬液體流動較平穩，未發生鋁液飛濺及卷氣的現象，充型后鑄件溫度場分布合理。

2.2凝固過程模擬分析

鑄件凝固過程溫度場數值模擬是預測鑄件中產生縮孔和縮松缺陷的基礎和主要依據，通過凝固過程溫度場的數值模擬，可以直觀地看出凝固過程中鑄件各部分的溫度分布和變化過程，這對于改進鑄件工藝，以及提高鑄件質量和經濟效益都具有極其重大的意義。根據凝固末期的溫度梯度的大小，采用溫度梯度法來預測和分析縮孔缺陷的發生。在充型過程完成后，凝固過程開始至完成這一階段的液固體積比情況如圖3所示。相對于中心法蘭面區域而言，頂端減震器孔及轉向臂區域優先凝固。由于鑄件結構的限制，在減震器孔兩側及轉向臂與中心區域交接位置的壁厚都比較薄，凝固時體積收縮過快而得不到補償。因此，預測出在減震器孔頂端及轉向臂位置將會產生縮孔、縮松缺陷。

3　結構優化方案

針對出現缺陷的減震器孔及轉向臂兩個位置，需要增加這兩個位置的補縮通道，保證減震器孔頂端及轉向臂末端的補縮效果，故在減震器孔處縮短抽芯的長度，在減震器孔底部增加材料。在轉向臂與中心區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　結構優化后的模擬

4.1充型過程模擬分析

鑒于以上數值模擬結果與分析，對產品結構進行一定的優化，進而改進凝固工藝條件。采用增加鑄件壁厚的措施，對填充和凝固過程再次進行模擬。圖5為改進后合金液充型過程的模擬結果。可以看出，整個充型過程，金屬液面比較平穩，未發現卷氣缺陷的產生，充型后鑄件溫度場分布合理。

4.2凝固過程模擬分析

圖6為凝固過程中合金溫度場的分布圖。從模擬結構可以看出，從減震器孔頂端及轉向臂末端開始，鑄件實現順序凝固，不會出現液相孤島，進而防止了縮孔缺陷的產生。

5　結果驗證及結論

通過對差壓鑄造模擬仿真，獲得了澆注過程中溫度場 、流場和澆注各分階段時間及凝固過程，預測出了兩處潛在的縮孔缺陷，針對模擬結果進行分析后發現，造成缺陷的主要原因在于鑄件凝固過程中補縮通道窄，補縮不及時導致出現縮孔。對產品結構進行優化，增加鑄件壁厚，增大補縮通道，再次進行鑄造過程模擬，發現缺陷得到改善。如圖7所示。

利用模擬得到的初版工藝參數，并在產品試制過程中逐漸進行完善，對生產的鑄件進行X光探傷分析，如圖7結果顯示鑄件內部質量良好，未出現大量的縮孔、縮松及其他缺陷，此次對產品結構的優化得到了顯著的效果，提高了產品質量，從而使降低了車輛在行駛過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。