CAE模擬分析在搖臂室鑄件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)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(yīng)用到汽車上。傳統(tǒng)的鑄件開(kāi)發(fā)模式逐漸不能跟上生產(chǎn)的需求，迫切需要一個(gè)開(kāi)發(fā)速度快、開(kāi)發(fā)周期短的生產(chǎn)模式。傳統(tǒng)的鑄件開(kāi)發(fā)是依靠長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)先設(shè)計(jì)出一個(gè)鑄造工藝，然后在生產(chǎn)中試驗(yàn)該工藝是否合理，對(duì)不合理的地方逐漸改進(jìn)直至生產(chǎn)出合格的鑄件。這種開(kāi)發(fā)模式既延長(zhǎng)了鑄件開(kāi)發(fā)周期，又浪費(fèi)了開(kāi)發(fā)資金。CAE模擬分析可以預(yù)先模擬鑄件的流場(chǎng)及凝固場(chǎng)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邊界條件，可以模擬出鑄件在澆注時(shí)會(huì)出現(xiàn)哪些缺陷，為設(shè)計(jì)者提供直觀的參考，這樣就可以提出針對(duì)性的預(yù)案。

搖臂室材料為ZL101A，需T6熱處理，該產(chǎn)品凈重16.5kg。長(zhǎng)度為983mm，寬度為350mm，長(zhǎng)寬比約為3:1。產(chǎn)品一側(cè)有一個(gè)水道型腔用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，水道型腔下表面及型腔內(nèi)的各個(gè)搭子較厚大，造成補(bǔ)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(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)成頂注式澆注工藝，補(bǔ)縮冒口放置在鑄件頂部，內(nèi)澆道開(kāi)設(shè)在兩邊冒口上，通過(guò)水道型腔內(nèi)的一系列搭子作為補(bǔ)縮通道對(duì)下面的熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)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(duì)熱節(jié)部位進(jìn)行補(bǔ)縮。

二、CAE模擬分析

1. 充型過(guò)程模擬

把設(shè)計(jì)好的三維工藝導(dǎo)入分析軟件進(jìn)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(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固，但充型時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16s。充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鋁液在澆注過(guò)程中易卷入氣體，導(dǎo)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(shí)間控制在12s，同時(shí)在直澆道下面放置過(guò)濾網(wǎng)，對(duì)鋁液進(jìn)行過(guò)濾，防止鋁液中的一次渣進(jìn)入。

為避免二次渣對(duì)水道內(nèi)腔造成影響，將內(nèi)澆道開(kāi)設(shè)在水道腔對(duì)面的一邊冒口上，并在產(chǎn)品底部增加了兩處澆道補(bǔ)貼，使水道腔形成了底注式遠(yuǎn)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(jié)果顯示，更改澆注系統(tǒng)后的鑄件基本沒(méi)有出現(xiàn)氣孔及氧化渣缺陷，如圖5所示。

2. 凝固過(guò)程模擬

從圖6中可以看出，在鑄件凝固過(guò)程中有A、B、C、D4個(gè)孤立的液相區(qū)，說(shuō)明這幾處是最后凝固的地方，其補(bǔ)縮通道已經(jīng)提前凝固，這4處凝固時(shí)的體收縮導(dǎo)致的體積虧損沒(méi)有得到外界鋁液補(bǔ)償。模擬結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的冒口系統(tǒng)對(duì)這4處的補(bǔ)縮不充分，鑄件會(huì)在這4處產(chǎn)生縮松缺陷。為此，我們對(duì)冒口系統(tǒng)作了更改，針對(duì)這4處增加冒口補(bǔ)貼，加強(qiáng)對(duì)這幾處的補(bǔ)縮。再次模擬結(jié)果顯示，這些區(qū)域的縮松缺陷消失，如圖7所示。

三、應(yīng)用效果

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

從搖臂室產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，CAE模擬分析使鑄造缺陷在工藝設(shè)計(jì)階段就得到了預(yù)防，很好地指導(dǎo)了生產(chǎn)，可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中少走很多彎路，確保產(chǎn)品一次性開(kāi)發(fā)成功。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7