CAE模拟分析在摇臂室铸件开发过程中的应用

■ 刘海军，李永华，夏贵光

随着汽车产业的发展，铝合金铸件被广泛地应用到汽车上。传统的铸件开发模式逐渐不能跟上生产的需求，迫切需要一个开发速度快、开发周期短的生产模式。传统的铸件开发是依靠长期积累的经验先设计出一个铸造工艺，然后在生产中试验该工艺是否合理，对不合理的地方逐渐改进直至生产出合格的铸件。这种开发模式既延长了铸件开发周期，又浪费了开发资金。CAE模拟分析可以预先模拟铸件的流场及凝固场，根据预先设定的边界条件，可以模拟出铸件在浇注时会出现哪些缺陷，为设计者提供直观的参考，这样就可以提出针对性的预案。

摇臂室材料为ZL101A，需T6热处理，该产品净重16.5kg。长度为983mm，宽度为350mm，长宽比约为3:1。产品一侧有一个水道型腔用于对发动机进行冷却，水道型腔下表面及型腔内的各个搭子较厚大，造成补缩困难，易产生缩松缺陷，该产品的气密性要求较高，在0.3MPa压力下保压2min不能泄漏，产品如图1、图2所示。

一、铸造工艺设计

从结构上分析，该产品热节主要集中在铸件反面及水道型腔内部，根据设计经验，我们设计成顶注式浇注工艺，补缩冒口放置在铸件顶部，内浇道开设在两边冒口上，通过水道型腔内的一系列搭子作为补缩通道对下面的热节进行补缩，铸造工艺如图3所示。该浇注方式使铸件能形成由下到上的的顺序凝固梯度，有利于对热节部位进行补缩。

二、CAE模拟分析

1. 充型过程模拟

把设计好的三维工艺导入分析软件进行铸造工艺模拟。从温度梯度看，上面温度高，下面温度低，基本体现了设计思想，实现了铸件的顺序凝固，但充型时间长达16s。充型时间过长，铝液在浇注过程中易卷入气体，导致铸件产生气孔及氧化渣缺陷，直接影响水道内腔试压漏。

为此，我们加大了浇注系统内浇道截面积，使充型时间控制在12s，同时在直浇道下面放置过滤网，对铝液进行过滤，防止铝液中的一次渣进入。

为避免二次渣对水道内腔造成影响，将内浇道开设在水道腔对面的一边冒口上，并在产品底部增加了两处浇道补贴，使水道腔形成了底注式远端充型模式，不产生紊流，这样不但保证了铸件充型完整，而且又防止了水道腔处出现气孔及氧化渣缺陷，更改后的浇注系统如图4所示。

最终模拟结果显示，更改浇注系统后的铸件基本没有出现气孔及氧化渣缺陷，如图5所示。

2. 凝固过程模拟

从图6中可以看出，在铸件凝固过程中有A、B、C、D4个孤立的液相区，说明这几处是最后凝固的地方，其补缩通道已经提前凝固，这4处凝固时的体收缩导致的体积亏损没有得到外界铝液补偿。模拟结果显示所设计的冒口系统对这4处的补缩不充分，铸件会在这4处产生缩松缺陷。为此，我们对冒口系统作了更改，针对这4处增加冒口补贴，加强对这几处的补缩。再次模拟结果显示，这些区域的缩松缺陷消失，如图7所示。

三、应用效果

根据更改后的铸造工艺，我们制作了模具。实际生产中，浇注结果和模拟分析基本吻合，充型较稳定，铸件基本没有发现缩松、裂纹缺陷，产品一次试压合格率达到90%，满足了客户的要求，并成功送样。

从摇臂室产品开发过程中可以发现，CAE模拟分析使铸造缺陷在工艺设计阶段就得到了预防，很好地指导了生产，可在开发过程中少走很多弯路，确保产品一次性开发成功。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7