朱德瓏 羅四維 杜 華 易 斌 李華斌 張 梅

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

近幾年來，汽車輕量化的發(fā)展已成為時(shí)代的潮流，是應(yīng)對(duì)汽車保有量快速增長所帶來的能源和環(huán)境問題的有效措施。根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，汽車每減重10%，燃燒率提高6%- 8%，耗油量降低5%～9%，二氧化碳等汽車尾氣排放減少13%[1]。汽車輕量化的途徑主要有兩種：一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)；二是在車身制造上采用輕質(zhì)材料[2- 5]。汽車輕量化是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝編排等多方面因素的優(yōu)勢(shì)集成，但最主要的還是材料的輕量化[6]。汽車輕量化材料主要是比強(qiáng)度較高的材料，包括鋁、鎂合金以及各種復(fù)合材料。其中鋁合金是輕量化的關(guān)鍵金屬材料[7]。

鋁合金具有密度小、成形性好、耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑[8]。而鑄造鋁合金和變形鋁合金在汽車車身、底盤和動(dòng)力總成上早已得到大量應(yīng)用[9]，如底盤中的副車架。副車架作為底盤系統(tǒng)重要的承載元件，與車身和懸掛系統(tǒng)相連，主要作用是提高懸掛系統(tǒng)的連接剛度，減小路面震動(dòng)的傳入，從而帶來良好的舒適性[10]。其主結(jié)構(gòu)形狀多為U型結(jié)構(gòu)[11]。

對(duì)于底盤重要結(jié)構(gòu)件的副車架輕量化設(shè)計(jì)來說，鋁合金材料的選用是大勢(shì)所趨[12]。與國外副車架的研發(fā)和應(yīng)用情況相比較，國內(nèi)副車架的研發(fā)處于落后地位。目前，副車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要根據(jù)國外的研發(fā)成果進(jìn)行適應(yīng)性改造，自主創(chuàng)新能力還較弱。在高性能副車架生產(chǎn)方面，尤其是鑄造鋁合金副車架還依賴進(jìn)口。因此，對(duì)鋁合金副車架的應(yīng)用研究還需加強(qiáng)。

某副車架材質(zhì)為鑄造鋁合金，鑄件形狀復(fù)雜、截面積變化急劇，要求充型平穩(wěn)，表面光滑，關(guān)鍵部位無縮松、縮孔缺陷。因此，研究適用于大批量生產(chǎn)，具備高材料利用率和生產(chǎn)效率的鑄造工藝就變得十分必要。采用Adstefan鑄造模擬軟件對(duì)該副車架重力鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其在鑄造過程中可能出現(xiàn)的縮松、縮孔等缺陷，同時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料及方法

部分副車架三維模型如圖1所示，其材質(zhì)為A356鋁合金，采用金屬型重力澆注進(jìn)行試制。

圖1 副車架鑄鋁件局部三維模型Fig.1 Three- dimensional model of the part of sub- frame

首先在CATIA軟件中完成澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模，將制作好的三維立體模型存儲(chǔ)為STL的格式以備在模擬時(shí)使用，最后導(dǎo)入Adstefan鑄造模擬軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并實(shí)施工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

初次模擬時(shí)，可先進(jìn)行簡易的模擬來觀察鑄件可能存在熱節(jié)的位置(見圖2)，以便于在熱節(jié)處布置冷卻水管來改善凝固順序，從而有效地避免缺陷的產(chǎn)生，之后再進(jìn)行重力鑄造各參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 鑄件的(a)凝固過程和(b)縮松縮孔模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of (a)solidification process and (b) shrinkage of the casting

從圖2中可以看出，鑄件凝固時(shí)存在多處熱節(jié)，與縮松縮孔出現(xiàn)的位置吻合度很高，因而需要在熱節(jié)處布置冷卻水管以加快金屬液的凝固，避免在凝固末期產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。

將布置完冷卻水管的模型以STL文件的形式導(dǎo)入Adstefan軟件進(jìn)行模擬，研究的變量有澆注溫度、澆注速度和模具溫度。通過對(duì)參數(shù)的改變，觀察其對(duì)充型過程、凝固過程以及縮松縮孔的影響。模擬采用的是金屬型重力鑄造，通過底注方式進(jìn)行澆注。

2.1 澆注溫度的影響

澆注溫度對(duì)縮松縮孔和溫度場的影響如圖3所示，澆注溫度分別為650、700和750 ℃，澆注速度(15 cm/s)及模具溫度(300 ℃)保持不變。三個(gè)溫度下的充型過程相近，金屬液面均呈平穩(wěn)上升態(tài)勢(shì)，無明顯紊流。

圖3 (a)650 ℃、(b)700 ℃、(c)750 ℃澆注溫度下縮松縮孔預(yù)測圖Fig.3 Diagrams showing shrinkge likely to produce during the pouring at (a) 650 ℃, (b) 700 ℃ and (c) 750 ℃

由圖3(b)可以看出，紅色圓圈處在較高澆注溫度下無明顯缺陷，說明冷卻水管的布置加快了該處的冷速，消除了熱節(jié)。但圖3(c)圓圈處在三個(gè)澆注溫度下均存在縮松縮孔，主要原因是該處截面積相較于鑄件其他部位過大，周圍較薄處的金屬液凝固較早，使得金屬液無法順序凝固。而圖3(a)圓圈處的缺陷只存在于較低澆注溫度下，對(duì)應(yīng)其溫度場可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)澆注溫度較低時(shí)充型至鑄件末端的金屬液溫度過低，已經(jīng)低于液相線溫度，因而凝固時(shí)的補(bǔ)縮能力不足。當(dāng)澆注溫度為750 ℃時(shí)，存在過燒且能耗大的問題，此外溫度升高，金屬液吸氣性迅速升高，凝固冷卻時(shí)逸出氣體易形成氣孔針眼等缺陷，因而選擇700 ℃為澆注溫度較為合理。

2.2 澆注速度的影響

澆注速度對(duì)縮松縮孔和充型過程的影響如圖4所示，澆注速度分別為5、15和25 cm/s，澆注溫度(700 ℃)及模具溫度(300 ℃)保持不變。

圖4 (a)5 cm/s、(b)15 cm/s、(c)25 cm/s澆注速度下縮松縮孔預(yù)測圖Fig.4 Diagrams showing shrinkge likely to produce during the pouring at speeds of (a) 5 cm/s, (b) 15 cm/s and (c) 25 cm/s

觀察圖4(a)中圓圈處的缺陷和澆注溫度過低時(shí)類似。這是由于澆注速度偏低，雖然充型過程保證了層流充型，但金屬液充型變慢，溫度下降較大，導(dǎo)致黏度升高、流動(dòng)性降低，其補(bǔ)縮能力下降，因而會(huì)產(chǎn)生缺陷，該情況在澆注速度提高后便消失。當(dāng)澆注速度為25 cm/s時(shí)，由于澆注速度過快,在澆口處會(huì)造成噴射，與空氣極易反應(yīng)生成氧化物夾雜，還會(huì)導(dǎo)致卷氣等問題，對(duì)應(yīng)其縮松縮孔如圖4(c)可以發(fā)現(xiàn)，在該處出現(xiàn)了較其他澆注速度下數(shù)量更多的缺陷，因而選擇充型較為平穩(wěn)且缺陷較少的15 cm/s澆注速度較為合理。

2.3 模具溫度的影響

模具溫度對(duì)縮松縮孔的影響如圖5所示，模具溫度分別為250、300和350 ℃，澆注溫度(700 ℃)及澆注速度(15 cm/s)保持不變。

通常來說，模具預(yù)熱溫度會(huì)直接影響金屬液充型過程中的流動(dòng)性。當(dāng)模具溫度過低時(shí)，金屬液冷卻過快，在充型末期會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)縮能力不足的情況；而當(dāng)模具溫度過高時(shí)，能耗過大，同時(shí)造成與冷卻水管接觸的部分冷熱變化劇烈，模具壽命降低。

由圖5(a)中的圓圈處發(fā)現(xiàn)，模具溫度較低時(shí)，鑄件的頂端出現(xiàn)了縮松縮孔缺陷，但隨著模具溫度的升高，該處缺陷逐漸消失，說明模具溫度350 ℃最為合適。

圖5 (a)250 ℃、(b)300 ℃、(c)350 ℃模具溫度下縮松縮孔預(yù)測圖Fig.5 Diagrams showing shrinkge likely to produce puring in mold at (a) 250 ℃, (b) 300 ℃ and (c) 350 ℃

上述研究發(fā)現(xiàn),雖然冷卻水管的加入能夠有效地加快熱節(jié)處的冷速，減少缺陷的產(chǎn)生，但工藝參數(shù)的改變均無法全部消除鑄件鑄造過程產(chǎn)生的缺陷。分析不同參數(shù)下的鑄件模擬結(jié)果，主要原因是鑄件部分位置的截面積突變，導(dǎo)致周圍截面積較小的部分優(yōu)先凝固。且鑄件的形狀復(fù)雜，冷卻水管的布置對(duì)熱節(jié)處的冷卻效果無法充分體現(xiàn)，最終使得鑄件無法實(shí)現(xiàn)順序凝固，產(chǎn)生多處熱節(jié)，造成縮松縮孔的出現(xiàn)。因此，通過數(shù)值模擬的結(jié)果可得出最佳的工藝參數(shù)為澆注速度15 cm/s、澆注溫度700 ℃、模具溫度350 ℃。

3 汽車副車架試制與缺陷分析

3.1 副車架試制

按照上述模擬出的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行金屬型重力鑄造樣件試制(見圖6)。可以看出，鑄件充型良好，在外觀上無明顯裂紋等缺陷。因而需進(jìn)行內(nèi)部缺陷分析，與模擬結(jié)果相印證。

圖6 優(yōu)化工藝后的鑄件Fig.6 Optimized casting

3.2 缺陷分析

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，對(duì)于圖6中圓圈處的部位優(yōu)化最為明顯。在未優(yōu)化前，該處出現(xiàn)明顯的熱節(jié)，在凝固終期形成嚴(yán)重的縮松縮孔，如圖2(b)中的相應(yīng)位置，紅色表明該處金屬液的填充率很低即存在縮孔缺陷。而經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化的模擬結(jié)果，見圖5(c)，可見縮松縮孔缺陷模擬結(jié)果表現(xiàn)為藍(lán)色，即凝固后該處填充率較高，鑄件致密。

在為了驗(yàn)證Adstefan鑄造模擬軟件的模擬結(jié)果，在鑄件該位置進(jìn)行線切割，然后經(jīng)水磨去除劃痕后進(jìn)行宏觀金相觀察，如圖7所示。不難看出，在優(yōu)化前的鑄件內(nèi)部存在著嚴(yán)重的縮孔缺陷，長約4 mm，同時(shí)周圍分布著大量的針孔、縮松等缺陷?？s孔的長度占了近鑄件厚度的一半，嚴(yán)重惡化了鑄件的強(qiáng)度與韌性，無法滿足生產(chǎn)要求(<3 mm)。而經(jīng)優(yōu)化后的鑄件金相圖(見圖7(b))可以看出，鑄件截面上無明顯鑄造缺陷，且表面光亮致密，符合生產(chǎn)要求(<3 mm)。經(jīng)優(yōu)化后的鑄件質(zhì)量顯著提高，縮松縮孔缺陷顯著減少，與模擬結(jié)果相吻合，證明了通過模擬軟件優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)是一種有效的方法。

圖7 (a)優(yōu)化前和(b)優(yōu)化后鑄件的金相圖Fig.7 Metallographs of castings (a) before and (b) after being optimized

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)副車架鑄鋁件的結(jié)構(gòu)特征，采用金屬型重力鑄造。通過Adstefan軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)零件的鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到切實(shí)可行的金屬型重力鑄造工藝。

(2) 通過對(duì)鑄件工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到了最佳澆注溫度為700 ℃、澆注速度為15 cm/s、模具溫度為350 ℃。

(3) 在模擬過程中，由于副車架鑄鋁件形狀不規(guī)則且壁厚不均勻，易形成縮孔等缺陷。通過鑄造工藝的優(yōu)化，模擬結(jié)果與實(shí)際鑄件的截面金相觀察相一致，鑄件質(zhì)量大大提高。

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