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镁合金汽车减震器支撑件压铸缺陷预测研究
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第33卷第1O期 2010年1O月 合肥工业大学学报(自然科学版) JOURNAL 0F HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOI OGY VoI_33 No.10 Oct.2010 Doi:10.3969/j.issn.1003—5060.2010.10.009 镁合金汽车减震器支撑件压铸缺陷预测研究 郑金星 , 王成勇 , 刘全坤 , 李卫荣。 (1.合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009;2.东莞宜安电器制品有限公司,广东东莞523466) 摘要:文章使用Procast模拟软件对镁合金减震器支撑件压铸成型过程进行多场耦合仿真模拟,并结合后 期实验对零件缺陷出现的位置、尺寸以及是否符合产品安全指标要求进行验证分析。研究表明,缺陷的分布 和尺寸均在安全指标范围之内,零件结构设计和成型工艺方案符合性能要求。模拟结果具有较高的可信度, 可以为汽车轻量化提供重要的理论和数据支持。 关键词:压铸;镁合金;轻量化;缺陷预测;数值模拟 中图分类号:TG249.2 文献标志码:A 文章编号:1003—5060(2010 J 10—1476—05 Research on die-casting defect prediction of magnesium alloy automobile shock absorber bracket ZHENG Jin-xing , WANG Cheng—yong ,LIU Quan—kun ,LI Wei—rong (1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Dongguan E-ande Electrical Products Co.Ltd.,I)ongguan 523466,China) Abstract:Multi—field coupling numerical simulation is conducted concerning the die—casting process of magnesium alloy shock absorber bracket through the application of simulation software Procast,and based on the experiment carried out later,the verification analysis is made with regard to the location and size of defects and whether they meet the requirements of product safety factor.Studies show that the distribution and size of defects are within the safety factor range,and the parts meet the perform— ance requirements in terms of structural design and molding technology.Simulation results are highly credible,and can provide important theoretical and data support for the lightweight design of automo— biles. Key words:die~casting;magnesium alloy;lightweighting;defect prediction;numerical simulation 减震器支撑件。在早期制造工艺中,减震器支撑 口 件主要采用铸钢,后期改为铝合金。随着新型轻 量化材料的研究和加工运用,厂商提出拟采用镁 合金以达到减重、降低能耗和提高减震性能的目 的。通过对结构和尺寸拓扑优化和产品样件初期 由于镁合金具有相对体积质量小、比强度高, 阻尼性、切削加工性、导热和减震性好等优 点|_1 一,使其成为非常重要的汽车轻量化材料。 如果汽车减重lO ,则燃油燃烧效率可以提高 6 ~8 l3J。实验,镁合金AM60B压铸生产的减震器支撑件 通过强度测试满足平台刚度,并且相对铸钢件减 由此可见,镁合金在汽车轻量化和 抗震性方面起着重要的作用。 本文研究的对象是广泛运用于小排量汽车的 收稿日期:2009 11—19:修回日期:2009 12—17 重约50 9/6,相对铝合金减重约20 以上。目前存 在的问题主要有:①镁合金减震器支撑件压铸生 基金项目:广东省教育部科技部产学研专项基金资助项目(2009B090600006) 作者简介:郑金星(1987一),男,安徽寿县人,合肥工业大学硕士生; 刘全坤(1945一),男,江苏江阴人,合肥工业大学教授,博士生导师 第10期 郑金星,等:镁合金汽车减震器支撑件压铸缺陷预测研究 1477 产工艺过程中的缺陷形式、分布和尺寸是否在安 针对产品的安全指标评估和结构力学特点, 全指标范围之内,这直接影响零件的支撑强度和 将零件分为A、B、C及其相似对称3个特征区域。 耐用性;②镁合金产品的防腐蚀性能后处理。 A区的回转半径较大,在成型过程中容易产生涡 本文使用Procast软件对压铸充型过程进行 流,形成缺陷;在B区和C区,壁厚较大且有通 仿真模拟,预测缺陷的形式、位置和尺寸,并结合 孔,在压铸成型过程中属于难成型区域;C区通孔 后期的实验分析评估缺陷是否符合产品安全指 与螺栓配合,且通孔外侧区域在结构上不能得到 标,以进一步确定目前轻量化过程结构设计和压 加强筋有效强化,属工艺缺陷重点监测区域。 铸工艺方案的可行性。 根据减震器支撑件结构特点和压铸模设计原 1减震器支撑件结构特点及前处理 理,内浇口的位置、浇注系统和溢流槽系统设计如 图2所示。 减震器支撑件体积约为4.14 x 10 m。,最 大壁厚为8 mm,最小壁厚为2 mm,平均壁厚为 溢流 溢流槽 3.4 mm。产品左右不对称,但存在多处回转半径 内浇 内浇口3 较大区域,且厚薄不均,属于中型复杂结构件。客 内浇 横浇道 户要求的产品缺陷安全指标为:零件不能出现热 横浇 裂纹倾向;孑L隙缺陷(气孔、缩松、缩孔)尽量控制 到最低,孔隙出现区域的平均直径不大于 1.0 mm,该区域占其周围区域(以缺陷中 图2减震器支撑件浇注系统 一63 cmX 3 cmX 3 cm)体积分数不大于1.5 。 减震器支撑件三维结构造型如图1所示。 压铸材料选用AM60B,模具材料使用H13, 其热物理性能见表1所列。根据零件左右轻微不 对称结构特点,采用多道浇口分区填充,且首先充 填深腔难以排气的部位,可以使金属液充填平稳, 孔外侧 有效传递静压力[4],溢流槽设计在壁厚较大和液 点监测 域 流交汇处。内浇口厚度为2.0 mm,冲头直径为 C 70 mm,浇注温度为670℃,模具温度为230。C, 内浇口压铸速度为45 m/s,增压压力为35 MPa。 图1减震器支撑件三维图 表1 AM60B和H13的热物理性能 2数值模拟过程及结果分析 真模拟如图3所示,合金液流首先从内浇口1(如 图2所示)进入A区及对称区域,液流容易在此 2.1减震器支撑件压铸充型过程分析 处形成涡流,故在此区域内外侧各设计2个小溢 压铸充型过程型腔流场和温度场的控制直接 流槽,防止涡流导致内侧溢流槽口过早封闭而影 关系产品的质量。液态金属在流动过程中为不可 响排气。 压缩牛顿流体的非稳态流动Es,63,其流动过程遵 如图3第290步所示,内浇口2和3(如图2 循质量守恒和动量守恒,即以N—S方程和连续方 所示)侧面进入型腔的合金液流与内浇口1正面 程为基础l7灌]。铸件凝固传热的基本规律可通过 进入的合金液流汇合后,形成左右两股合金液流 傅立导热微分方程来描述¨9]。 优先在中间加强筋连接处汇合。中间加强筋区域 Procast对减震器支撑件的压铸充型过程仿 因壁厚较大,且属两股液流交汇处,容易引起热 1478 合肥工业大学学报(自然科学版) 第33卷 节,这与温度场云图模拟结果相一致。充型第 340步显示液流最后充填C区及其对称区域。 fa)190步 (d)340步 图3减震器支撑件压铸充型过程 图3所示充型过程表明合金液流前沿整体向 果如图4所示。图4a显示,A、B、C区域冷却较 前推进,且流体始终填满流道,无明显卷气、紊流 慢,与邻近区域温度差较大,在充型凝固过程中产 等现象。进入铸件型腔后流体没有直接冲击到型 生缺陷的几率较高,缩松缩孔分布云图证实这些 壁对面,而是平稳流动,接近顺序填充,有利于把 区域缺陷的存在。图4b显示,壁厚最小的左右两 型腔中的气体、冷料前锋以及模具中的杂质等充 侧加强筋区域最先凝固,且由于左右两侧加强筋 填至溢流槽中,可以有效提高零件的质量。 壁厚不同,右侧比左侧优先凝固,其次是中间加强 2.2减震器支撑件数值模拟结果分析 筋区域,然后是零件A、B、C 3个壁厚较大、形状 复杂壁厚不均压铸件的铸造缺陷主要由缩孔 复杂区域,而B、C区域周围的溢流槽和浇道最后 缩松以及气孔所造成。减震器支撑件数值模拟结 凝固,符合顺序凝固原则。 图4减震器支撑件数值模拟结果 图4表明零件整体缺陷较少,没有出现大面积 安全指标范围内,但孔径尺寸需要后期实物测量。 的缩松和缩孔,只在溢流槽和A、B、C 3个区域出 A区回转半径较大,高速流动的合金熔液对模具 现少量缩松缩孔,没有气孔出现,说明溢流槽起到 壁冲击形成回流,尽管左右各设置2个小溢流槽, 预期排气和补缩作用。C区及其对称区域壁厚较 依然没有完全消除缩松在此汇集,建议可以将此 大且有通孔,在充型过程中属于最后充填区域,出 处溢流槽尺寸改大。B区属两股液流交汇形成热 现缩松缩孔不可避免。通孑L与螺栓装配连接,因此 节的区域,凝固不均和缓慢形成缩松。通过对缩 缩松缩孑L分布的范围和位置应严格分析判断。 孔区域有限元节点拾取粗略计算得出,A、B、C及 C区通孔外侧(如图1所示)在结构上不能得 相似对称区域最大缩松体积比例仅约1.0 ,均 到加强筋有效强化,应该尽量避免缺陷的存在。 在安全指标范围内。 分析图4c可知,左右通孔外侧均没有缩孔缩松等 等效应力分布云图如图5所示。从图5可看 缺陷,但左右通孔内侧却出现了少量的缩松,通过 出,零件区域等效应力分布均匀且较低,横浇道拐 对缩孔区域有限元节点拾取粗略计算,C区缩松 角、内浇口以及溢流槽口区域颜色较深,应力较 体积比例仅约0.8%o。由于通孔内侧在结构上可 大,但不影响零件的力学性能,并且有利于机械加 以得到加强筋的强化,对C区力学性能的影响在 工对浇口和溢流槽的去除。 第10期 郑金星,等:镁合金汽车减震器支撑件压铸缺陷预测研究 1479 Procast计算得出的最大主应力云图和曲线 主要原因 “ 。由于凝固速度不同,各节点应力都 如图6、图7所示。 迅速增加,但增长曲线斜率不同。由图7可知,尖 角和厚壁内部区域凝固较缓慢,在时间上明显滞 后非尖角厚壁区域,应力曲线增长斜率也远大于 非尖角厚壁区域。尖角厚壁区域最大主应力平均 峰值约为30 MPa,而零件非尖角厚壁区域最大主 应力平均峰值约为10 MPa,模拟结果表明零件成 ■●H 曩■嚣■■■■■■ 型过程最大主应力和等效应力均较小,发生热裂 纹缺陷概率较小。 图5等效应力分布云图 t t}s (a)火角利厚壁内部区域 (b)1F尖角厚壁【 域 图7最大主应力时间变化曲线 m 图6最大主应力分布云图 3 实验验证及结果分析 ,。一一合金在凝固初期液相可以对收缩进行有效补 一针对孑L径尺寸安全性能指标,按数值模拟工 缩,表现为应力松弛,应力曲线变化不明显,在凝 艺参数生产出实验样件,并进行多组线切割剖切 固中后期,合金固态收缩受到模具机械阻碍产生 实验,缺陷主要区域沿 一 截面(0,0,20)分布最 的热应力是热裂、残余应力和残余变形等缺陷的 为明显,剖切后的实物图如图8所示。 (a)A区 (b)B区左侧 一一 图8 剖切面(0, 缩孔缩松集中分布在A、B、C及对称区域的 纵向最厚大部位,也是冷却速度最小的部位,与数 值模拟分析结果相一致。测量B区左侧存在直 径最大约为0.8 mm的气孔,而其余截面平均缩 松缩孑L直径约为0.5 mm,且基本呈圆形,在出现 区域分布稀疏。尺寸在安全指标范围之内,符合 预期要求。通孔C区域,由于通孔周围壁厚较大 且与螺栓连接,若通孔外侧存在缺陷(气孑L、缩孑L、 缩松),则直接影响其使用寿命,需要重点监测,在 一一 图9 C区X光测试结果(ASTME505 3 J 上述线切割剖切实验基础上,对C区及其对称区 域进行X光测试,结果如图9所示。图9显示左 综合以上分析可得:实验验证和数值模拟结 右2个通孑L的外侧区域均没有出现缺陷,铸件组 果较好吻合,产品缺陷形式、分布和尺寸符合产品 织良好。左通孔内侧区域出现细小弥散状缩松, 安全指标要求。 1480 合肥工业大学学报(自然科学版) 第33卷 [23刘正,张奎,曾小勤,等.镁基轻质合金理论基础及应用 4结 论 [M].北京:机械工业出版社,2002:58—62. 使用Procast模拟软件对镁合金减震器支撑 [3]胡晓春,汪燮卿.国外交通运输节油经验和启示【_J].中国工 程科学,2o05,7(3):1—5. 件压铸成型过程进行仿真模拟,并结合后期的实 [4]张毅.铸造工艺CAD及其应用[M].北京:机械工业出 验,对零件缺陷出现的位置、尺寸以及是否符合产 版社,1994:48—5O. 品安全指标要求进行验证分析,得出如下结论: [5]Hwang W S,Stoehr R A.Modelling of fluid flow,Metals (1)压铸件充型过程变化和温度场、凝固场、 handbook[M].ASM Int,1988:227—230. 缩松缩孔等云图以及实物实验研究结果表明,零 [6]Morris J P,Fox P J,Zhu Y.Modeling low Reynolds number 件充填和凝固过程良好,符合顺序凝固原则,缺陷 incompressible flows using sPH[J]_Comput Phys,1997, 136:214 226. 的分布和尺寸均在安全指标范围之内;零件结构 [7]吴土平,于彦东,王丽萍,等.提高充型过程数值模拟运算速 设计和压铸模工艺方案符合产品性能要求,具有 度的动态超松弛迭代算法[j].中国有色金属学报,2003, 可行性,产品可以批量生产。 13(5):1219—1222. (2)实验结果表明,有限元数值模拟软件在 [8]McBride D,Croft T N,Cross№A coupled finite volume method for the computational modelling of mould filling in 汽车压铸件轻量化研究中起到重要作用,具有较 very complex geometries[J].Computers and Fluids,2008, 高的可信度,可有效降低研究成本,为汽车轻量化 37(2):170—18O. 的进一步研究提供重要的理论和数据支持。 [9]杨裕国.压铸工艺与模具设计[M].北京:机械工业出版 社,1996:78—81. [参考文献] [1o]吴培宁,谭建荣,赵越,等.复杂压铸件铸造应力集中区 域经验预测研究[J].中国机械工程,2005,16 (5).453—456. [1] 王迎春,李大永,彭颖红,等.镁合金轮毂低压铸造过程模拟 [J].上海交通大学学报:自然科学版,2005,39 (1):32—35,45. (责任编辑闫杏丽) (上接第1457页) ter for grip force tasks[J].International Journal of Indus trial Ergonomics,2005,35:495—507. 5结束语 [4] Motamedzade M,Choobineh A,Mououdi A,et a1.Ergo— nomic design of carpet weaving hand tools[J].International 本文针对识别外界环境影响人体舒适度的本 Journal of Industrial Ergonomics,2007,37:581—587. 质物理特征,提出了踏板装置舒适性的量化表达; [5]Toomingas A,Gavhed n Workstation layout and work pos— 建立了动作元概念模型,研究了动作元耦合机理, tures at call centres in Sweden in relation to national law, 根据不同动作对操纵过程的时间能力分析以及属 EU-directives and ISO-standards,and tO operators’corn— 性权重配比,建立了动作元耦合机制,实现了踏板 fort and symptoms[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2008,38:1051—1061. 装置操纵过程的数字化描述,为后期踏板装置舒 [63杨晓明,邱清盈,潘双夏,等.基于Hausdorff距离的摩托车 适性的评价与分析提供量化基础和理论支持。 制动器操纵舒适性优化设计方法[J].机械工程学报, 2006,42(6):170—173. [参考文献] [7]刘维平,谢成林,曹伟国,等.基于运动学分析的装甲车辆 驾驶操纵舒适性研究[J].车辆与动力技术,2008, (3):2O一23. 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