原標(biāo)題：鋁合金左懸置支臂半固態(tài)壓鑄技術(shù)研究

摘要

研究了鋁合金左懸置支臂半固態(tài)壓鑄技術(shù)，對鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半固態(tài)壓鑄工藝及臺(tái)架試驗(yàn)等進(jìn)行分析，對樣件產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測。半固態(tài)壓鑄左懸置支臂樣件通過臺(tái)架試驗(yàn)，與重力鑄造產(chǎn)品相比，減重10%以上。

國外應(yīng)用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)鋁合金鑄件較早，已經(jīng)批量生產(chǎn)新能源汽車殼體類鑄件，如空調(diào)壓縮機(jī)殼體、前橫梁、前后插件面板、電池外殼體等。與國外相比，國內(nèi)采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)鋁合金鑄件較晚，近幾年開始嘗試在新能源汽車上應(yīng)用。

轎車的鋁合金左懸置支臂（以下簡稱支臂）與電機(jī)及縱梁等連接，它除了承載一定的重量外，還在汽車運(yùn)行過程中起緩沖和減震的作用。通常情況下，支臂鑄件采用高壓鑄造工藝生產(chǎn)，具有效率高、成本低的優(yōu)勢。本項(xiàng)目支臂鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用高壓鑄造工藝生產(chǎn)不能滿足靜態(tài)力學(xué)計(jì)算要求。半固態(tài)鑄造鋁合金鑄件具有更高的力學(xué)性能。為了滿足受力工況需求，開展了支臂半固態(tài)鑄造技術(shù)研發(fā)工作。

1、半固態(tài)支臂鑄件設(shè)計(jì)

根據(jù)邊界條件及空間約束，進(jìn)行支臂鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過CATIA軟件建立支臂鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，運(yùn)用ABQUS有限元分析軟件，進(jìn)行一階對地模態(tài)計(jì)算校核分析、極限工況米塞斯應(yīng)力和最大主應(yīng)力計(jì)算校核分析、以及典型工況米塞斯應(yīng)力計(jì)算校核分析。經(jīng)過多輪模型設(shè)計(jì)（圖1a）及修改（圖1b），以及CAE計(jì)算迭代，一階二級(jí)三級(jí)對地模態(tài)、極限工況米塞斯應(yīng)力及最大主應(yīng)力、以及典型工況米塞斯應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)及CAE計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)要求。半固態(tài)壓鑄鋁合金支臂輕量化設(shè)計(jì)與重力鑄造鋁合金支臂相比，減重10%以上。

圖1 半固態(tài)支臂鑄件設(shè)計(jì)模型及修改模型

2、CAE計(jì)算分析

進(jìn)行多輪CAE計(jì)算迭代。計(jì)算一階二級(jí)三級(jí)對地模態(tài)、極限工況米塞斯應(yīng)力及最大主應(yīng)力、以及典型工況米塞斯應(yīng)力。

對地模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求大于600 Hz，一階二級(jí)三級(jí)對地模態(tài)計(jì)算結(jié)果均達(dá)到了這個(gè)要求（圖2）。

圖2 半固態(tài)支臂對地模態(tài)計(jì)算

極限工況米塞斯應(yīng)力及最大主應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求分別為低于85%材料抗拉強(qiáng)度及低于75%材料屈服強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果均達(dá)到了這個(gè)要求（圖3a-b）。典型工況米塞斯應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求為低于75%材料屈服強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果達(dá)到了這個(gè)要求（圖3c）。

圖3 半固態(tài)支臂鑄件CAE計(jì)算

3、產(chǎn)品制造

3.1 工藝設(shè)計(jì)

鋁合金支臂半固態(tài)壓鑄澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溢流及排氣設(shè)計(jì)如圖4所示。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)在鑄件彎形位置附近，內(nèi)澆道較厚，有利于鑄件充型及補(bǔ)縮。溢流及排氣設(shè)計(jì)在距離鑄件中心位置較遠(yuǎn)的兩端，兩端溢流排氣系統(tǒng)連接在一起向外排出。

圖4 半固態(tài)壓鑄澆注系統(tǒng)、溢流及排氣設(shè)計(jì)

3.2 數(shù)值模擬

使用Sigmasoft Virtual Molding軟件對鋁合金支臂半固態(tài)壓鑄充型及凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 半固態(tài)支臂充型過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 半固態(tài)支臂凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果

從圖5可以看出，半固態(tài)金屬充型順暢平穩(wěn)，沒有飛濺。

從圖6可以看出，支臂能夠?qū)崿F(xiàn)順序凝固，支臂形成縮松的可能性很小。

3.3 半固態(tài)壓鑄鋁合金支臂樣件

半固態(tài)壓鑄鋁合金材料為A319鋁合金，半固態(tài)支臂鑄件如圖7所示，外形尺寸190 mm×150 mm×110 mm，薄處壁厚10 mm，厚處壁厚33 mm。從圖7可以看出，鑄件外觀質(zhì)量好，沒有褶皺。

圖7 半固態(tài)支臂樣件

3.4 支臂樣件檢測

支臂樣件X射線探傷結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，鑄件內(nèi)部沒有缺陷。

圖8 X射線探傷結(jié)果

力學(xué)性能：半固態(tài)壓鑄A319鋁合金材料（本體取樣）抗拉強(qiáng)度370 MPa、屈服強(qiáng)度323 MPa、伸長率4.6%，硬度HB128。

微觀組織：從圖9中可以看出半固態(tài)壓鑄支臂（本體取樣）微觀組織中α-Al初晶組織不是常見的樹枝晶而是退化枝晶，似一朵朵花瓣?duì)睿▓D9）。

圖9 鑄件微觀組織

4、產(chǎn)品臺(tái)架驗(yàn)證

半固態(tài)壓鑄支臂樣件臺(tái)架試驗(yàn)包括：臺(tái)架拔脫力試驗(yàn)、臺(tái)架疲勞試驗(yàn)及臺(tái)架破壞試驗(yàn)。樣件通過了以上臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)

5、結(jié)論

（1）開發(fā)了A319鋁合金支臂半固態(tài)壓鑄工藝，研制樣件通過臺(tái)架拔脫力試驗(yàn)、臺(tái)架疲勞試驗(yàn)及臺(tái)架破壞試驗(yàn)。
（2）與重力鑄造產(chǎn)品相比，采用半固態(tài)壓鑄工藝成形的鋁合金支臂鑄件減重10%以上。
（3）從半固態(tài)壓鑄支臂樣件本體取樣測試，抗拉強(qiáng)度370 MPa、屈服強(qiáng)度323 MPa、伸長率4.6%，硬度大于HB128。

作者

胡玲海 修坤 戴俊良 金延竹
一汽鑄造有限公司鑄鍛研究所
本文來自：鑄造雜志