后拖曳臂作為汽車懸架系統(tǒng)中的重要部分，起到連接和承載的作用，因不同形式的懸架結(jié)構(gòu),拖曳臂的形狀和尺寸也不一樣。高檔轎車中使用的拖曳臂功能和作用相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，如奧迪A8中的前擺臂和后擺臂同拖曳臂的作用功能是一樣的，但是已實(shí)現(xiàn)鋁合金的輕量化設(shè)計(jì)，其成形工藝多為鍛壓成形。而國(guó)內(nèi)中小型電動(dòng)車中的拖曳臂，采用的材料是鋼鐵，一般都是采用軋制、沖壓、焊接等多種工藝相結(jié)合的生產(chǎn)工藝，使得生產(chǎn)效率比較低，成本相對(duì)也比較高?；谧顑?yōu)方案的拖曳臂新結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是其尺寸為620 mm ×50 mm×50 mm，屬于比較大的結(jié)構(gòu)件。壓力鑄造鋁合金鑄件工藝已經(jīng)非常成熟，對(duì)于拖曳臂的試生產(chǎn)成形精確度高，成形工藝設(shè)計(jì)周期短，相對(duì)于原來(lái)的工藝不僅可以降低生產(chǎn)成本而且提高生產(chǎn)效率。

本課題以確定拖曳臂的最優(yōu)三維模型結(jié)構(gòu)，利用Anycasting軟件對(duì)其鑄造工藝分析，模擬其高壓壓鑄過(guò)程以預(yù)測(cè)鑄造過(guò)程零件可能存在的缺陷，通過(guò)分析相關(guān)工藝參數(shù)改善工藝條件后成形拖曳臂鑄件，提高其質(zhì)量和效率。

一、汽車后拖曳臂模型

后拖曳臂模型見圖1。對(duì)用UG NX10.0建模好的后拖曳臂模型進(jìn)行逆向模擬，導(dǎo)出為用于鑄造模擬的stl格式。

圖1：后拖曳臂模型

二、試驗(yàn)材料及方法

采用先模擬優(yōu)化后驗(yàn)證的步驟。試驗(yàn)材質(zhì)為A356鋁合金，試驗(yàn)前通過(guò)光譜儀測(cè)定合金成分，結(jié)果見表1。采用高壓壓鑄成形工藝進(jìn)行試生產(chǎn)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為錐形橫澆道多內(nèi)澆口的形式，見圖1。表面清理A356鋁合金錠，放入熔爐內(nèi)，電阻爐預(yù)熱，設(shè)置溫度到250 ℃，保溫30 min，電爐溫度在750±20 ℃熔煉，加熱時(shí)長(zhǎng)定在6±0.5 h，在750 ℃左右扒渣，扒渣前要先向鋁水均勻的加入扒渣劑，待鋁液溫度在720 ℃時(shí)加入0.1%的HGJ－2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣劑對(duì)鋁液進(jìn)行精煉，最后靜置20 min。

表1：A356鋁合金化學(xué)成分 wB/%

三、試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

澆注溫度的確定

為確定最優(yōu)的工藝參數(shù)，采用單因素控制變量法依次對(duì)澆注溫度、壓射速度和模具溫度等參數(shù)進(jìn)行確定。選定沖頭的壓射速度為30 cm/s，模具的預(yù)熱溫度為200 ℃，不同澆注溫度下的試驗(yàn)見表2。

表2：不同澆注溫度實(shí)驗(yàn)組參數(shù)表

充型100%時(shí)溫度分布的對(duì)比

圖2：充型100%時(shí)溫度分布云圖

圖2為溫度分布云圖?？梢娗皟山M在充型100%時(shí)均發(fā)生了不同程度的部分凝固現(xiàn)象，而5～7組則出現(xiàn)了溫度分布非常不均勻的現(xiàn)象，還可以看出5～7組在拖曳臂零件的鑄型上面產(chǎn)生了較大范圍的溫度梯度。提前凝固和較大的溫度梯度差都會(huì)對(duì)鑄件在凝固的過(guò)程中產(chǎn)生影響而導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，第3、第4組拖曳臂鑄型上的溫度分布較其他組均勻，而第3組相對(duì)于第4組在鑄件左邊拖曳臂的側(cè)壁上出現(xiàn)了很小的溫度差，故單從溫度的分布上來(lái)看第4組澆注溫度最為理想。

晶粒尺寸和二次晶臂間距

圖3：七組模擬下晶粒尺寸和二次晶臂間距的對(duì)比

圖3為不同澆注溫度組間晶粒尺寸的大小和二次晶壁間距大小的對(duì)比。由其云圖得出的最大晶粒尺寸的大小、拖曳臂鑄型平均晶粒尺寸大小和平均二次晶壁間距的折線圖?？梢钥闯鲎畲缶Я３叽珉S著澆注溫度的升高而增大，這是因?yàn)闈沧囟鹊纳邔?dǎo)致過(guò)冷度減小，形核率也會(huì)隨之降低，從而導(dǎo)致粗大的枝晶產(chǎn)生。但是為獲得細(xì)小的等軸晶，應(yīng)該控制澆注溫度，模擬的過(guò)程中拖曳臂鑄型的平均晶粒尺寸呈一個(gè)先減小后增大的趨勢(shì)，在第澆注溫度為680℃時(shí)，較為理想。通過(guò)圖3可以看出澆注溫度對(duì)拖曳臂壓鑄件的二次晶壁間距影響很小，但是為獲得細(xì)小的等軸晶，應(yīng)該在兼顧金屬液充型能力的前提下選取較低的澆注溫度。

凝固時(shí)間的對(duì)比

圖4為各組參數(shù)下凝固時(shí)間的云圖和隨澆注溫度的變化。當(dāng)澆注溫度大于720 ℃，凝固時(shí)間的增加幅度很小，這是因?yàn)椋梢园l(fā)現(xiàn)在溫度大于635 ℃進(jìn)行壓鑄時(shí)拖曳臂零件的各個(gè)部位的凝固時(shí)間幾乎是一致的，先后凝固的差距非常小，這就使得鑄件完全凝固后其收縮一致性程度高，不易產(chǎn)生零件的收縮變形，低于635 ℃下成形的鑄件，在拖曳臂上形成了很明顯的凝固時(shí)差，如果溫度梯度太大則容易導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。但是在700 ℃以上的高溫成形零件時(shí)，可以很明顯看出凝固時(shí)間的先后差距較大，在拖曳臂零件的交叉圓角的位置出現(xiàn)了明顯的深色，這個(gè)位置同其周圍的部位凝固時(shí)間上相差了約15 s，可能得不到后續(xù)金屬熔體的補(bǔ)縮而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，甚至是收縮變形發(fā)生。

圖4：各組凝固時(shí)間的云圖和隨澆注溫度的變化圖

概率缺陷參數(shù)和氧化物

鑄件出現(xiàn)概率缺陷幾率和部位的云圖見圖5。對(duì)比可以看出，澆注溫度對(duì)于拖曳臂的概率缺陷影響不大，而對(duì)于充型完整后鑄件所含氧化物的量影響非常大。不同澆注溫度下鑄件上出現(xiàn)的氧化物含量的最大值見圖6，可以發(fā)現(xiàn)在680 ℃以前隨著澆注溫度升高，氧化物的濃度趨于降低的趨勢(shì)，而680 ℃以后隨著澆注溫度的升高，雖然氧化物濃度的大小變化不明顯，但是可以明顯看出氧化物在拖曳臂零件上出現(xiàn)的分布范圍明顯增加。其原因是如果合金熔體溫度越高，會(huì)更容易產(chǎn)生氧化吸氣；若溫度太低，會(huì)造成熔體黏度降低，導(dǎo)致金屬液對(duì)夾雜物潤(rùn)濕性增強(qiáng)，從而金屬液前端的氧化夾雜物就不易排出。因此，680℃下，凝固時(shí)間分布均勻，得到細(xì)小的等軸晶可能性最大，鑄件不易產(chǎn)生缺陷，氧化物最少。故選擇最優(yōu)的澆注溫度為680℃。

圖5：7組實(shí)驗(yàn)的概率缺陷參數(shù)和氧化物云圖

圖6：各組氧化物含量隨澆注溫度的變化圖

壓射速度的確定

本組試驗(yàn)選沖頭的壓射速度作為變量，固定澆注溫度為680 ℃，模具溫度為220 ℃，進(jìn)行對(duì)適宜的壓射速度分析，見表3。

表3：不同壓射速度實(shí)驗(yàn)組參數(shù)表

各組的充型時(shí)間和凝固時(shí)間

圖7：各組的充型和凝固時(shí)間隨壓射速度的變化曲線圖

圖7為各組的充型和凝固時(shí)間隨壓射速度的模擬及曲線圖?？梢钥闯?，在速度10 ~60 cm/s時(shí)鑄件都能得到完整的充型。另外可見，隨著壓射速度的增加，充型時(shí)間和凝固時(shí)間都隨之減小。通過(guò)斜率的大小可以看出，壓射速度在30 cm/s之前減小的速率比較快，之后明顯變緩，這說(shuō)明當(dāng)壓射速度大于30 cm/s，對(duì)充型時(shí)間和凝固時(shí)間的影響非常小。從凝固順序云圖來(lái)看，在高于30 cm/s時(shí)，凝固順序分布很均勻，相反，在10 cm/s和20 cm/s時(shí)鑄件上出現(xiàn)了不同范圍大小的凝固時(shí)間差，這些部位因?yàn)檫^(guò)早凝固，會(huì)得不到后面的金屬液補(bǔ)縮而造成缺陷的產(chǎn)生。

節(jié)點(diǎn)5的充填速度對(duì)比

圖8：各組節(jié)點(diǎn)5隨充型分?jǐn)?shù)的變化曲線圖和其位置圖

通過(guò)傳感器查看不同壓射速度下點(diǎn)5隨著充型分?jǐn)?shù)的變化其充型速度的大小，見圖8，可見較低的壓射速度下其速度的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，但是當(dāng)壓射速度大于30 cm/s時(shí)，在充型率90%左右，40、50、60 cm/s都出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)處速度急劇減小的情況，而且在充型85%都出現(xiàn)了速度大范圍波動(dòng)的情況。由此可見，30 cm/s為最適宜的壓射速度。

模具溫度的確定

在確定了澆注溫度為680 ℃，壓射速度為30 cm/s后，對(duì)最佳的模具溫度進(jìn)行確定，不同的模具預(yù)熱溫度組別見表4。

表4：不同模具溫度實(shí)驗(yàn)組參數(shù)表

凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間對(duì)比

8組試驗(yàn)的凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間隨模具預(yù)熱溫度的變化見圖9，其對(duì)應(yīng)的凝固時(shí)間云圖見圖10。在澆注溫度不變的情況下，隨著模具預(yù)熱溫度的增加，凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間都隨之增加，這是因?yàn)槟＞哳A(yù)熱溫度越高致使模具對(duì)金屬熔體起到一定的溫度保護(hù)作用，型腔充型完整后冷卻速率相對(duì)于較低的模具預(yù)熱溫度比較小。觀察云圖可以發(fā)現(xiàn)，在模具預(yù)熱溫度為60、100 ℃時(shí)，拖曳臂鑄件中間部位的凝固時(shí)間分布很不均勻，并且其局部凝固時(shí)間出現(xiàn)不一致的部位也非常明顯。凝固時(shí)間不均勻會(huì)導(dǎo)致鑄件因?yàn)槟淌湛s產(chǎn)生一些裂紋和內(nèi)應(yīng)力缺陷。在預(yù)熱溫度為240、260 ℃時(shí)，也出現(xiàn)了這種情況，只是相對(duì)來(lái)說(shuō)不是特別明顯。當(dāng)模具預(yù)熱溫度為160 ℃和180 ℃時(shí)其凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間分別出現(xiàn)了明顯的溫度差，這些溫度差較大的部位均會(huì)在凝固過(guò)程中產(chǎn)生一些缺陷。200、220 ℃的時(shí)，雖然在流道和排氣溢流槽的很多部位出現(xiàn)了較大的溫度差，但是在拖曳臂零件上面凝固溫度分布非常均勻，而且局部凝固時(shí)間的溫度梯度差出現(xiàn)比較合理，中間肋板因?yàn)槭窃诮饘僖旱某掷m(xù)流道上面凝固時(shí)間比較長(zhǎng)，呈現(xiàn)出深灰色，而兩側(cè)的薄壁因?yàn)榻饘僖旱牧髀穯?wèn)題凝固時(shí)間比較短呈現(xiàn)出淺色。在預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，拖曳臂零件的倒角部位大多也都出現(xiàn)了很大的溫度差，而預(yù)熱溫度為220℃時(shí)幾乎沒有出現(xiàn)凝固時(shí)間上的溫度差，凝固溫度分布很均勻，出現(xiàn)缺陷的概率最小。

圖9：凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間隨模具溫度的變化曲線

圖10：各組的凝固時(shí)間和局部凝固時(shí)間云圖

各組氧化物含量對(duì)

圖11：不同模具溫度下各組氧化物含量對(duì)比

不同模具溫度下各組氧化物含量對(duì)比見圖11?？梢钥闯鲅趸锏暮?、分布范圍大小以2、4、6組的最小，其中模具溫度為220℃時(shí)氧化物含量最少，而其他組在拖曳臂零件上產(chǎn)生的氧化物都非常多，同在澆注溫度出現(xiàn)的情況一樣，溫度太高產(chǎn)生的氧化物含量相比會(huì)高越多。

各組模具侵蝕程度對(duì)比

圖12：不同組模具侵蝕程度云圖對(duì)比

不同模具溫度下模具侵蝕程度云圖見圖12?？梢园l(fā)現(xiàn)60、100 ℃和240、260 ℃時(shí)出現(xiàn)了不同程度的模具侵蝕，被侵蝕的位置主要出現(xiàn)在內(nèi)澆口附近和排氣溢流槽口附近，這些位置因?yàn)槟＞呓孛娣e出現(xiàn)了較大的變化，受到金屬液的沖擊力比較大，同時(shí)因?yàn)槿垠w的高溫，散熱不均勻?qū)е庐a(chǎn)生較大的溫度梯度。因此綜合來(lái)看，當(dāng)模具溫度為220℃鑄件可能出現(xiàn)的缺陷最少，同時(shí)又能最大程度減輕模具的侵蝕。

四、模擬方案的試驗(yàn)驗(yàn)

以澆注溫度為680 ℃，壓射速度為30 cm/s，模具預(yù)熱溫度為220 ℃進(jìn)行拖曳臂零件的試生產(chǎn)。成形的零件見圖13，生產(chǎn)的零件充型完整且表面質(zhì)量良好，僅僅在內(nèi)澆口熔體交匯的位置出現(xiàn)了一些流痕，這可以通過(guò)零件表面處理進(jìn)行消除，對(duì)零件整體質(zhì)量幾乎沒有影響。

圖13：拖曳臂零件圖

對(duì)零件進(jìn)行CT掃描，查看其缺陷分布情況，見圖14?？梢园l(fā)現(xiàn)很多微小的缺陷主要存在于兩端的襯套圈和中間主體板的連接處，從圖14①、②、③分截面查看缺陷的存在情況，幾乎沒有氣孔、縮孔的存在，這是因?yàn)槎鄠€(gè)溢流槽可以排出大部分的氣體，說(shuō)明成形的零件在最大應(yīng)力處組織致密性較好，相對(duì)來(lái)說(shuō)強(qiáng)度也更好。圖14④顯示，缺陷集中的地方基本上都避過(guò)了拖曳臂CAE分析中最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位，可以發(fā)現(xiàn)很多微小的缺陷主要存在于兩端的襯套圈和中間主體板的連接處，這是因?yàn)檫@些地方極易產(chǎn)生金屬熔體的交聚，從而出現(xiàn)較少的卷氣和滯留的一些雜質(zhì)、氧化物，但是因其體積所占整個(gè)零件體積的百分比很小，可以忽略。

圖14：拖曳臂工業(yè)CT掃描圖

五、結(jié)論

（1）通過(guò)控制變量法，對(duì)壓鑄模擬工藝參數(shù)如澆注溫度、壓射速度、模具溫度進(jìn)行了優(yōu)化確定，澆注溫度為680 ℃，壓射速度為30 cm/s，模具預(yù)熱溫度為220℃，生產(chǎn)出拖曳臂符合要求。

（2）對(duì)成形的拖曳臂壓鑄件進(jìn)行切割和工業(yè)CT掃描，查看其出現(xiàn)的缺陷和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的缺陷部分同實(shí)際生產(chǎn)所產(chǎn)生的缺陷很多部分是一致的。

作者：
楊湘杰 李子昕 京玉海 蔣興旺
南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院