汽车铝合金转向节结构优化

李秋芳 杨东光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛 066011）

汽车铝合金转向节结构优化

李秋芳 杨东光

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛 066011）

本文以实际生产的AlSi7Mg0.3铝合金汽车底盘铸件为例，运用MAGMA软件对其差压铸造充型及凝固过程的数值模拟，预测了铸件缺陷产生的位置及大小，并分析了原因。结果表明，铸件不能按照顺序凝固方式进行凝固，在铸件内部产生缺陷。通过调整模具结构及冷却工艺均不能改善铸件质量，分析出产生铸造缺陷的主要原因是铸件结构不合理。根据模拟结果，优化铸件结构，对其再次进行铸造模拟分析，发现铸造缺陷消失，铸件质量得到了改善。

数值模拟 差压铸造 铝合金转向节 结构优化

1　序言

当前出于能源及环保的考虑，汽车轻量化研究受到了世界各国的广泛关注，汽车底盘系统零件由铸铁材料更改为铝合金材料是汽车轻量化进程的重要手段之一。铝合金作为比较轻的结构材料近些年来备受关注。

铝合金转向节是汽车的重要安全件，材质为AlSi7Mg0.3，随着汽车产业轻量化趋势加深，铸件厚度越来越薄，结构越来越复杂，铸件的结构特点决定了铸件容易出现大量的疏松、气孔、缩孔和夹渣等铸造缺陷，在一定的工艺条件下，通过产品结构的优化是提高铸件整体质量最简单和容易的办法。本文结合实际工作中的经验，并采用软件模拟优化的方法，找到比较合理的产品结构，并在试验阶段对优化的结构进行了验证，在实际生产中取得了很好的效果。转向节原始结构如图1所示。

2　模拟结果与分析

2.1充型过程模拟分析

图2为铸件充型阶段不同充型百分比时的形貌图。可以看出，金属液体通过浇口上升，然后沿法兰平面向周围底端流动，充满底端中心区域后再沿铸件各个加强筋向上填充；整个充型过程中，金属液体流动较平稳，未发生铝液飞溅及卷气的现象，充型后铸件温度场分布合理。

2.2凝固过程模拟分析

铸件凝固过程温度场数值模拟是预测铸件中产生缩孔和缩松缺陷的基础和主要依据，通过凝固过程温度场的数值模拟，可以直观地看出凝固过程中铸件各部分的温度分布和变化过程，这对于改进铸件工艺，以及提高铸件质量和经济效益都具有极其重大的意义。根据凝固末期的温度梯度的大小，采用温度梯度法来预测和分析缩孔缺陷的发生。在充型过程完成后，凝固过程开始至完成这一阶段的液固体积比情况如图3所示。相对于中心法兰面区域而言，顶端减震器孔及转向臂区域优先凝固。由于铸件结构的限制，在减震器孔两侧及转向臂与中心区域交接位置的壁厚都比较薄，凝固时体积收缩过快而得不到补偿。因此，预测出在减震器孔顶端及转向臂位置将会产生缩孔、缩松缺陷。

3　结构优化方案

针对出现缺陷的减震器孔及转向臂两个位置，需要增加这两个位置的补缩通道，保证减震器孔顶端及转向臂末端的补缩效果，故在减震器孔处缩短抽芯的长度，在减震器孔底部增加材料。在转向臂与中心区域交接位置的减重窝处，减少减重窝的深度，增加该位置的壁厚。更改示意如图4。

4　结构优化后的模拟

4.1充型过程模拟分析

鉴于以上数值模拟结果与分析，对产品结构进行一定的优化，进而改进凝固工艺条件。采用增加铸件壁厚的措施，对填充和凝固过程再次进行模拟。图5为改进后合金液充型过程的模拟结果。可以看出，整个充型过程，金属液面比较平稳，未发现卷气缺陷的产生，充型后铸件温度场分布合理。

4.2凝固过程模拟分析

图6为凝固过程中合金温度场的分布图。从模拟结构可以看出，从减震器孔顶端及转向臂末端开始，铸件实现顺序凝固，不会出现液相孤岛，进而防止了缩孔缺陷的产生。

5　结果验证及结论

通过对差压铸造模拟仿真，获得了浇注过程中温度场 、流场和浇注各分阶段时间及凝固过程，预测出了两处潜在的缩孔缺陷，针对模拟结果进行分析后发现，造成缺陷的主要原因在于铸件凝固过程中补缩通道窄，补缩不及时导致出现缩孔。对产品结构进行优化，增加铸件壁厚，增大补缩通道，再次进行铸造过程模拟，发现缺陷得到改善。如图7所示。

利用模拟得到的初版工艺参数，并在产品试制过程中逐渐进行完善，对生产的铸件进行X光探伤分析，如图7结果显示铸件内部质量良好，未出现大量的缩孔、缩松及其他缺陷，此次对产品结构的优化得到了显著的效果，提高了产品质量，从而使降低了车辆在行驶过程中由于外力冲击引起的交通事故，大大提高了车辆的安全性和舒适性。