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來說比較復(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，但是已實現(xiàn)鋁合金的輕量化設(shè)計，其成形工藝多為鍛壓成形。而國內(nèi)中小型電動車中的拖曳臂，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，成本相對也比較高。基于最優(yōu)方案的拖曳臂新結(jié)構(gòu)相對比較簡單，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，對于拖曳臂的試生產(chǎn)成形精確度高，成形工藝設(shè)計周期短，相對于原來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軟件對其鑄造工藝分析，模擬其高壓壓鑄過程以預(yù)測鑄造過程零件可能存在的缺陷，通過分析相關(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。對用UG NX10.0建模好的后拖曳臂模型進行逆向模擬，導(dǎo)出為用于鑄造模擬的stl格式。

圖1：后拖曳臂模型

二、試驗材料及方法

采用先模擬優(yōu)化后驗證的步驟。試驗材質(zhì)為A356鋁合金，試驗前通過光譜儀測定合金成分，結(jié)果見表1。采用高壓壓鑄成形工藝進行試生產(chǎn)，澆注系統(tǒng)設(shè)計為錐形橫澆道多內(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，加熱時長定在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 ℃時加入0.1%的HGJ－2鋁合金無鈉精煉清渣劑對鋁液進行精煉，最后靜置20 min。

表1：A356鋁合金化學(xué)成分 wB/%

三、試驗過程及結(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澆注溫度、壓射速度和模具溫度等參數(shù)進行確定。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見表2。

表2：不同澆注溫度實驗組參數(shù)表

充型100%時溫度分布的對比

圖2：充型100%時溫度分布云圖

圖2為溫度分布云圖。可見前兩組在充型100%時均發(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對鑄件在凝固的過程中產(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。可以看出最大晶粒尺寸隨著澆注溫度的升高而增大，這是因為澆注溫度的升高導(dǎo)致過冷度減小，形核率也會隨之降低，從而導(dǎo)致粗大的枝晶產(chǎn)生。但是為獲得細小的等軸晶，應(yīng)該控制澆注溫度，模擬的過程中拖曳臂鑄型的平均晶粒尺寸呈一個先減小后增大的趨勢，在第澆注溫度為680℃時，較為理想。通過圖3可以看出澆注溫度對拖曳臂壓鑄件的二次晶壁間距影響很小，但是為獲得細小的等軸晶，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。

凝固時間的對比

圖4為各組參數(shù)下凝固時間的云圖和隨澆注溫度的變化。當(dāng)澆注溫度大于720 ℃，凝固時間的增加幅度很小，這是因為，可以發(fā)現(xiàn)在溫度大于635 ℃進行壓鑄時拖曳臂零件的各個部位的凝固時間幾乎是一致的，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，可以很明顯看出凝固時間的先后差距較大，在拖曳臂零件的交叉圓角的位置出現(xiàn)了明顯的深色，這個位置同其周圍的部位凝固時間上相差了約15 s，可能得不到后續(xù)金屬熔體的補縮而導(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。對比可以看出，澆注溫度對于拖曳臂的概率缺陷影響不大，而對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，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，會更容易產(chǎn)生氧化吸氣；若溫度太低，會造成熔體黏度降低，導(dǎo)致金屬液對夾雜物潤濕性增強，從而金屬液前端的氧化夾雜物就不易排出。因此，680℃下，凝固時間分布均勻，得到細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組實驗的概率缺陷參數(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 ℃，進行對適宜的壓射速度分析，見表3。

表3：不同壓射速度實驗組參數(shù)表

各組的充型時間和凝固時間

圖7：各組的充型和凝固時間隨壓射速度的變化曲線圖

圖7為各組的充型和凝固時間隨壓射速度的模擬及曲線圖。可以看出，在速度10 ~60 cm/s時鑄件都能得到完整的充型。另外可見，隨著壓射速度的增加，充型時間和凝固時間都隨之減小。通過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，這說明當(dāng)壓射速度大于30 cm/s，對充型時間和凝固時間的影響非常小。從凝固順序云圖來看，在高于30 cm/s時，凝固順序分布很均勻，相反，在10 cm/s和20 cm/s時鑄件上出現(xiàn)了不同范圍大小的凝固時間差，這些部位因為過早凝固，會得不到后面的金屬液補縮而造成缺陷的產(chǎn)生。

節(jié)點5的充填速度對比

圖8：各組節(jié)點5隨充型分數(shù)的變化曲線圖和其位置圖

通過傳感器查看不同壓射速度下點5隨著充型分數(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來說較為穩(wěn)定，但是當(dāng)壓射速度大于30 cm/s時，在充型率90%左右，40、50、60 cm/s都出現(xiàn)了節(jié)點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，對最佳的模具溫度進行確定，不同的模具預(yù)熱溫度組別見表4。

表4：不同模具溫度實驗組參數(shù)表

凝固時間和局部凝固時間對比

8組試驗的凝固時間和局部凝固時間隨模具預(yù)熱溫度的變化見圖9，其對應(yīng)的凝固時間云圖見圖10。在澆注溫度不變的情況下，隨著模具預(yù)熱溫度的增加，凝固時間和局部凝固時間都隨之增加，這是因為模具預(yù)熱溫度越高致使模具對金屬熔體起到一定的溫度保護作用，型腔充型完整后冷卻速率相對于較低的模具預(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，拖曳臂鑄件中間部位的凝固時間分布很不均勻，并且其局部凝固時間出現(xiàn)不一致的部位也非常明顯。凝固時間不均勻會導(dǎo)致鑄件因為凝固收縮產(chǎn)生一些裂紋和內(nèi)應(yīng)力缺陷。在預(yù)熱溫度為240、260 ℃時，也出現(xiàn)了這種情況，只是相對來說不是特別明顯。當(dāng)模具預(yù)熱溫度為160 ℃和180 ℃時其凝固時間和局部凝固時間分別出現(xiàn)了明顯的溫度差，這些溫度差較大的部位均會在凝固過程中產(chǎn)生一些缺陷。200、220 ℃的時，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，而且局部凝固時間的溫度梯度差出現(xiàn)比較合理，中間肋板因為是在金屬液的持續(xù)流道上面凝固時間比較長，呈現(xiàn)出深灰色，而兩側(cè)的薄壁因為金屬液的流路問題凝固時間比較短呈現(xiàn)出淺色。在預(yù)熱溫度為200℃時，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℃時幾乎沒有出現(xiàn)凝固時間上的溫度差，凝固溫度分布很均勻，出現(xiàn)缺陷的概率最小。

圖9：凝固時間和局部凝固時間隨模具溫度的變化曲線

圖10：各組的凝固時間和局部凝固時間云圖

各組氧化物含量對

圖11：不同模具溫度下各組氧化物含量對比

不同模具溫度下各組氧化物含量對比見圖11。可以看出氧化物的含量、分布范圍大小以2、4、6組的最小，其中模具溫度為220℃時氧化物含量最少，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高越多。

各組模具侵蝕程度對比

圖12：不同組模具侵蝕程度云圖對比

不同模具溫度下模具侵蝕程度云圖見圖12。可以發(fā)現(xiàn)60、100 ℃和240、260 ℃時出現(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，這些位置因為模具截面積出現(xiàn)了較大的變化，受到金屬液的沖擊力比較大，同時因為熔體的高溫，散熱不均勻?qū)е庐a(chǎn)生較大的溫度梯度。因此綜合來看，當(dāng)模具溫度為220℃鑄件可能出現(xiàn)的缺陷最少，同時又能最大程度減輕模具的侵蝕。

四、模擬方案的試驗驗

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，這可以通過零件表面處理進行消除，對零件整體質(zhì)量幾乎沒有影響。

圖13：拖曳臂零件圖

對零件進行CT掃描，查看其缺陷分布情況，見圖14。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，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，這是因為多個溢流槽可以排出大部分的氣體，說明成形的零件在最大應(yīng)力處組織致密性較好，相對來說強度也更好。圖14④顯示，缺陷集中的地方基本上都避過了拖曳臂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，這是因為這些地方極易產(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）通過控制變量法，對壓鑄模擬工藝參數(shù)如澆注溫度、壓射速度、模具溫度進行了優(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）對成形的拖曳臂壓鑄件進行切割和工業(yè)CT掃描，查看其出現(xiàn)的缺陷和模擬結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)通過數(shù)值模擬預(yù)測的缺陷部分同實際生產(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)機電工程學(xué)院