利用FLOW-3D?開發各種復合結構壓鑄件
利用FLOW-3D?開發各種復合結構壓鑄件

 

利用FLOW-3D®開發各種復合結構壓鑄件

Flow Science Deutschland GmbH, Rolf Krack Dipl.Ing.

帕盛博(蘇州)軟件科技有限公司,渠立歡

摘  要:針對大眾某高檔車的輕量化要求,通過復合結構集成鑄件的方法原理、結構原理以及集成原理的研究,開發了一種汽車頂部橫梁鈑金件減重的方法。結果表明,基于裝配、剛性和壓鑄成形的合理性設計,可實現減重28%;通過FLOW-3D®模擬驗證了壓鑄成形可行性,并基于模擬結果進行了壓鑄工藝的改善,最終達到了“原始結構質量減少,安裝生產復雜性降低,性能保持不變”的效果

關鍵詞:復合結構集成;頂部橫梁;FLOW-3D®;壓鑄成形;

 

Use FLOW-3D® to Develop Various Composite Structure Die Castings

Flow Science Deutschland GmbH, Rolf Krack Dipl.Ing.

 PSB Engineering(Suzhou)Co,Ltd,  Jason Qu

Abstract: Based on the requirement of lightening for some high-grade automobile of Volkswagen, a method for weight reduction of automobile top beam sheet metal parts is developed by studying the method principle, structure principle and integration principle of composite structure integrated casting. The results show that the weight reduction can be realized by 28% based on the rational design of assembly, rigidity and die casting. With FLOW-3D ® simulation verify the feasibility die-casting forming, and has carried on the improvement of the die casting technology based on the simulation results, finally reached the "quality to reduce the original structure, installation of production to reduce the complexity, performance remains unchanged" effect.

Key Words: Composite Strucure ; Automobile Top Beam ; FLOW-3D ® ;Die-cast Formation

 

輕量化這一概念最早起源于賽車運動,通過減少重量,帶來更好的操控性,發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。隨著“節能環保”越來越成為了廣泛關注的話題,輕量化也廣泛應用到家用車領域;在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。

FLOW-3D德國公司和德國大眾體系里的高檔車-保時捷以及其他相關的合作方就汽車輕量化領域做了一次方向及技術的革新嘗試。針對副車架上的一個鈑金件,通過結構的改進達到輕合金材料在高性能結構件在鋼板上設計集成。

 

1   不同結構集成鑄件基礎

1.1  方法的原理

在金屬壓鑄領域,金屬與金屬之間多數是不能互相兼容的,我們在考慮將輕合金金屬和鋼板組合到一起時,可能就需要借鑒雙色塑料射入法的原理來思考壓鑄的可行性。

(圖1:集成方法)

在方法的原理上,我們就要考慮到不同的結構影響的可能性,例如鈑金的材料、鑄件的材料、涂層以及制造參數等的影響。

 

1.2  結構原理

圖2. 屈曲應力測試

當我們分別在常規的鈑金結構上激活局部屈曲應力和在一個混合結構的肋骨穩定的橫截面上激活局部屈曲應力時,可以達到很大的屈曲應力。我們可以通過高性能結構來實現結構輕量化時保持強度不變。

 

1.3  集成原理

圖3. 結構集成設計

我們進行殼混合結構的集成設計,如上圖所示的連接方式來進行集成。A)輕合金成型件;B)鋼板。通過功能與部件的集成來降低生產成本。

 

1.4  項目研究策略

在對技術方面進行考量后,我們就要確定研究的方式策略。首先,從技術的基礎上進行評估研究方法、應力場、有限元分析以及樣品制作,再到研發生產,怎樣做到一體化設計,怎樣生產。我們需要在技術和樣品試制上來回測試,以達到我們需要的達到要求的產品設計。

 

1.5  過程中技術挑戰

圖4. 過程中技術挑戰

首先需要進行計算模擬,生產的可能性模擬,然后是產品生產出來它的質量問題,有沒有變形發生;浸涂漆電鍍是否可以進行,鈑金件和輕合金組合出是否能有效粘結,以及在極端情況下鑄件的扭轉噪聲測試和鑄件受腐蝕情況。我們都需要進行測試以保證該部件的質量性能不變。

 

1.6  部件選擇

在進行技術基礎考量、過程中技術挑戰之后,我們就要針對整車來選擇適合開展輕量化的部件了。我們選擇的部件必須要達到以下兩個需求:1.有結構組件需求的零部件;2.可體現技術特點。

圖5. 集成方法

針對上圖中的要求,可以挑選出符合這些要求的零部件,汽車頂部橫梁。

 

1.7  系統化設計及優化

在有了明確的部件選項后,我們就要進入系統化的設計和優化方法考量。主要是以下三種:

①通過疊加的方法,進行薄板的幾何優化,確定最終的鈑金件幾何形狀;

②增加內肋結構,優化外肋結構,達到外肋結構的優化;

③在復合壓鑄件初步設計好后,進行碰撞載荷下測試,不斷優化設計,確定最終的產品幾何尺寸。

圖6. 結構設計

上圖就是最終結構集成鑄件。減少了部件數量來降低成本,減重達到28%,直接的橫截面減少,并且就車身而言有了高等集成結構的可能,部件周邊特征集成的可能性也是非常高的,花費一些時間的話,可以挖掘出結構集成鑄件更大的潛力。

 

2   集成結構件壓鑄可行性分析

在我們將產品設計以及工藝設定好后就要考慮壓鑄鑄造的可行性驗證,以及工藝的改善。

首先借助FLOW-3D模擬仿真的充型和凝固結果來判斷鋁液在斜肋處充型時導致困氣發生的風險。

圖7. 溫度模擬

圖8. 流動缺陷分析

上圖可以看出,在充型時,中間斜肋相交處金屬液多個方向匯聚,這種情況下,發生困氣導致氣孔發生的風險增大,降低該處的強度。

通過對斜肋處剖切,觀察板層的體積流量,可以看出,此處充填時,最后部分氣體無法排出去。

圖9. 模擬分析-速度矢量

通過放大網格頂部網格的流速模擬分析來判斷斜肋上設計平衡性以及鋁液流動順序。從上圖可以看出在充型時,斜肋處發生困氣風險很高,這會影響斜肋處的強度。鑄件充型時,順序充填,可以達到合理的凝固順序。

需要對斜肋進行優化修改,改善充填流態,降低困氣風險。

圖9. 內澆口進澆

圖9可以看出,充型時內澆口旁充填時發生困氣的風險很高,需要進行澆道設計優化;或者壓鑄工藝上進行調整,減少困氣的風險。

圖10. 模具設計

在通過了頂部橫梁設計生產風險評估后,企業Schauffler根據樓塔生產建模的思路將這變成一種壓鑄的多材料鑲件工藝。上圖是將這種工藝完全的變成了可生產的壓鑄模具。

在模具設計好后,再次通過FLOW-3D進行模擬,分析確認模擬結果,作出最終的改善,確定最終的澆排設計布局。

圖11. 模擬與實際對比

圖11是短射的對比測試??梢钥吹侥M和實際的符合度非常高,所以我們做的模擬結果是可以得到認可使用的。

圖12. 最終產品

最終壓鑄生產出來的鑄件形狀。壓鑄時通過倒扣設計,鋁合金部分和鈑金件緊密粘結到一起。

圖13. 效果對比

通過兩種結構設計對比可以發現,重量從原始設計的三個鈑金件組成4.71Kg,到通過結構改變不同結構集成鑄件法的3.4Kg,減重達到28%,并且保證性能不變。生產的復雜性也得到降低,多達71處的點焊減少到8處,2.5m的結構粘結取消,金屬惰性氣體取消。

 

3   結論

通過不同結構集成鑄件的頂部橫梁,在滿足剛度、強度及其它性能標準要求下還可以減重達28%,達到了我們輕量化的要求,還可以針對整車部件去進行高度輕量化的集成設計。

在輕量化進行工作中,可以通過FLOW-3D軟件來驗證鑄造的可行性,以及進行工藝過程的優化改善。

 

參考文獻

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[2]   肖洪波.基于機殼結構變異的壓鑄模設計[J]. 特種鑄造及有色合金,2019,39(2):146-148

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[4]   魏娟娟,米國發,張錦志,et al.基于FLOW-3D軟件的鋁合金濾清器座的壓鑄工藝優化[J].鑄造,2017,66(6):568-571.

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