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​技術暨實例探討電子報

應用增加鑄件表面紋路設計,於鋁合金鑄件之壁厚及重量改善

作者

Stephan Knor

Engineering Leichtmetallguss

Komponenten-Werkzeugbau

長久以來,由於在節能以及成本上的考量,汽車製造商持續致力於車輛重量之改善。而在車身材料內,底盤是最重要的部分之一。舉例而言,底盤的重量大約佔了全車重量的25%,成本也占了接近25%。

是全球企業降低成本,提高資源利用的共同方向,運用同一個零件來達成多用途多功能,是所有產品開發者追隨的共同目標。在攤銷工廠投資、設計成本、零件成本等固定成本的考量上,商品模組化就是達成規模經濟的最佳答案。

2012年2月1日,Volkswagon正式發表了將會在新世代車款上全面使用的全新MQB模組化橫向引擎矩陣 (德文原文為Modularer Querbaukasten,英文為Modular Transverse Matrix)底盤。MQB帶入了更高度的模組化概念,能夠允許Volkswagen集團中不同品牌的車款在同一個產線上生產,這也正式代表Volkswagen集團旗下產品進入新的世代,第7代Golf以及新一代A3將會是第一批運用MQB底盤的新型車款。

這項巨大的技術革命並非無聲無息,早在2007年Volkswagen集團發表的2018年10年營運方針中就提到了MQB橫置引擎共用架構計畫。當初的概念就是在MQB架構下,透過相同引擎配置、標準與簡化的組裝流程,讓Volkswagen集團能夠降低旗下各品牌的開發成本。

儘管每一種車款擁有不同的軸距和輪距,但MQB模組化底盤能夠以調整前懸、後懸、軸距以及後座長度的方式,符合不同級距車款的車身比例需求。Volkswagen表示MQB模組化底盤能夠廣泛應用在旗下的Polo、Beetle、Golf、Scirocco、Jetta、Tiguan、Touran、Sharan、Passat以及Volkswagen CC車型上。

從設計上來看,MQB底盤以副車架的方式進行組裝。將傳統一個複雜的前車軸零件,模組化設計後,改以鋁合金製造生產MQB副車架。該車架的重量約為8.4公斤,鑄件的最小壁厚為5.5mm。

搭配 FLOW-3D CAST進行鑄件及模具設計,該鑄件完成初步設計。但是在生產考量下,工程單位希望讓鑄件重量能夠減少更多,讓產品在生產成本及節能考量上更具優勢。

工程部門提出一個想法,希望利用在模具表面增加紋路設計,以改善金屬融湯的流動性,以減少鑄件厚度,提高製程良率。

為了確認這個方案的可行度,工程單位設計了一套實驗模具,並且搭配 FLOW-3D CAST進行鑄造模擬,以便與實驗結果進行驗證。

對於工程人員而言,最希望了解的是不同的模具表面紋路設計對於金屬融湯流動的影響。除了希望有實驗數據比對外,還希望將紋路設計參數化,利用數值模擬進行更完整的方案確認。

以下是幾個簡單方案的數值模擬。利用 FLOW-3D CAST,工程人員可以比對不同的紋路設計對於金屬融湯的流動長度影響。

除了 FLOW-3D CAST的數值模擬之外,再以實驗結果進行驗證。

從數值模你與實驗結果進行比對,可確認數值模擬的趨勢與實驗結果一致。

以下為不同的紋路設計對於流動長度的影響 (以 FLOW-3D CAST 進行數值模擬)

另外再以實驗驗證,比對數值模擬與實際金屬融湯流動的差異。

從設計上考量,以新型的紋路設計,可以在壁厚減少約 2mm的狀況下,維持幾乎相同的流動長度。

結論

利用新開發的紋路結構,不但在鑄件的壁厚減少約2mm外,鑄件整體的重量也減少約10%

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