【技術電子報】利用FLOW-3D開發各種複合結構壓鑄件

1. 前言

輕量化這個概念最早起源於賽車運動,透過減少重量,帶來更好的操控性,發動機輸出的動力能夠產生更大的加速度。隨著“節能環保”的議題廣泛被關注,輕量化也廣泛應用到家用車領域;在不影響汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的重量,從而提高汽車的動力,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裡的保時捷以及其他相關的合作方就汽車輕量化領域做了技術的開發嘗試。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。


2. 研究方法

2.1 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相容的,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膠射入法的原理來思考壓鑄的可行性。


(圖1:集成方法)
(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、塗層以及製造參數等的影響。



2.2 結構原理

圖2. 屈曲應力測試
圖2. 屈曲應力測試

當我們分別針對傳統的鈑金結構上和一個混合結構的肋骨進行橫截面上的應力測試,了解組件的降伏應力。



2.3 集成原理

圖3. 結構集成設計
圖3. 結構集成設計

我們進行車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。



2.4 專案研究策略

在對技術方面進行考量後,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製作,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製上來回測試,以達到我們需要的產品設計。


2.5 過程中技術挑戰

圖4. 過程中技術挑戰
圖4. 過程中技術挑戰

首先需要進行模擬分析,生產的可能性比較,然後是產品生產出來它的品質問題,有沒有變形發生;浸塗漆電鍍是否可以進行,鈑金件和輕合金組合出是否能有效連接,以及在極端情況下鑄件的扭轉雜訊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品質性能不變。


2.6 部件選擇

在進行技術基礎考量、過程中技術挑戰之後,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.有結構件需求的零部件;2.可體現技術特點。


圖5. 集成方法
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,汽車頂部橫樑。


2.7 系統化設計及優化

在有了明確的部件選項後,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增加內部肋結構,優化外肋結構,達到外肋結構的優化;

③在複合壓鑄件初步設計好後,進行碰撞負荷測試,不斷優化設計,確定最終的產品幾何尺寸。


圖6. 結構設計
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,並且就車身而言有了集成結構的可能,部件周邊特徵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。


3. 分析與結果

在我們將產品設計以及製程設定好後就要考慮壓鑄鑄造的可行性驗證,以及製程的改善。

利用FLOW-3D模擬分析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. 溫度結果
圖7. 溫度結果

圖8. 流動缺陷分析
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彙聚,這種情況下,發生困氣導致氣孔發生的機會增大,可能降低該處的結構強度。


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,最後部分氣體無法排出去。


圖9. 分析結果-速度向量
圖9. 分析結果-速度向量

通過放大網格頂部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. 內澆口進澆

圖10. 模具設計
圖10. 模具設計

透過頂部橫樑設計生產風險評估後,企業Schauffler根據生產建模將這變成一種壓鑄的多材料鑲件製程。上圖是將這種製程完全變成可生產的壓鑄模具。


在模具設計好後,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,確定最終的流道設計。

圖11. 模擬與實際對比
圖11. 模擬與實際對比

圖12. 最終產品
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
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%,並保證性能不變。生產的複雜性也得到降低,多達71處的點焊減少到8處。


4. 結論

通過不同結構集成鑄件的頂部橫樑,在滿足剛性、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軟體來驗證鑄造的可行性,以及進行製程過程的優化改善。