利用FLOW-3D®开发各种复合结构压铸件
利用FLOW-3D®开发各种复合结构压铸件

 

利用FLOW-3D®开发各种复合结构压铸件

Flow Science Deutschland GmbH, Rolf Krack Dipl.Ing.

帕盛博(苏州)软件科技有限公司,渠立欢

摘  要:针对大众某高档车的轻量化要求,通过复合结构集成铸件的方法原理、结构原理以及集成原理的研究,开发了一种汽车顶部横梁钣金件减重的方法。结果表明,基于装配、刚性和压铸成形的合理性设计,可实现减重28%;通过FLOW-3D®模拟验证了压铸成形可行性,并基于模拟结果进行了压铸工艺的改善,最终达到了“原始结构质量减少,安装生产复杂性降低,性能保持不变”的效果

关键词:复合结构集成;顶部横梁;FLOW-3D®;压铸成形;

 

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

 

轻量化这一概念最早起源于赛车运动,通过减少重量,带来更好的操控性,发动机输出的动力能够产生更高的加速度。随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题,轻量化也广泛应用到家用车领域;在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。

FLOW-3D德国公司和德国大众体系里的高档车-保时捷以及其他相关的合作方就汽车轻量化领域做了一次方向及技术的革新尝试。针对副车架上的一个钣金件,通过结构的改进达到轻合金材料在高性能结构件在钢板上设计集成。

 

1   不同结构集成铸件基础

1.1  方法的原理

在金属压铸领域,金属与金属之间多数是不能互相兼容的,我们在考虑将轻合金金属和钢板组合到一起时,可能就需要借鉴双色塑料射入法的原理来思考压铸的可行性。

(图1:集成方法)

在方法的原理上,我们就要考虑到不同的结构影响的可能性,例如钣金的材料、铸件的材料、涂层以及制造参数等的影响。

 

1.2  结构原理

图2. 屈曲应力测试

当我们分别在常规的钣金结构上激活局部屈曲应力和在一个混合结构的肋骨稳定的横截面上激活局部屈曲应力时,可以达到很大的屈曲应力。我们可以通过高性能结构来实现结构轻量化时保持强度不变。

 

1.3  集成原理

图3. 结构集成设计

我们进行壳混合结构的集成设计,如上图所示的连接方式来进行集成。A)轻合金成型件;B)钢板。通过功能与部件的集成来降低生产成本。

 

1.4  项目研究策略

在对技术方面进行考量后,我们就要确定研究的方式策略。首先,从技术的基础上进行评估研究方法、应力场、有限元分析以及样品制作,再到研发生产,怎样做到一体化设计,怎样生产。我们需要在技术和样品试制上来回测试,以达到我们需要的达到要求的产品设计。

 

1.5  过程中技术挑战

图4. 过程中技术挑战

首先需要进行计算模拟,生产的可能性模拟,然后是产品生产出来它的质量问题,有没有变形发生;浸涂漆电镀是否可以进行,钣金件和轻合金组合出是否能有效粘结,以及在极端情况下铸件的扭转噪声测试和铸件受腐蚀情况。我们都需要进行测试以保证该部件的质量性能不变。

 

1.6  部件选择

在进行技术基础考量、过程中技术挑战之后,我们就要针对整车来选择适合开展轻量化的部件了。我们选择的部件必须要达到以下两个需求:1.有结构组件需求的零部件;2.可体现技术特点。

图5. 集成方法

针对上图中的要求,可以挑选出符合这些要求的零部件,汽车顶部横梁。

 

1.7  系统化设计及优化

在有了明确的部件选项后,我们就要进入系统化的设计和优化方法考量。主要是以下三种:

①通过叠加的方法,进行薄板的几何优化,确定最终的钣金件几何形状;

②增加内肋结构,优化外肋结构,达到外肋结构的优化;

③在复合压铸件初步设计好后,进行碰撞载荷下测试,不断优化设计,确定最终的产品几何尺寸。

图6. 结构设计

上图就是最终结构集成铸件。减少了部件数量来降低成本,减重达到28%,直接的横截面减少,并且就车身而言有了高等集成结构的可能,部件周边特征集成的可能性也是非常高的,花费一些时间的话,可以挖掘出结构集成铸件更大的潜力。

 

2   集成结构件压铸可行性分析

在我们将产品设计以及工艺设定好后就要考虑压铸铸造的可行性验证,以及工艺的改善。

首先借助FLOW-3D模拟仿真的充型和凝固结果来判断铝液在斜肋处充型时导致困气发生的风险。

图7. 温度模拟

图8. 流动缺陷分析

上图可以看出,在充型时,中间斜肋相交处金属液多个方向汇聚,这种情况下,发生困气导致气孔发生的风险增大,降低该处的强度。

通过对斜肋处剖切,观察板层的体积流量,可以看出,此处充填时,最后部分气体无法排出去。

图9. 模拟分析-速度矢量

通过放大网格顶部网格的流速模拟分析来判断斜肋上设计平衡性以及铝液流动顺序。从上图可以看出在充型时,斜肋处发生困气风险很高,这会影响斜肋处的强度。铸件充型时,顺序充填,可以达到合理的凝固顺序。

需要对斜肋进行优化修改,改善充填流态,降低困气风险。

图9. 内浇口进浇

图9可以看出,充型时内浇口旁充填时发生困气的风险很高,需要进行浇道设计优化;或者压铸工艺上进行调整,减少困气的风险。

图10. 模具设计

在通过了顶部横梁设计生产风险评估后,企业Schauffler根据楼塔生产建模的思路将这变成一种压铸的多材料镶件工艺。上图是将这种工艺完全的变成了可生产的压铸模具。

在模具设计好后,再次通过FLOW-3D进行模拟,分析确认模拟结果,作出最终的改善,确定最终的浇排设计布局。

图11. 模拟与实际对比

图11是短射的对比测试。可以看到模拟和实际的符合度非常高,所以我们做的模拟结果是可以得到认可使用的。

图12. 最终产品

最终压铸生产出来的铸件形状。压铸时通过倒扣设计,铝合金部分和钣金件紧密粘结到一起。

图13. 效果对比

通过两种结构设计对比可以发现,重量从原始设计的三个钣金件组成4.71Kg,到通过结构改变不同结构集成铸件法的3.4Kg,减重达到28%,并且保证性能不变。生产的复杂性也得到降低,多达71处的点焊减少到8处,2.5m的结构粘结取消,金属惰性气体取消。

 

3   结论

通过不同结构集成铸件的顶部横梁,在满足刚度、强度及其它性能标准要求下还可以减重达28%,达到了我们轻量化的要求,还可以针对整车部件去进行高度轻量化的集成设计。

在轻量化进行工作中,可以通过FLOW-3D软件来验证铸造的可行性,以及进行工艺过程的优化改善。

 

参考文献

[1]   刘海,周洪,罗议明,母云涛.基于FLOW-3D的消失模铸造仿真模型开发[J].特种铸造及有色合金,2019,39(2):174-177.

[2]   肖洪波.基于机壳结构变异的压铸模设计[J]. 特种铸造及有色合金,2019,39(2):146-148

[3]   马广兴,万里等.轿车底盘铝合金后副车架的压铸工艺及模具设计[J].特种铸造及有色合金,2012,32(1):55-59.

[4]   魏娟娟,米国发,张锦志,et al.基于FLOW-3D软件的铝合金滤清器座的压铸工艺优化[J].铸造,2017,66(6):568-571.