原標題：鋁合金左懸置支臂半固態壓鑄技術研究

摘要

研究了鋁合金左懸置支臂半固態壓鑄技術，對鑄件結構設計、半固態壓鑄工藝及臺架試驗等進行分析，對樣件產品質量進行檢測。半固態壓鑄左懸置支臂樣件通過臺架試驗，與重力鑄造產品相比，減重10%以上。

國外應用半固態壓鑄技術生產鋁合金鑄件較早，已經批量生產新能源汽車殼體類鑄件，如空調壓縮機殼體、前橫梁、前后插件面板、電池外殼體等。與國外相比，國內采用半固態壓鑄技術生產鋁合金鑄件較晚，近幾年開始嘗試在新能源汽車上應用。

轎車的鋁合金左懸置支臂（以下簡稱支臂）與電機及縱梁等連接，它除了承載一定的重量外，還在汽車運行過程中起緩沖和減震的作用。通常情況下，支臂鑄件采用高壓鑄造工藝生產，具有效率高、成本低的優勢。本項目支臂鑄件結構設計時采用高壓鑄造工藝生產不能滿足靜態力學計算要求。半固態鑄造鋁合金鑄件具有更高的力學性能。為了滿足受力工況需求，開展了支臂半固態鑄造技術研發工作。

1、半固態支臂鑄件設計

根據邊界條件及空間約束，進行支臂鑄件結構設計。通過CATIA軟件建立支臂鑄件結構設計模型，運用ABQUS有限元分析軟件，進行一階對地模態計算校核分析、極限工況米塞斯應力和最大主應力計算校核分析、以及典型工況米塞斯應力計算校核分析。經過多輪模型設計（圖1a）及修改（圖1b），以及CAE計算迭代，一階二級三級對地模態、極限工況米塞斯應力及最大主應力、以及典型工況米塞斯應力均滿足設計及CAE計算標準要求。半固態壓鑄鋁合金支臂輕量化設計與重力鑄造鋁合金支臂相比，減重10%以上。

圖1 半固態支臂鑄件設計模型及修改模型

2、CAE計算分析

進行多輪CAE計算迭代。計算一階二級三級對地模態、極限工況米塞斯應力及最大主應力、以及典型工況米塞斯應力。

對地模態標準要求大于600 Hz，一階二級三級對地模態計算結果均達到了這個要求（圖2）。

圖2 半固態支臂對地模態計算

極限工況米塞斯應力及最大主應力標準要求分別為低于85%材料抗拉強度及低于75%材料屈服強度，計算結果均達到了這個要求（圖3a-b）。典型工況米塞斯應力標準要求為低于75%材料屈服強度，計算結果達到了這個要求（圖3c）。

圖3 半固態支臂鑄件CAE計算

3、產品制造

3.1 工藝設計

鋁合金支臂半固態壓鑄澆注系統設計、溢流及排氣設計如圖4所示。澆注系統設計在鑄件彎形位置附近，內澆道較厚，有利于鑄件充型及補縮。溢流及排氣設計在距離鑄件中心位置較遠的兩端，兩端溢流排氣系統連接在一起向外排出。

圖4 半固態壓鑄澆注系統、溢流及排氣設計

3.2 數值模擬

使用Sigmasoft Virtual Molding軟件對鋁合金支臂半固態壓鑄充型及凝固過程進行數值模擬，結果如圖5、圖6所示。

圖5 半固態支臂充型過程數值模擬結果

圖6 半固態支臂凝固過程數值模擬結果

從圖5可以看出，半固態金屬充型順暢平穩，沒有飛濺。

從圖6可以看出，支臂能夠實現順序凝固，支臂形成縮松的可能性很小。

3.3 半固態壓鑄鋁合金支臂樣件

半固態壓鑄鋁合金材料為A319鋁合金，半固態支臂鑄件如圖7所示，外形尺寸190 mm×150 mm×110 mm，薄處壁厚10 mm，厚處壁厚33 mm。從圖7可以看出，鑄件外觀質量好，沒有褶皺。

圖7 半固態支臂樣件

3.4 支臂樣件檢測

支臂樣件X射線探傷結果如圖8所示，從圖中可以看出，鑄件內部沒有缺陷。

圖8 X射線探傷結果

力學性能：半固態壓鑄A319鋁合金材料（本體取樣）抗拉強度370 MPa、屈服強度323 MPa、伸長率4.6%，硬度HB128。

微觀組織：從圖9中可以看出半固態壓鑄支臂（本體取樣）微觀組織中α-Al初晶組織不是常見的樹枝晶而是退化枝晶，似一朵朵花瓣狀（圖9）。

圖9 鑄件微觀組織

4、產品臺架驗證

半固態壓鑄支臂樣件臺架試驗包括：臺架拔脫力試驗、臺架疲勞試驗及臺架破壞試驗。樣件通過了以上臺架試驗，結果如圖10所示。

圖10 臺架試驗

5、結論

（1）開發了A319鋁合金支臂半固態壓鑄工藝，研制樣件通過臺架拔脫力試驗、臺架疲勞試驗及臺架破壞試驗。
（2）與重力鑄造產品相比，采用半固態壓鑄工藝成形的鋁合金支臂鑄件減重10%以上。
（3）從半固態壓鑄支臂樣件本體取樣測試，抗拉強度370 MPa、屈服強度323 MPa、伸長率4.6%，硬度大于HB128。

作者

胡玲海 修坤 戴俊良 金延竹
一汽鑄造有限公司鑄鍛研究所
本文來自：鑄造雜志