翻轉(zhuǎn)臂支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與鑄造工藝開(kāi)發(fā)

（東風(fēng)商用車鑄造二廠，湖北 十堰 442050）

1 前言

翻轉(zhuǎn)臂支架-前懸置的主要功能是連接支架和穩(wěn)定桿固接。該件是東風(fēng)商用車某車型翻轉(zhuǎn)支架類零件之一，為提高產(chǎn)品的鑄造工藝性，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。CAE 仿真分析為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了較好的解決方案不僅可以計(jì)算出產(chǎn)品的受力情況，更縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

Hywerworks 是目前汽車行業(yè)最流行的CAE 分析軟件之一，擁有強(qiáng)大的前、后處理功能，在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文借助Hywerworks 對(duì)翻轉(zhuǎn)臂支架-前懸置進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)應(yīng)力較小區(qū)域進(jìn)行減材料處理，從而達(dá)到輕量化要求。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE 分析，對(duì)結(jié)構(gòu)更改提供依據(jù)和參考，針對(duì)不同工況下優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證優(yōu)化后產(chǎn)品的可行性和科學(xué)性。

根據(jù)我廠類似件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和我廠不同生產(chǎn)線的特點(diǎn)，結(jié)合華鑄CAE 進(jìn)行鑄造工藝分析，設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝。綜合分析后，我廠DISA 線制造該產(chǎn)品，一型2 件方案較好，可以實(shí)現(xiàn)降低鑄造成本、縮短制造周期。

2 原產(chǎn)品CAE 分析

原模型由商用車技術(shù)中心提供鑄鐵件三維模型，我廠對(duì)鑄鐵件三維模型進(jìn)行有限元分析。

2.1 網(wǎng)格化分

運(yùn)用HyperWorks 進(jìn)行有限元分析，對(duì)其幾何模型進(jìn)行集合清理，為了較好的反應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合理的計(jì)算精度，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在3 mm.

2.2 材料屬性

翻轉(zhuǎn)臂支架的材質(zhì)為QT700-8，其材料參數(shù)如表1.

表1 材料屬性列表

2.3 邊界條件及載荷

翻轉(zhuǎn)臂支架模型邊界條件及載荷如圖1 所示。

約束翻轉(zhuǎn)臂支架平板位置四個(gè)安裝孔的縱向、橫向、垂向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

載荷工況為：

工況1：z 軸的力為20 000 N；

工況2：y 軸的力為52 000 N.

圖1 翻轉(zhuǎn)臂支架邊界條件及載荷示意圖

2.4 有限元分析

有限元分析模型如圖2 所示。各工況下的應(yīng)力和位移分布見(jiàn)表2 和圖3 所示。

圖2 有限元模型

表2 和圖3 表明，工況1 的最大應(yīng)力為145 MPa，工況2 的最大應(yīng)力為684 MPa，應(yīng)力主要集中在中部的兩個(gè)安裝孔位置。通過(guò)對(duì)原始模型的靜力學(xué)分析，可以為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，保證在優(yōu)化后的模型對(duì)產(chǎn)品在加載情況下應(yīng)力分布無(wú)較大影響。

表2 原模型CAE 分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的制定

3.1 產(chǎn)品需要優(yōu)化的原因

如圖4 所示，圖中大圓孔外輪廓標(biāo)記位置，不便于分型和起型，造成分型面復(fù)雜，外圓最低位置不能起型。故結(jié)合我廠生產(chǎn)線和鑄造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.2 產(chǎn)品優(yōu)化的要求

產(chǎn)品重量不得增加，便于起型和進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)。

3.3 產(chǎn)品優(yōu)化的結(jié)果

優(yōu)化位置示意見(jiàn)圖5，首先將凸臺(tái)位置的外側(cè)向外延申，保證不存在起型干涉，為保證重量不增加，將減重孔向外移動(dòng)，同時(shí)該處起型更方便。

優(yōu)化后的優(yōu)點(diǎn)：圓孔位置可以起型，砂胎形狀簡(jiǎn)單；凹坑位置更好起型。

3.4 優(yōu)化后CAE 分析

模型和邊界條件參考優(yōu)化前，結(jié)果如表3 和圖6 所示。從結(jié)果可以看出，優(yōu)化后，工況1 的最大應(yīng)力為130 MPa，工況2 最大應(yīng)力為644 MPa，均降低，最大降低40 MPa.應(yīng)力集中位置無(wú)變化。

圖3 原模型兩種工況的應(yīng)力分布

圖4 產(chǎn)品需要更改位置示意

圖5 產(chǎn)品優(yōu)化位置

表3 優(yōu)化后模型CAE 分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6 優(yōu)化后兩種工況的應(yīng)力分布

4 鑄造工藝設(shè)計(jì)和制造

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、需求量和我廠生產(chǎn)線特點(diǎn)，最終確定該產(chǎn)品在DISA 線生產(chǎn)，布置為1 型2 件，采用下芯框下芯，材質(zhì)為QT700-8，鑄件單重4.75 kg.

4.1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

4.1.1 產(chǎn)品技術(shù)條件

材質(zhì)QT700-8；鑄件表面油漆以QC-2，按EQY-2 執(zhí)行；初期調(diào)試階段100%X 光探傷；鑄件質(zhì)量按EQY-22 執(zhí)行。

4.1.2 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)多種方案進(jìn)行分析，確定最優(yōu)方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)方案1 凝固模擬結(jié)果如圖7 所示，考慮鑄件橫向布置，一型3 件。

圖7 方案1 凝固模擬結(jié)果

圖7 模擬結(jié)果表明，鑄件在凝固最后，中間拉筋交叉位置有出現(xiàn)縮松的傾向，所以圖中冒口起到改善縮松傾向的作用。

方案2 見(jiàn)圖8，鑄件豎向布置，一型2 件。

圖8 方案2 凝固模擬結(jié)果

圖8 模擬結(jié)果表明，增加一個(gè)冒口對(duì)縮松傾向影響不大，但是出品率降低。

方案3 見(jiàn)圖9，bmd 線布置，一型12 件。

對(duì)3 種方案進(jìn)行對(duì)比，方案3 的收益性較差，方案1 縮松傾向較小，并且型板布置和砂芯設(shè)計(jì)較合理，故選擇方案1 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，由于砂芯的定位和下芯，只能一型布置2 件。

4.1.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

估算整箱重為16 kg、澆注時(shí)間按估算為8 s，其中流量系數(shù)取0.5；每型鑄件高度為290 mm；查表得：F內(nèi)=140 mm2；F直=140×1.2=167 mm2；三維截面形狀如圖10 所示。

圖10 為工裝設(shè)計(jì)的三維示意圖，采用方案1的冒口設(shè)計(jì)和澆注系統(tǒng)，通過(guò)增加輔助澆道，改善鐵水的壓頭，降低砂眼風(fēng)險(xiǎn)，砂芯為成型圓孔位置。

圖9 方案3 凝固模擬結(jié)果

圖10 工裝三維示意圖

4.2 鑄造工藝驗(yàn)證

4.2.1 材質(zhì)結(jié)果分析

針對(duì)小批量生產(chǎn)階段，將多次結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，材質(zhì)性能見(jiàn)表4.

表4 材質(zhì)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多批次、小批量生產(chǎn)驗(yàn)證，該鑄件材質(zhì)達(dá)到QT700-8 要求，并能穩(wěn)定生產(chǎn)。

4.2.2 鑄件內(nèi)部質(zhì)量分析

對(duì)多批次鑄件進(jìn)行X 光探傷和解剖，見(jiàn)圖11，鑄件內(nèi)部質(zhì)量滿足技術(shù)條件要求，故該件可以批量生產(chǎn)。

圖11 鑄件X 光探傷和解剖

4.2.3 鑄造和加工工序流程

鑄造和加工工序流程如圖12 所示。

圖12 鑄造和加工工序流程

5 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，借助Hyper-Works 強(qiáng)大的前、后處理功能，對(duì)優(yōu)化前后產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，為產(chǎn)品更改提供依據(jù)并通過(guò)公司技術(shù)中心認(rèn)可；通過(guò)多個(gè)方案的鑄造工藝CAE 分析，選出較合理、收益較高的方案進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，各項(xiàng)要求均達(dá)到鑄件質(zhì)量要求并批量生產(chǎn)。

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，重量沒(méi)有增加，工況1 的最大應(yīng)力由145 MPa 降低到133 MPa；工況2 的最大應(yīng)力由684 MPa降低到644 MPa，應(yīng)力降低，產(chǎn)品安全系數(shù)得到提高，同時(shí)兼顧了鑄造工藝性；

2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，局部更適合于鑄造工藝生產(chǎn)，便于起型，簡(jiǎn)化模型；

3）采用華鑄CAE 軟件對(duì)多種鑄造工藝進(jìn)行分析，確定鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好的方案，為鑄件批量生產(chǎn)提供依據(jù)。