圖1 汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)

Porsche汽車應(yīng)用FLOW-3D優(yōu)化鑄件設(shè)計(jì)及工藝條件
應(yīng)用軟件：FLOW-3D CAST

一、前言

汽車產(chǎn)業(yè)正朝向于發(fā)展電動(dòng)汽車、更安全、更舒適、更酷炫的外型、更高性能的車子，但因?yàn)檫@些因素可能使汽車的重量加重，造成更多溫室氣體的排放，對(duì)環(huán)境形成破壞，又因各國(guó)目前針對(duì)環(huán)境都有訂定相關(guān)法規(guī)，讓汽車業(yè)者不得不思考要如何在輕量化的情況下完成上述的幾項(xiàng)發(fā)展，所以輕量化結(jié)構(gòu)是未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)。

Porsche汽車針對(duì)輕量化的技術(shù)提出了一體化鑄件的方式來(lái)改善汽車結(jié)構(gòu)與重量，其優(yōu)點(diǎn)上有高承重設(shè)計(jì)、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、高集成潛力（降低成本）、近凈形生產(chǎn)（壓鑄）、及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的巨大潛力，但卻也須面臨其他衍生的挑戰(zhàn)，如：鑄件以剛性為主會(huì)造成伸長(zhǎng)率降低，不能在車輛直接碰撞區(qū)域使用、非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程及鑄造工藝參數(shù)的不確定性，故本文將研究針對(duì)在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)復(fù)雜鑄件的方法進(jìn)行探討。

圖2 一體化鑄件

二、研究方法

考慮到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的工藝條件，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高鑄造零件的產(chǎn)品質(zhì)量，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)相互影響，在結(jié)構(gòu)中鑄件開(kāi)發(fā)過(guò)程使用拓?fù)浜托螤顑?yōu)化，并提出有建設(shè)性的工藝條件，來(lái)將鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化策略的推導(dǎo)，例如：鑄件的鑄造模擬以確定合適的方案和參數(shù)以及優(yōu)化目標(biāo)的形成（缺陷：氣蝕、孔隙率......）、使用仿真軟件來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)-機(jī)械（有限元網(wǎng)格）和鑄造參數(shù)，以彈簧支柱安裝為例，鑄件目標(biāo)為滿足鑄件的剛度和工作負(fù)載的要求以盡可能低的重量獲得較好的可鑄性、在鑄件品質(zhì)中取決于鑄件的填充和凝固、缺陷和結(jié)構(gòu)力學(xué)取決于幾何形狀、減少缺陷提高鑄件質(zhì)量、集成鑄造仿真開(kāi)發(fā)及壓鑄過(guò)程的技術(shù)影響。

本文選用的鑄件為Panamera G1 的車殼，在幾何中有星型筋及單一的筋條，整體形狀較為復(fù)雜，考慮到鑄件的幾何復(fù)雜有其他變量不利進(jìn)行研究，所以會(huì)先使用基礎(chǔ)模型(如圖3)進(jìn)行參數(shù)研究，通過(guò)表1進(jìn)行質(zhì)量判定，評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及鑄件質(zhì)量后，整理出一系列的相關(guān)流程后(如圖4)，再使用Panamera G1 的車殼來(lái)探討(如圖5)。

圖3 基礎(chǔ)模型參數(shù)

表1 鑄件品質(zhì)判斷

圖4 研究流程圖

圖5 Panamera G1 的車殼

三、分析設(shè)置

通過(guò)前章節(jié)的流程進(jìn)行基礎(chǔ)模型的研究(如圖6)，將零件通過(guò)應(yīng)力分析軟件計(jì)算出機(jī)械性能并分區(qū)檢視筋的效應(yīng)整理出規(guī)則，應(yīng)用于實(shí)際零件中，再繪制流道及渣包完成鑄件本體，后續(xù)通過(guò)FLOW-3D進(jìn)行充型及凝固的模擬，通過(guò)卷氣、氧化物、縮孔…等缺陷判斷來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 基礎(chǔ)模型分區(qū)研究分析

圖7 零件優(yōu)化流程

四、研究結(jié)果

基礎(chǔ)模模型研究主要是探討筋的角度、數(shù)量及高度，由圖8的分析結(jié)果可以看到等角度分配的筋在壓鑄時(shí)有卷氣存在，由圖9的分析結(jié)果可以看到減重22%仍然可以達(dá)到一定要求的機(jī)械強(qiáng)度，并且鑄造時(shí)無(wú)明顯缺陷存在。

圖8 基礎(chǔ)模型筋不同夾角的分析結(jié)果

圖9 基礎(chǔ)模型不同減重比率的分析結(jié)果

依據(jù)基礎(chǔ)模型的研究結(jié)果進(jìn)行鑄件的優(yōu)化，由圖10可看出原始設(shè)計(jì)在荷重時(shí)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)筋條的優(yōu)化后有明顯的改善，最終減重了8.5%仍然有高強(qiáng)度的機(jī)械性能及良好的鑄造性。

圖10 鑄件分析結(jié)果

五、 結(jié)論

1.在本文的研究中開(kāi)發(fā)方法能夠在開(kāi)發(fā)的初期階段設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)件的“最佳”設(shè)計(jì)。該方法可提升壓鑄件質(zhì)量、可鑄性和剛性的要求。
2.鑄造性是使用質(zhì)量指數(shù)來(lái)評(píng)估，該指數(shù)依據(jù)典型的鑄造缺陷來(lái)自填充和凝固，例如卷氣、冷接紋、氧化物夾雜、縮孔或其他孔隙。
3.開(kāi)發(fā)流程可以適應(yīng)不同的鑄造工藝，例如壓鑄、砂模鑄造和金屬型鑄造以及鋁或鎂等不同的材料。