压铸镁合金在汽车方向盘上的应用研究

　 镁合金是***轻的金属结构材料 ,具有比强度高 ,阻 尼、吸震及降噪性能优越, 铸造成形、机加工和表面装 饰性能好 ,易回收等优点 。文献《 Sicherheitsteile aus Magnesium》认为 , 镁合金应 用于方向盘可实现轻量化 ,又可降低路面和控制系统 的震动,同时发生意外时 ,镁合金方向盘可吸收更多能 量,保证驾驶员安全 ,因此具有低碳钢、工程塑料等传 统方向盘无法比拟的性能优势。本文以 SC6380 客车 镁合金方向盘为例进行初步研究, 通过失效形式及服 役状态分析、弹性有限元分析 、结构再设计及虚拟工艺 方案数值模拟等步骤, 为镁合金在方向盘上的应用与 生产提供理论指导。

1　 镁合金材料的选用

SC6380客车方向盘,零件较大,壁厚不均, 并且要 求具有较高的强度和韧性 。工业中使用的铸造镁合金以铝作为主要合金化元素 ,随着含铝量的减少 ,合金的 韧性逐渐增加 ,因此 , 低铝型AM系列镁合金比较适 合于方向盘等安全部件。但是 ,随着铝含量的降低 ,一 定程度上降低了合金的铸造性 ,所以,在选择能够达到 所需力学性能的合金时 , 应确保较高的含铝量以保证 其铸造性 ,因此 ,选用具有较高强度和良好韧性同时具 有一定铸造性能的AM60作为该方向盘的材料 。 分析用参数如下 :弹性模量E为45GPa, 泊松比ε为 0.35 ,屈服强度σs为130MPa ,旋转弯曲疲劳强度σ-1为59MPa。

2　 有限元分析

2. 1　 方向盘力学模型及网格

方向盘主要承受因扭转而产生的交变应力。根据 方向盘力学性能试验标准要求, 静扭***力矩应大于 300Nm ,确定图 1中所示相应的加载方式,约束轮毂 的轴孔,在轮缘上施加扭转力矩,其值为300Nm。图 2为方向盘的网格图形。

2. 2　 应力分析

以 Von Mises 屈服准则为依据 ,应用通用的有限元程序完成了方向盘的有限元分析及计算后处理 , 得出给定工况下方向盘的等效应力分布状况 。图3给出了方向盘的整体应力分布情况(图中方向盘各 部位所受应力值的大小与表面颜色的深浅相对应 , 颜色由深到浅对应着应力值由小到大), 应力集中主 要出现在辐条与轮缘 、辐条与轮毂的过渡连接部位 , 其余部位由于受载程度较小且不存在结构突变 , 因 而应力值较小且分布均匀 。当方向盘受静扭力矩为 300Nm的外力作用时 ,在辐条与轮毂过渡连接的 应力集中部位 , 应力值为14.88MPa, ***大应力值较 低。这是由于镁合金弹性模量较低 , 当受到外力作 用时 , 可以通过较大的弹性变形而实现整体承载 , 避 免了过高的应力集中。选择弯曲疲劳强度进行校核 的结果表明, 该方向盘的本体结构完全能满足服役 性能的要求。

3　 结构再设计

通常 ,安全结构件的结构再设计是以提高其疲劳 强度 、确保安全服役为依据, 因此, 根据方向盘的服役 状态 、失效机制和镁合金本身的材料性能特点 ,结构再 设计应在有限元分析的基础上 ,通过结构调整 ,达到防 止失效在疲劳寿命内发生的目的。考虑方向盘的服 役过程,所谓的结构设计应是对方向盘进行结构调整: 一是在材料体积不变的情况下调整结构形状 ,降低服 役应力水平;二是改进局部结构, 降低应力集中的程 度。由于该结构的镁合金方向盘疲劳强度能较好的满 足服役要求,因此在确保主体结构不变的前提下, 为进 一步提高可靠性, 可对应力集中部位进行局部结构 调整 。

4　 压铸工艺初探及数值模拟

4. 1　 压铸工艺设计

方向盘本体结构应以有限元分析得到的方向盘再 设计三维结构数据模型为基础 。针对方向盘的整体结 构,结合镁合金本体材料疲劳性能对内在缺陷非常敏 感的特点 ,对新材料结构的成形工艺因素进行分析 ,在 获得***佳性能结构的同时获得能确保铸件质量的***佳 工艺结构及工艺参数组合 ,满足构件对铸件内在质量 及相关疲劳性能的需求 , 为实现新材料在方向盘上的 合理应用奠定生产基础。针对上述情况 , 根据压铸工 艺要求,初步设计方向盘压铸模浇注系统。

4. 2　利用数值模拟进行工艺过程分析

用数值模拟软件对设计的压铸工艺方案进行压铸 过程模拟 ,通过对充型过程、凝固过程及压铸过程中铸 造缺陷进行分析 ,进一步优化方向盘浇注、排溢系统和 工艺参数组合。***终的方案为生产出品质优良的方向 盘压铸件提供重要的参考 。

(1) 充型分析

充型分析的目的是要求充型平稳, 且充型过程中 不应在方向盘本体部位出现过多的卷气等 , 以降低或 避免产生冷隔、浇不足等铸造缺陷 。

(2) 凝固分析

凝固过程要求实现从轮缘 - 轮辐- 轮毂到浇口的 顺序凝固 ,***后浇注的部分留有集渣包 ,起冒口作用。 由于铸件是在压力下凝固 ,不但可以大大提高铸件的 补缩效果 ,而且能够得到偏析少且***均匀、致密的铸 件。

(3) 缺陷分析

一些通用的铸造软件, 如MAGMAsoft 、Procast 等,都提供缺陷分析依据 , 如热节判据和缩孔缩松判 据,以上判据能够较为准确的预测在封闭液体等敏感 区域内是否产生热节和缩孔缩松等缺陷。据此 ,可在 铸件易产生热节和缩松的部位采取设置集渣包等措 施,以便使出现缺陷的部位从铸件本体向排溢系统等 非铸件本体部位转移 。

针对压铸过程中预计出现的问题, 尽量在数值模 拟阶段得到解决 ,得到较为合理的工艺方案 。这样不 但能在后续的生产中减少试机次数, 而且能确保压铸 过程充型平稳, 实现顺序凝固, 得到缺陷少 、品质高的 铸件 ,提高了生产效率。

5　 结束语

(1) AM60 系镁合金符合方向盘的生产和使用性 能的要求 。

(2)通过对方向盘的失效形式 、服役工况及服役应力进行分析, 提出了结构再设计的原则。

(3) 通过对方向盘进行压铸工艺方案虚拟设计及 数值模拟 ,对压铸工艺方案进行优化,为在相当少的试 机次数内生产出高质量的铸件、提高生产效率提供了理论依据。

以上分析规范了镁合金方向盘的开发过程 ,有效 的加快了开发周期, 同时为后续的研究及工业生产提 供了理论依据。作为总结 ,图 4 给出了合理的镁合金 方向盘开发流程 。