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原文传递汽车转向节铸造成型数值模拟及工艺优化

论文题名：	汽车转向节铸造成型数值模拟及工艺优化
关键词：	汽车转向节;高强韧球墨铸铁;铸造成型;数值模拟;工艺优化
摘要：	转向节作为汽车转向桥上的重要零件，在承受车身载荷和路面冲击的同时，还要承受刹车和转向时的扭力，工作环境非常恶劣。因此，转向节对结构、强度、塑韧性和减震性能要求均较高，其性能的优劣也直接决定了汽车的使用安全。　　QT400-15与QT450-10球墨铸铁由于成本低、综合力学性能好的特点，是目前转向节零件的典型材料。但是，随着汽车性能的逐步提升，其强度的不足将降低转向节的使用寿命。同时，由于球墨铸铁独特的糊状凝固方式，铸件容易出现缩松、缩孔等缺陷，质量不稳定。所以，开发适应高安全性能汽车的高强韧性球墨铸铁汽车转向节产品得到汽车铸造行业的广泛关注。　　本文以球墨铸铁汽车转向节为研究对象，通过对化学成分的设计与调控，制备出了一种满足汽车转向节性能要求的高强韧球墨铸铁材料，研究分析了C、Si元素对Cu合金化球墨铸铁中石墨球、基体组织以及力学性能的影响。并且通过对转向节的结构及铸造工艺性分析，设计了铸造工艺方案。采用Magmasoft模拟软件对转向节铸件的充型及凝固过程进行数值模拟，并对铸造过程中所产生的缺陷进行分析，提出合理化建议改进方案，可以为高强韧球墨铸铁汽车转向节产品的实际生产提供技术性支持。主要结论如下：　　1.研究分析了C、Si元素对所制备球墨铸铁的石墨球、基体组织以及力学性能的影响。结果表明，在添加0.36%Cu的基础上，Si元素含量的增加会使石墨球的数量增多，直径减小；C、Si元素含量增加使球墨铸铁基体中珠光体含量增高，珠光体片间距变细；Cu、Si元素均有强化球墨铸铁基体的作用；球墨铸铁基体中珠光体含量的增加以及珠光体片层的细化可以提高试样的拉伸性能。　　2.通过对球墨铸铁化学成分的设计调控，制备出了抗拉强度为765MPa，延伸率为10.2%的高强韧球墨铸铁，该材料的强韧性完全满足汽车转向节的性能要求。　　3.设计了转向节铸造工艺方案。包括造型方案、浇铸位置与分型面的选择，砂芯、浇注系统以及补缩系统的设计：转向节铸件采用石英砂湿型铸造、一箱四件（左右转向节各两件）的方式生产，采用阶梯式曲面分型的方法，水平浇注，成形孔位置左右两个转向节共用一个砂芯；选择开放式浇注系统，采用扁平状内浇道与控制压力冒口相结合的浇冒口设计。　　4.利用Magmasoft数值模拟软件对1375℃、1400℃、1425℃浇注温度、浇注时间10s的浇注条件下的转向节进行了充型过程以及凝固过程的数值模拟。模拟结果显示，上承载臂位置存在铁液飞溅与卷气现象，铸件的轴径处以及最高点存在困气现象；铸件有多处厚壁位置产生缩松缩孔缺陷。且随着浇注温度的提升，铁液在铸型内的流动速度加快，铸型内的压力增大，在铸件最高点产生困气的几率增大，转向节铸件产生的缩松缩孔数量先减少后增多，1400℃为最佳浇注温度。　　5.通过在上承载臂靠近横浇道的?侧位置增加新的内浇道，在铸件产生困气的四个位置增设出气针，在铸件产生缩松缩孔缺陷的位置设置石墨外冷铁，可以解决转向节铸件在浇注过程中的铁液飞溅与卷气现象、铸件困气现象以及缩松缩孔缺陷，最终获得了铸造质量良好的汽车转向节产品以及最优的工艺方案。
作者：	介璐阳
专业：	材料科学与工程
导师：	陈华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长春工业大学
学位年度：	2021