汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連接支架拓?fù)鋬?yōu)化及增材制造研究

劉英杰 胡 強(qiáng) 趙新明 張少明 黃 帥 王永慧

1.有研科技集團(tuán)有限公司金屬粉體材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,北京,1014072.有研增材技術(shù)有限公司,北京,1014173.北京有色金屬研究總院,北京,1000884.北京汽車股份有限公司汽車研究院,北京,101300

0 引言

汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要潮流。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,若汽車整車質(zhì)量減小10%,燃油效率可提高6%～8%,電動(dòng)汽車整車質(zhì)量若減小10 kg,續(xù)駛里程可增加2.5 km[1]。目前汽車輕量化最主要方法之一就是應(yīng)用輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料,如將輕質(zhì)鋁合金應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、輪轂、制動(dòng)器零件、車身面板、車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器零件等零部件[2-3]。

汽車輕量化技術(shù)除以上將材料升級(jí)外,另一主要方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝創(chuàng)新。目前拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是性能優(yōu)越、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,它能在保證一定約束條件下獲取最優(yōu)的性能,有效降低材料密度,實(shí)現(xiàn)輕量化[4-5]。增材制造技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造工藝[6-7],是基于快速原型(rapid prototyping)技術(shù)中的“離散-堆積”原理,將CAD/CAM技術(shù)、分層制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、增材制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)等先進(jìn)技術(shù)集于一體的新型制造技術(shù)[8-9]。其優(yōu)點(diǎn)是能極大地節(jié)省材料,產(chǎn)品研制周期短,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造,可加工幾乎任意復(fù)雜的零部件[10-12]。因此,拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和增材制造技術(shù)的聯(lián)合能夠有效突破各自的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)制造一體化的目標(biāo)[13]。

隨著增材制造技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的逐漸成熟,拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造一體化技術(shù)在航空航天和汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[14]。美國(guó)休斯敦研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合3D打印設(shè)計(jì)軟件公司nTopology以及航空航天制造服務(wù)提供商Morf 3D開(kāi)發(fā)了螺旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)飛機(jī)用燃油熱交換器,使交換器表面積增加了146%,壁厚減小了50%,傳熱效率提高了3倍。歐洲RUAGSpace公司采用SLM技術(shù)為一顆地球觀測(cè)衛(wèi)星打印了一個(gè)鋁合金天線支架[15-17]。針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)的3D打印中心設(shè)計(jì)出了Kagome、錐形和六方金剛石單元結(jié)構(gòu)體,并通過(guò)SLM設(shè)備制造了AlSi10Mg多孔晶格熱交換器,為換熱器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供了技術(shù)保障[18]。南京理工大學(xué)研究并開(kāi)發(fā)了曲面幾何造型算法,可根據(jù)零件的幾何形狀實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)陣晶格單元最優(yōu)填充,實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度、高能量吸收的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足了航空航天產(chǎn)品極致輕量化需求[19-20]。汽車3D打印相關(guān)技術(shù)應(yīng)用方面發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早,全球知名生產(chǎn)商如奧迪、寶馬、奔馳、通用、大眾、豐田和保時(shí)捷等已經(jīng)在現(xiàn)代汽車的車體造型、新功能應(yīng)用驗(yàn)證以及復(fù)雜車體結(jié)構(gòu)零件、多功能材料汽車零件、輕型化汽車結(jié)構(gòu)的快速組裝制造等各個(gè)領(lǐng)域大量推廣使用了3D打印技術(shù)[21]。如日本豐田uBox汽車和美國(guó)賓利的Speed6汽車中應(yīng)用3D打印技術(shù)打印汽車金屬內(nèi)飾部件成為最大的技術(shù)亮點(diǎn)[22]。德國(guó)奧迪公司使用AlSi10Mg材料打印了W12發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)連接件和lunarquattro鋁合金車輪,已成功通過(guò)奧迪的質(zhì)量檢測(cè)。雷諾卡車公司通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用3D打印技術(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量減少了將近200個(gè),占總數(shù)量的近25%,此外還對(duì)80個(gè)缸體的零件以及45個(gè)缸蓋的零件行了集成,使新款發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量減小了將近120 kg[23]。但國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域增材制造技術(shù)的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始,尤其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用報(bào)道幾乎沒(méi)有。

綜上汽車輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),本文開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和增材制造研究,開(kāi)發(fā)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的拓?fù)鋬?yōu)化增材制造一體化技術(shù),并完成適用于增材制造鋁合金件的熱處理方法研究,最終制造出具有高強(qiáng)度、高剛度及輕量化的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)技術(shù)要求。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連接支架設(shè)計(jì)背景

本文研究對(duì)象為某汽車研究院開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“空壓機(jī)”)支架。圖1、圖2所示為壓縮機(jī)支架及壓縮機(jī)支架安裝模型,圖2中灰色是缸體,綠色是支架,黃色是空壓機(jī)。結(jié)構(gòu)裝配上,空壓機(jī)支架通過(guò)4顆M8螺栓與缸體連接,空壓機(jī)通過(guò)4顆M6螺栓與空壓機(jī)支架連接,圖3為壓縮機(jī)支架安裝實(shí)物圖。

圖1 空調(diào)壓縮機(jī)支架Fig.1 Air-conditioning compressor bracket

圖2 壓縮機(jī)支架安裝模型Fig.2 Compressor bracket mounting model

圖3 壓縮機(jī)支架安裝實(shí)物圖Fig.3 Installation drawing of compressor bracket

圖3中鋁合金(ADC12)鑄造的空壓機(jī)支架安裝在改款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行沖擊和耐久試驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)條件和故障問(wèn)題描述如表1所示,斷裂狀況如圖4和圖5所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件和故障問(wèn)題

圖4 1號(hào)實(shí)驗(yàn)缸體與空壓機(jī)支架連接凸臺(tái)斷裂狀況Fig.4 No.1 experimental cylinder block and air compressor bracket connection boss fracture

圖5 2號(hào)實(shí)驗(yàn)缸體與空壓機(jī)支架連接凸臺(tái)斷裂狀況Fig.5 No.2 experimental cylinder block and air compressor bracket connection boss fracture

以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)安裝有空調(diào)壓縮機(jī)但空調(diào)壓縮機(jī)不工作,針對(duì)凸臺(tái)斷裂原因進(jìn)行分析,從螺栓擰緊方式、缸體結(jié)構(gòu)、尺寸鏈、缸體尺寸、支架尺寸、缸體鑄造缺陷、臺(tái)架振動(dòng)、外物磕碰、支架模態(tài)等幾方面分析排查。最終發(fā)現(xiàn)通過(guò)NVH實(shí)測(cè)空壓機(jī)支架一階共振頻率為206 Hz,經(jīng)CAE計(jì)算空壓機(jī)一階共振頻率為203.64 Hz,如圖6所示,與改款發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率(200 Hz)相近,不滿足大于220 Hz要求(安全系數(shù)FEV推薦值為1.1)。即發(fā)現(xiàn)支架模態(tài)不足,與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振問(wèn)題,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程空壓機(jī)支架凸臺(tái)斷裂。

圖6 原空壓機(jī)支架模態(tài)分析結(jié)果Fig.6 Modal analysis results of original air compressor bracket

2 結(jié)構(gòu)分析及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)以上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架存在的問(wèn)題及發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的需求,本文開(kāi)展汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),解決支架模態(tài)不足問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)支架輕量化的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)是對(duì)結(jié)構(gòu)承載力學(xué)載荷的路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的布局特點(diǎn)、邊界條件的約束等限制,通過(guò)一定的方法找到最合理的力學(xué)載荷傳遞路徑,并結(jié)合現(xiàn)有的方法將這種路徑通過(guò)幾何特征表達(dá)出來(lái)。

本文所使用的優(yōu)化方法針對(duì)連續(xù)體介質(zhì)結(jié)構(gòu),通過(guò)幾何包絡(luò)尺寸確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)域,對(duì)其建立有限元模型后,按照優(yōu)化算法去除不參與傳遞載荷的有限元單元,得到一種包含孔洞的連續(xù)體模型,實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有均勻化方法、變密度方法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[24-25]。其中,變密度法的設(shè)計(jì)變量是單元相對(duì)密度,通過(guò)函數(shù)方程描述相對(duì)密度與模量的關(guān)系,對(duì)這種函數(shù)方程使用特定的優(yōu)化算法進(jìn)行迭代,最終得到單元的相對(duì)密度分布情況,即優(yōu)化結(jié)構(gòu)[26]。該方法在工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐中已被廣泛應(yīng)用,具有較高的可靠性及驗(yàn)證性,因此,本文也采用變密度法對(duì)連接支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,可以將問(wèn)題描述為在滿足約束條件下,得到質(zhì)量的最優(yōu)解。

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架應(yīng)用的需求,本文提出的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)具體目標(biāo)是提高剛度、減小質(zhì)量,即實(shí)現(xiàn)支架的模態(tài)頻率高于220 Hz、減重大于30%,且增材制造后結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)于原鑄造支架的力學(xué)性能,其中,抗拉強(qiáng)度為230 MPa,屈服強(qiáng)度為170 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為1%。

針對(duì)以上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo),首先對(duì)原空壓機(jī)支架模型進(jìn)行填充處理形成連續(xù)體結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 空壓機(jī)支架模型填充Fig.7 Air compressor bracket model filling

完成支架模型建模后,進(jìn)行仿真簡(jiǎn)化及條件確定:①簡(jiǎn)化計(jì)算量,將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和空壓機(jī)支架的連接位置提取出來(lái),作為支撐部分,如圖8所示模型;②壓縮機(jī)保持原形,更改質(zhì)量為實(shí)際質(zhì)量4.6 kg;③空壓機(jī)支架填充后模型的質(zhì)量為1.0222 kg;④固定條件為簡(jiǎn)化后模型中發(fā)動(dòng)機(jī)支撐部分固定,中間添加螺栓固定空壓機(jī)支架。

圖8 簡(jiǎn)化后計(jì)算模型Fig.8 Simplified computational model

確定仿真模型和條件后,利用ANSYS Workbench軟件的Topology Optimization模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,首先完成網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。

圖9 整體模型網(wǎng)格Fig.9 The overall model grid

圖10 支架模型網(wǎng)格Fig.10 Bracket model grid

支架模型網(wǎng)格劃分后在Workbench中首先利用Static Structural模塊完成模型的靜力學(xué)分析,整體模型的變形和應(yīng)力如圖11和圖12所示,通過(guò)模型變形和應(yīng)力云圖可知重力作用對(duì)其模型影響很小,可以忽略。

圖11 整體變形Fig.11 Integral deformation

圖12 整體應(yīng)力Fig.12 Overall stress

完成靜力學(xué)分析后,利用Modal模塊進(jìn)行模態(tài)分析,通過(guò)模態(tài)結(jié)果分析可知填充后模型模態(tài)頻率最小為374 Hz,且空壓機(jī)支架前幾階模態(tài)振型如圖13～圖17所示,主要表現(xiàn)為在發(fā)動(dòng)機(jī)固定螺栓孔左右兩側(cè)搖擺。

圖13 整體1階模態(tài)振型圖Fig.13 The whole first-order mode shape diagram

圖14 空壓機(jī)支架1階模態(tài)振型Fig.14 Air compressor bracket 1 step mode shape

圖15 空壓機(jī)支架2階模態(tài)振型Fig.15 Air compressor bracket 2 step mode shape

圖16 空壓機(jī)支架3階模態(tài)振型Fig.16 Air compressor bracket 3 step mode shape

圖17 空壓機(jī)支架4階模態(tài)振型Fig.17 Air compressor bracket 4 step mode shape

在以上分析基礎(chǔ)上利用Topology Optimization模塊開(kāi)展模型的拓?fù)鋬?yōu)化仿真,首先完成約束條件設(shè)置,約束條件為第一階頻率在220～400 Hz之間,螺栓固定位置設(shè)置為不考慮去除材料,如圖18中紅色部分,設(shè)置頻率約束和質(zhì)量約束權(quán)重為1。基于以上建立的有限元優(yōu)化模型開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化迭代仿真計(jì)算,拓?fù)鋬?yōu)化后模型形狀如圖19所示,空壓機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化后其質(zhì)量為0.221 63 kg。

圖18 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置條件Fig.18 Topology optimization setting conditions

圖19 拓?fù)鋬?yōu)化形狀Fig.19 Topology optimization shapes

完成以上拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后在SpaceClaim軟件中進(jìn)行光滑處理,如圖20所示,再進(jìn)行模型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充,首先將拓?fù)鋬?yōu)化后的模型和原實(shí)體模型都導(dǎo)入到SpaceClaim中,再將原實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格模型,并將網(wǎng)格模型圓滑處理,接下來(lái)使用抽殼功能和三角形點(diǎn)陣填充并去除相應(yīng)的面得到圖21所示填充模型。最后在SpaceClaim中將拓?fù)鋬?yōu)化后的模型和填充模型采用布爾加操作合并兩個(gè)模型,得到最終3D打印空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化模型,如圖22所示。經(jīng)計(jì)算最終3D打印空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化模型質(zhì)量為270 g,相比原空壓機(jī)支架513 g減小約47%,質(zhì)量和模態(tài)滿足預(yù)期要求,導(dǎo)出STL格式文件用于接下來(lái)的3D打印。

圖20 拓?fù)鋬?yōu)化后的模型Fig.20 The model after optimization

圖21 填充模型Fig.21 Filling model

圖22 3D打印空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化模型Fig.22 Topology optimization model of 3D printing air compressor

3 增材制造工藝優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化件打印

本文考慮到力學(xué)性能、成形性、材料成本及后處理等因素,選定性價(jià)比較高的AlSi10Mg合金作為連接支架拓?fù)鋬?yōu)化件打印材料。首先開(kāi)展AlSi10Mg合金增材制造工藝參數(shù)對(duì)打印件力學(xué)性能和致密度影響的研究,打印樣件拉伸性能室溫試驗(yàn)方法按照GB228.1執(zhí)行,在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),微觀形貌利用Zeiss-Axiovert 200-AMT光學(xué)顯微鏡觀察。

粉末激光熔化過(guò)程中熔池的一個(gè)重要特點(diǎn)是高密度能量源輸入帶來(lái)的溫度梯度造成的金屬熔液劇烈流動(dòng)。能量密度表示單位體積金屬粉末吸收的激光能量,能量密度的大小與熔池內(nèi)部缺陷的形成密切相關(guān),其計(jì)算公式[27]如下:

式中,P為激光功率,W;v為激光掃描速度,mm/s;h為激光路徑間距,mm;t為鋪粉厚度,mm。

本研究利用航天增材科技(北京)有限公司ASM-260M打印機(jī)進(jìn)行打印,其最大成形尺寸為250 mm×250 mm×300 mm,最大激光功率為500 W,成形過(guò)程采用高純氬氣作為保護(hù)氣,成形過(guò)程中成形艙內(nèi)氧含量保持在0.08%以下。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,并結(jié)合粉末材料特性及粒度分布特性,選定3D打印的掃描速度為1300 mm/s,掃描間距為170 μm,旋轉(zhuǎn)角度為67°,鋪粉層厚為定量30 μm,通過(guò)調(diào)整激光功率來(lái)改變打印的能量密度,AlSi10Mg粉末成形工藝參數(shù)如表2所示。

表2 AlSi10Mg粉末成形工藝參數(shù)

對(duì)比研究以上6組工藝參數(shù),其3D打印件的微觀形貌如圖23所示。隨著激光能量的增大,孔洞逐漸減少(圖23a～圖23d)。激光功率主要影響了單個(gè)熔池(點(diǎn))的成形質(zhì)量,當(dāng)激光功率較低時(shí),金屬粉末可能無(wú)法完全熔化[28],導(dǎo)致熔池間出現(xiàn)較多孔洞,且主要分布在熔池交界處。隨著激光功率的升高,能量密度增大,熔池變得不穩(wěn)定,高到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生汽化,在汽化反沖壓力下熔池中熔體會(huì)脫離形成飛濺,且在汽化金屬和等離子體促進(jìn)下會(huì)形成匙孔[29]。激光功率越大飛濺越多,擾動(dòng)越大,孔洞越大且數(shù)量越多,如圖23e～圖23f所示。因此,通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究可知,只有在合適的激光功率(380 W)下,金屬粉末才能充分熔化并形成穩(wěn)定的熔池,SLM成形件中缺陷才會(huì)最少,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量制造。

(a)P=230 W (b)P=280 W

在以上研究不同激光功率下樣件的微觀形貌基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究不同激光功率制備的3D打印樣件的物理性能。不同激光功率下樣件的拉伸性能如圖24所示,通過(guò)分析圖24數(shù)據(jù)結(jié)果可知,激光功率從230 W增大到480 W時(shí)打印件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率先增大后減小。通過(guò)排水法測(cè)定不同激光功率下成形試樣的致密度(通過(guò)與理論密度(2.6943 g/cm3)比較得出其對(duì)應(yīng)的致密度),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖25所示。當(dāng)激光功率較小時(shí),試樣致密度處于較低的水平,最高不超過(guò)99%,當(dāng)激光功率較大時(shí),試樣致密度隨激光功率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。通過(guò)對(duì)比可知,當(dāng)激光功率為380 W時(shí),抗拉強(qiáng)度為461 MPa,屈服強(qiáng)度為272 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為12%,致密度為0.9932。綜合樣件的微觀形貌、力學(xué)性能、致密度等性能可知,激光功率380 W、掃描速度1300 mm/s、掃描間距170 μm、旋轉(zhuǎn)角度67°為較優(yōu)的打印工藝,因此,選定該工藝參數(shù)為制造連接支架拓?fù)鋬?yōu)化件的工藝參數(shù)。

圖24 不同激光功率3D打印樣件的力學(xué)性能Fig.24 Mechanics properties of 3D printed samples with different laser power

圖25 不同激光功率3D打印樣件致密度Fig.25 Density of 3D printed sample with different laser power

完成以上AlSi10Mg合金增材制造工藝研究后,接下來(lái)進(jìn)行汽車連接支架拓?fù)鋬?yōu)化件打印研究。首先完成空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化模型設(shè)計(jì),然后將模型導(dǎo)入到Materialise軟件,在軟件中完成空壓機(jī)拓?fù)浼[放,選取所需添加的面,添加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐,同時(shí)在基板上添加不同放置方法用于后期測(cè)試力學(xué)性能的隨爐樣件,采用隨爐試驗(yàn)件的拉伸力學(xué)性能間接反映3D打印零件產(chǎn)品性能,如圖26所示。接下來(lái)完成打印參數(shù)的設(shè)置,即鋪粉層厚30 μm、激光功率380 W、掃描速度1300 mm/s、掃描間距170 μm、旋轉(zhuǎn)角度67°,并進(jìn)行切片,最后導(dǎo)入到打印機(jī)內(nèi)完成汽車連接支架拓?fù)鋬?yōu)化件打印,得到圖27所示的打印完成的空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件和隨爐樣件。

圖26 處理后待打印模型Fig.26 Model to be printed after processing

圖27 拓?fù)鋬?yōu)化打印件和隨爐樣件Fig.27 Model to be printed after processing and sample parts with furnace

完成打印后將空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件和力學(xué)性能測(cè)試樣塊通過(guò)線切割從基板上切掉,并將空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件的支撐去掉,可得到最終汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件如圖28所示,稱其質(zhì)量為288.22 g,與原鑄件相比減重約43.8%。隨爐樣件的力學(xué)性能如表3所示,可知該樣件和相同工藝打印的空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件,抗拉強(qiáng)度Rm≥466 MPa,延伸率A≥7%,顯著優(yōu)于原鑄造支架的力學(xué)性能,且最終通過(guò)NVH實(shí)測(cè)空壓機(jī)支架一階共振頻率為255 Hz(高于220 Hz),如圖29所示。因此,該拓?fù)鋬?yōu)化件空壓機(jī)支架滿足所有性能目標(biāo)要求。

表3 隨爐樣件的力學(xué)性能

圖28 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件Fig.28 Topology optimization of automotive engine air compressor

圖29 拓?fù)鋬?yōu)化連接支架NVH測(cè)試結(jié)果Fig.29 NVH test results of topology optimization connection bracket

4 增材制造鋁合金件熱處理工藝研究

激光選區(qū)熔化成形AlSi10Mg過(guò)程中金屬粉末吸收激光的能量后熔化,由于周圍溫度低,過(guò)冷度大,是一種快速凝固的狀態(tài),因此,直接沉積態(tài)組織細(xì)小,納米級(jí)共晶Si顆粒彌散分布于α-Al基體中,材料強(qiáng)度、硬度較高,但塑性偏低,且工件往往存在殘余內(nèi)應(yīng)力較大、組織不均勻等問(wèn)題,這些問(wèn)題會(huì)影響零件的尺寸精度及力學(xué)性能,因此需要選擇合適的熱處理方法,控制成形過(guò)程產(chǎn)生的變形及減輕或消除殘余應(yīng)力的影響,使得合金性能穩(wěn)定滿足服役要求。

本文熱處理實(shí)驗(yàn)是在前期實(shí)驗(yàn)研究和文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上,開(kāi)展270～300 ℃不同溫度的熱處理方法研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制溫升速率為10±1 ℃/min,對(duì)相同工藝成形樣件分別加熱到設(shè)定的270 ℃、280 ℃、290 ℃、300 ℃溫度后保溫2 h,空冷。以上四組不同熱處理方法下樣件拉伸力學(xué)性能如圖30所示?？芍S著熱處理溫度的升高,斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),從9.5%提高到16.5%;抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于熱處理前沉積態(tài)樣件強(qiáng)度,且隨熱處理溫度從270 ℃升高到300 ℃,抗拉強(qiáng)度從397 MPa降到290 MPa,屈服強(qiáng)度從262 MPa降到184 MPa。

圖30 不同退火溫度下零件的拉伸力學(xué)性能Fig.30 Tensile mechanical properties of parts at different annealing temperatures

通過(guò)觀察不同溫度熱處理后3D打印件的微觀形貌可知,打印件縱向面微觀形貌呈魚(yú)鱗狀堆疊結(jié)構(gòu),如圖31所示。打印件橫向面微觀形貌呈網(wǎng)狀編織結(jié)構(gòu),如圖32所示。圖31、圖32中打印件的微觀形貌中白色的呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布的組織為共晶Si,灰色的被分割成一個(gè)個(gè)小島狀的相為α-Al基體[30]。這是因?yàn)镾LM成形過(guò)程中熔池凝固速度很快,在AlSi10Mg合金的液相中,α-Al優(yōu)先形核長(zhǎng)大,從而使得液相中的Si原子被排向固液界面的前沿,導(dǎo)致剩余液相中Si原子的濃度升高,溶液達(dá)到共晶成分,最后形成共晶體組織(α-Al+Si),分布于α-Al的晶界處,形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。這種連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以阻礙內(nèi)部位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),提高材料強(qiáng)度。

(a)t=270 ℃ (b)t=280 ℃

(a)t=270 ℃ (b)t=280 ℃

當(dāng)進(jìn)行270～300 ℃不同溫度熱處理后,可以看到熱處理后隨著溫度的升高,熔池界面的清晰程度逐漸降低,當(dāng)溫度為290 ℃時(shí),熔池邊界隱約可以看見(jiàn),當(dāng)溫度為300 ℃時(shí),邊界已經(jīng)模糊不清幾乎看不見(jiàn)。這是因?yàn)槿鄢剡吔缗c熔池內(nèi)部組織差異隨熱處理溫度的升高而變小,網(wǎng)絡(luò)狀的共晶Si發(fā)生收縮、裂化、粗化、溶解,溶解斷裂后的共晶Si呈顆粒狀和短條狀,彌散分布于鋁基體中[31],該種組織對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙作用較小,因此強(qiáng)度減小,延伸率增大。綜合以上270～300 ℃不同溫度的熱處理方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,優(yōu)選出加熱溫度280 ℃、溫升速率10±1 ℃/min、保溫時(shí)間2 h、空冷為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件的較優(yōu)熱處理方法,并對(duì)本文打印的鋁合金空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件進(jìn)行處理,最終完成高強(qiáng)度、高剛度及輕量化的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連接支架制造。

5 結(jié)論

(1)利用ANSYS Workbench的Topology Optimization模塊對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)連接支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,實(shí)現(xiàn)減重約43.8%,一階共振頻率提高約23%(提高到255 Hz),結(jié)構(gòu)力學(xué)性能顯著優(yōu)于原鑄件,達(dá)到了高強(qiáng)度、高剛度及輕量化的發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金零部件設(shè)計(jì)制造一體化目標(biāo)。

(2) AlSi10Mg合金增材制造過(guò)程中熔池能量密度大小是影響打印件力學(xué)性能和致密度的重要因素,能量密度過(guò)低,金屬粉末無(wú)法完全熔化,能量密度過(guò)高,熔池變得不穩(wěn)定甚至?xí)?都易出現(xiàn)孔洞。對(duì)此綜合評(píng)價(jià)能量密度對(duì)打印件力學(xué)性能、致密度、微觀形貌等影響規(guī)律,優(yōu)選出AlSi10Mg合金較優(yōu)的成形工藝為:激光功率380W、掃描速度1300 mm/s、掃描間距170 μm、旋轉(zhuǎn)角度67°。

(3) 打印成形AlSi10Mg樣件在270～300 ℃不同溫度熱處理后,隨溫度的升高,網(wǎng)絡(luò)狀的共晶Si發(fā)生收縮、裂化、粗化、溶解,彌散分布于鋁基體中對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙作用較小,因此,隨溫度的升高,斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸減小。綜合對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,最終優(yōu)選出加熱溫度280 ℃、溫升速率10±1 ℃/min、保溫時(shí)間2 h、空冷為本文汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化件的較優(yōu)熱處理方法。