关于汽车转向节的铸造问题

关于汽车转向节的铸造问题
设计的背景：汽车转向节是连接汽车方向盘与前轮轮轴的部件，并与减震器相连。

它主要有三部分功能：1与前轮轴相连接，承担轴传来的力和力矩，2汽车转向的转动部件，3吸收汽车行进过程中的震荡。

它是汽车中应力最为集中、最为复杂的零件，直接关系到汽车的安全性能，因此它的设计标准十分严格，制造过程和产品测试都要求符合规范。

目前转向节是由球墨铸铁为主要原料铸造而成，并加入碳、硅等元素，在微观结构上在铁原子之间形成碳或硅小颗粒以加强合金钢的延展性（韧性），宏观上提高零件的抗拉强度和疲劳强度。

而且碳、硅元素的含量要求适当，过多会使合金变脆而导致强度下降。

确定待设计系统的主要功能： 2001年大众汽车（墨西哥）公司引进一套转向节铸造生产线，主要步骤是在感应电炉中在1400℃高温下熔化铸铁，以镁作催化剂混合适量沙粒（硅）产生反应形成熔液浇注入砂型中，冷却后打破砂型对铸件进行检测，进一步机械加工最终成品。

生产线将型砂经传送带回收处理循环利用，熔渣与不合格铸件同样用升降机回收作为原料再次放入电炉。

生产初期，应用此生产线使生产效率得以大幅提高，但同时也产生了铸件废品率（主要为缩型）也大幅提高的问题，经研究发现是由于熔液中沙粒含量超标（使熔液流动性差）造成的。

导致生产成本升高以及效率下降。

有何经济效益和社会效益：应用TRIZ理论对问题进行分析和创新后，在对生产线稍加改造后，问题得以有效解决，产品不合格率由大于10%降到低
于3%，同时不增加任何额外投入，在生产成本不变的情况下，简化了生产线，缩短了生产周期。

第一步：设计的最终目的：汽车转向节是连接汽车方向盘与前轮轮轴的部件，并与减震器相连。

它主要有三部分功能：1与前轮轴相连接，承担轴传来的力和力矩，2汽车转向的转动部件，3吸收汽车行进过程中的震荡。

能够更好的对汽车进行减震，转向节处的铸造运用更好的材料加强其转向节的强度。

第二步：理想解是什么：转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。

在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。

能够减少生产浪费，提高生产效率，从转向节的改变从而提高汽车的整体质量，提高汽车承受多变冲击载荷的能力。

第三步：达到理想解得障碍是什么:转向节通过三个衬套和两个螺栓与车身相连，并通过法兰盘的制动器安装孔与制动系统相连。

在车辆高速行驶时，路面通过轮胎传递到转向节上的振动，是我们分析时
考虑的主要因素。

计算时利用已有的整车模型，对整车施加4G的重力加速度，算出转向节三个衬套中心点和两个螺栓安装孔中心点的支反力作为施加载荷，并约束法兰盘连接制动系统端面上所有结点的123456自由度。

要限制好自由度以及螺栓与车身相连的契合度，这些都需要慢慢平衡。

第四步：它为什么成为障碍：从机加工艺来讲，转向节分为杆部、法兰盘和叉部等3个部分加工。

（1）杆部加工以中心孔定位，车和磨为主，加工关键是磨削。

（2）法兰盘加工主要是制动器安装孔的加工，要保证其位置度，同时要兼顾加工效率。

并且，利用其中1孔作为加工叉部定位用。

（3）叉部加工是转向节加工的难点，采用两销一面定位，其加工主要是保证主销孔的同轴度，以及主销孔与内端面的垂直度，是整个加工工艺的投资重点和设备选型的关键。

大部分转向节在此部位还有横拉杆装配用的锥孔，这更增加了叉部加工难度，锥孔加工是许多厂家难以100%合格的项目，应予重视，否则，转向节的早期失效就从这里开始。

第五步：如何使障碍消失：杆部的强化处理以提高转向节的疲劳寿命，对大多数类型的转向节都有这方面的技术要求，一般为滚压和中频淬火，以在表面形成残余压应力，提高产品疲劳强度。

国内加工对滚压要求不高，难点在中频淬火，主要是感应器的设计和制造，不过，在这方面国内有专业厂家给与解决。

主销孔压装衬套后的加工，有的压装后不要求加工，有的压装后要求
加工。

从装配角度讲，压装后加工更有利于装配，否则影响转向的灵活性。

第六步:什么资源可以帮助你：研究发现，过量沙粒是由于回收熔渣和废件过程中，混入了大量的沙粒（来自打破的砂型），再利用时，这些附着在表面的沙粒溶入了铸液中。

如果在熔渣、不合格铸件的回收过程中去除沙粒，不使其进入再次生产，就可以避开熔液的升高温度问题。

第七步：在其他领域或其他工具可以解决这个问题么：铸铁件经常会发生各种不同的铸造缺陷，如何防止这些缺陷发生，一直是铸件生产厂关注的问题。

砂眼、渣孔
特征：缺陷处内部或表面充塞着型（芯）砂的小孔，称为砂眼。

若缺陷形状呈不规则，内部是渣或夹杂物，则称为渣孔。

1.砂眼防止措施：
（1）提高型（芯）砂的强度及砂型紧实度，减少砂芯的毛刺和砂型的锐角，防止冲砂。

（2）合型前要吹干净型腔和砂芯表面的浮砂，合型后要尽快浇注。

使用冷芯砂时，尽可能分散进铁液，避免冲刷造成砂眼。

（3）防止砂芯烘枯及存放时间过长。

（4）合理设计浇注系统，避免铁液对型壁冲刷力太大；浇口杯表面要光滑，不能有浮砂。

2.渣孔防止措施：
（1）提高铁液过热温度，球铁、蠕铁、合金铸铁应该增加扒渣次数，温度允许的情况下，浇注前静止一段时间，以利于熔渣上浮。

（2）防止铁液氧化，严格控制球化剂，孕育剂的加入量（特别是随流孕育的量），球铁采用随流孕育一定要慎重。

（3）合理设计浇注系统，放置滤网片提高档渣能力，浇注包上最好安置挡渣系统，浇注时保持不断流。

（4）球铁铸件在浇注以及铁液在型腔内流动过程中，由于铁液氧化，或者铁液所含各种元素与铸型、砂芯材料反应产生的渣，通常称之为“二次渣”（以区别于浇注前已存在的“一次渣”），这种渣形成的夹渣缺陷往往只能在断口上发现，成品铸件加工面上往往要经磁粉探伤才能发现。

这种夹杂物主要是由氧化物（MgO、SiO2、Feo…）和硫化物（MgS、FeS、MnS…）及其它的夹杂物组成的。

3.“二次渣”的防止措施：
①严格控制铁液的残余镁量（一般质量分数控制在0.035%～0.055%，壁薄宜控制在下限，壁厚可控制在上限）。

②降低原铁液含硫量，有条件的要采取脱硫处理，并提高处理温度与浇注温度。

脱硫处理可以大幅度降低原铁液含硫量，能有效地减少“二次渣”。

③适当提高球化剂的稀土含量，降低镁含量，有利于降低铁液结皮温度，减少“二次渣”。

四：矛盾定义及确定创新原理
1，对技术系统中的问题进行描述：使用生产线后，整个铸造过程的操作性提高了，但相应的也产生了铸件废品率增加了。

研究
发现，问题的产生是由于感应电炉中的熔液的沙粒含量超标，
导致熔液流动性差造成的。

若提高熔液温度，可以是问题好转，但会给设备和人员带来危害。

由此产生的技术矛盾为：为提高
熔液的适应性和由此带来的温度提高之间的矛盾。

2，分析此问题是技术矛盾还是物理矛盾：一、提取技术矛盾：想要提高的技术特性是铸造的操作性，而随之带来的问题是回
收物的量增大了。

二、技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性： 33 Ease of operation 操作性
不利特性： 1 Weight of moving object 运动物体质量三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
由第33行第1列得到创新原理25、2、13、15。

四、分析得到的创新原理，找到适用于本问题的解决方案,
在解决本问题过程中，应用原理25 13 15
五：根据创新原理给出可能的几种解决方案：
1 分析沙质含量超标问题
一、将具体生产中待解决问题的技术矛盾提取出来
由于问题的关键是熔液中沙质含量过高，使熔液的流动性变差，浇铸时容易产生缩型，废件率升高。

在这种情况下，若要使熔液的流动性
合乎标准，就要再升高熔液的温度，但是，升高温度对设备和人员都会造成损伤，显然这对于生产是很不利的。

因此，想要提高的技术特性是熔液的适应性，而由此带来的问题是温度会升高。

二、将技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性：35 Adaptability适应性
不利特性：17 Temperature温度
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
对应第35行第17列得到四个创新原理：2、27、3、35。

四、据提供的创新原理分析问题，找到解决方案，在解决本问题过程中，应用原理3。

原理3 Local quality 部分改变
A 将物体的均一构成或外部环境及作用改为不均一；
B 让物体的不同部分各具不同功能；
C 让物体的各部分处于各自动作的最佳状态。

分析：根据这个原理想到：如果能改变有害物（沙粒）的位置，不让过量的沙粒进入熔炉应该是最好的解决办法。

研究发现，过量沙粒是由于回收熔渣和废件过程中，混入了大量的沙粒（来自打破的砂型），再利用时，这些附着在表面的沙粒溶入了铸液中。

如果在熔渣、不合格铸件的回收过程中去除沙粒，不使其进入再次生产，就可以避开熔液的升高温度问题。

实际该公司也是基于此方法解决问题的。

而由此又引出另外的新问题：由于回收物夹带的沙粒分两类，粘附性和非粘附性，应分别考虑予以解决。

2、分析非粘附性沙粒消除问题
分析生产线产生的问题可以发现，未使用此生产线时，对于废件不直接回收放入电炉，没有沙粒含量超标的问题；使用生产线之后，废件随传送带回收不经处理直接再利用，就出现了这样的问题。

生产线的使用使生产过程的操作性提高了，但带来的问题是铸件不合格率提高了。

（回收物的数量增加了。

）
一、提取技术矛盾：
想要提高的技术特性是铸造的操作性，而随之带来的问题是回收物的量增大了。

二、技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性： 33 Ease of operation 操作性
不利特性： 1 Weight of moving object 运动物体质量
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
由第33行第1列得到创新原理25、2、13、15。

六：确定最理想的解决方案分析得到的创新原理，找到适用于本问题的解决方案, 在解决本问题过程中，应用原理25 13 15 原理25 自助机能
A 让物体具有自补充、自恢复功能
B 灵活运用剩余的材料及能量
分析：本原理启发使用生产线本身产生的能量作为除沙装置的动力来源。

在升降机上增加吸尘装置，使升降机具备除砂功能，同时将熔液散发的热能转化为电能，为升降机和洗尘装置提供能源。

原理13 “The other way round” 逆问题
A 用相反的动作代替要求指定的动作
B 让物体可动部分不动，不动部分可动
分析：根据原理提示，可以将“把沙粒从原料中去除”的思路改为“把原料从沙粒中去除”，将回收过程改为：升降机卸载时先将沙粒与回收物分离，再将已去除沙粒的原料卸下，而沙粒被留在升降机里继续传送。

可以通过在回收物上先盖一个带有大量小孔的筛形盖子，筛掉沙粒后，小孔可以自动封闭，翻转回收装置，回收物落下而沙粒被保留在筛子中间。

原理15 动态性
A 将物体分割成既可变化又可相互配合的数个构成要素
分析：承接上个原理应用双层装置，第一层是带有大量小孔的筛形面，第二层为一般平面，形成类似箱体结构；并加上一个滑动装置，在沙粒排除后，滑片滑动挡住小孔，再次翻转卸载原料时，沙粒被保留在两层之间并被吸尘装置吸收。

（如图）
3 分析粘附性砂质去除问题
分析发现，在铸铁熔化时，操作人员在感应电炉里还加入了催化剂（镁），它在浇铸时紧贴砂型析出，用途是使铸件表面光洁度高，
便于深加工。

但也使一些沙粒粘附在铸件表面造成废件，原因是沙粒与催化剂（镁）之间有较强的粘附力。

一、提取技术矛盾：
想要提高的技术特性是铸件表面的光洁度，而带来的问题是增加了沙粒与铸件之间力的强度。

二、技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性： 18 Brightness 亮度
不利特性： 14 Strength 强度
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
由第18行第14列得到创新原理35、19
四、分析得到的创新原理，找到适用于本问题的解决方案 , 在解决本问题过程中，应用原理35 19
原理35 物体的物理状态或化学状态的变化
A 改变物体的物理状态
B 改变物体的凝聚度
分析：通过将铸件浸入适当浓度的酸性或碱性溶液，使粘附于铸件上的沙粒脱落。

这项工作安排在分离铸件时同时进行，从而不必花费过多的时间。

原理19 周期性动作
A 将连续动作改为周期性动作
B 已是周期性的动作，改变其频率
分析：作为辅助上一过程的工作，经清洗液处理过的回收物通过震荡脱落，这一工作在输送过程中进行。

同非粘附性沙粒一同被排除。

：
技术报告
技术报告总结：通过以上分析，整个改进可以表述为在铸件分离时将其浸入适当浓度（不损伤铸件）的酸性溶液中，使所有粘附性沙粒脱落。

然后回收物通过一个升降机输送过程中利用双层筛形装置通过翻转使沙粒落入装置两层之间，分别处理原料和沙粒。

为防止经过这一过程后仍不能完全去除所有沙粒，实际应用中又在装料斗上装置了筛沙层（部分位置打孔如图），确保了改进效果。