對某鋁合金汽車轉向節(jié)的精密鑄造工藝進行設計與優(yōu)化研究，以得到合格的鋁合金汽車轉向節(jié)的精密鑄造工藝方案。方法 結合鋁合金轉向節(jié)鑄件的結構特征、鑄件材料特性和鑄造經(jīng)驗，在轉向節(jié)鑄件主體部和鵝頸部各開設一個內澆口，設計了鋁合金轉向節(jié)初始澆注方案；通過在初始工藝方案中鑄件缺陷較嚴重的區(qū)域設置補縮冒口、在鑄件頂部增設排氣道等措施給出了鋁合金汽車轉向節(jié)的優(yōu)化澆注方案，基于ProCAST軟件建立了鋁合金轉向節(jié)精密鑄造2種澆注方案的有限元模型，對鋁合金轉向節(jié)精密鑄造的充型過程、凝固過程及縮孔縮松特性進行了數(shù)值模擬與分析。結果 鋁合金轉向節(jié)鑄件初始澆注方案的充型過程相對穩(wěn)定流暢，鑄件在凝固過程中有孤立液相區(qū)的形成，完全凝固后鑄件中間部位存在大面積縮松縮孔缺陷；優(yōu)化澆注方案能夠控制金屬液的流動、充型順序及凝固特性，鑄件的整個凝固過程基本呈中間對稱分布，最后凝固區(qū)域位于補縮冒口內部，最大縮孔縮松率控制在2%以下。結論 優(yōu)化澆注方案的設計合理且有效，能夠有效地消除鋁合金轉向節(jié)鑄件的缺陷。
關鍵詞：鋁合金；轉向節(jié)；精密鑄造；鑄造缺陷；工藝設計；數(shù)值模擬
隨著全球環(huán)保要求的不斷提高，對車輛排放標準和燃油效率的要求也更為嚴格[1]。眾多研究表明，汽車燃油消耗量與其自重有關，汽車輕量化對降低燃油消耗量具有重要作用[2-5]。而研發(fā)和使用低密度、高強度、優(yōu)良性能的合金材料替代汽車原部件是實現(xiàn)輕量化的有效途徑之一[6]。相較于傳統(tǒng)材料，鋁合金因其卓越的比強度、小密度、優(yōu)良的可塑性/導熱性以及出色的抗腐蝕性而被廣泛應用于汽車工業(yè)[7-10]。汽車轉向節(jié)作為汽車轉向系統(tǒng)中的核心組件，承擔著維持汽車穩(wěn)定行駛和迅速傳遞行駛方向的重要任務。國內外眾多學者對鋁合金汽車轉向節(jié)成形工藝進行了相關研究，李智等[11]以A356鋁合金轉向節(jié)為研究對象，結合數(shù)值模擬與優(yōu)化算法對差壓鑄造的鑄件工藝參數(shù)進行了研究，采用智能算法求得最優(yōu)工藝組合參數(shù)。羅楊等[12]對鋁合金汽車轉向節(jié)重力鑄造工藝進行了優(yōu)化研究，采取設置合理的澆道、冒口以及使用保溫套等措施，使鑄件實現(xiàn)了順序凝固且鑄件內部基本無缺陷。羅繼相等[13]對鋁合金轉向節(jié)擠壓鑄造工藝進行了研究，對比分析了臥式和立式擠壓鑄造機的特點，結果表明，用臥式機生產(chǎn)轉向節(jié)需對鑄件厚大部位隨形冷卻，以消除縮孔、縮松缺陷，用立式機生產(chǎn)的轉向節(jié)更具優(yōu)勢，鑄件力學性能均一，但易形成夾渣和氣孔缺陷。Chen等[14]基于結構模擬和鑄造工藝模擬優(yōu)化設計，通過控制半固態(tài)壓鑄工藝的所有工序，得到了高性能鋁合金轉向節(jié)。Das等[15]對A356鋁合金流變壓力壓鑄工藝進行了研究，通過數(shù)值模擬確定了最佳澆注位置、溫度和條件，獲得了具有理想微觀結構和力學性能的鋁合金轉向節(jié)。眾多學者的研究主要集中在鋁合金轉向節(jié)的壓力鑄造和砂型鑄造的鑄造工藝設計及優(yōu)化，但對鋁合金轉向節(jié)精密鑄造成形工藝還鮮有研究?；诖耍疚囊阅承推囦X合金轉向節(jié)為研究對象，對其鋁合金轉向節(jié)精密鑄造工藝進行研究和探索，以期為汽車鋁合金轉向節(jié)精密鑄造工藝及輕量化設計提供參考。
01
鑄造工藝性分析及初始方案設計
1.1 鑄造工藝性
汽車轉向節(jié)鑄件的三維模型如圖1a所示，基本輪廓尺寸為600 mm×275 mm×163 mm，主要由鵝頸部和主體部兩部分構成，集中了軸、套、叉架等各類結構特點。主體部包含擺臂、連接桿等關鍵部件，其表面存在眾多大小不一的精密孔洞，結構較復雜，各部分截面積變化幅度較大。鵝頸部是轉向節(jié)的連接部分，用于連接轉向桿和車輪，并負責傳遞駕駛員輸入的轉向力，故該部分較厚大，結構簡單，但其橫截面積較大。轉向節(jié)鑄件厚度如圖1b所示，鑄件最厚處位于鵝頸部和主體部銜接處，厚度約為29 mm，總體上轉向節(jié)鑄件整體結構復雜且不勻稱，屬于大型復雜結構鑄件，在工藝設計時應全面考慮縮松縮孔等缺陷的形成概率及后處理內澆道的難易程度。
汽車轉向節(jié)材料為A356鋁合金，該鋁合金具有優(yōu)良的液態(tài)流動性，密度為2 680 kg/m3，固相線溫度為561 ℃，液相線溫度為616 ℃，在鑄造復雜幾何形狀的鑄件時具有出色的充型效果，且凝固收縮率較小，能有效避免鑄造件在凝固過程中產(chǎn)生缺陷[16-17]。
圖1 鑄件三維模型及厚度分析
Fig.1 Three-dimensional model and thickness analysis of castings: a) three-dimensional model of castings; b) thickness of castings
1.2 初始澆注方案設計
由于汽車轉向節(jié)鑄件主體部的盲孔、通孔數(shù)量較多，在充型過程中金屬液流動阻力較大，且該部分壁厚差異大、截面突變多，因此極易在鑄件內部形成縮孔、夾雜、裂紋、澆不足等缺陷[18]。同時，考慮到金屬液流經(jīng)鑄件鵝頸部的流動路徑較長，表面層鑄液與型殼存在較長時間熱交換，從而導致接觸部分金屬液溫度下降較內層更快，易形成表面氧化膜、夾雜、冷隔等缺陷[19]。
根據(jù)高強度鑄造鋁合金A356特性，結合汽車轉向節(jié)鑄件結構特點和鑄造經(jīng)驗，得到鋁合金轉向節(jié)鑄件初始澆注方案如圖2a所示。初始澆注系統(tǒng)采用頂注式設計，結構簡單，充型能力強，理論上可以降低鑄造缺陷的發(fā)生概率，且在鵝頸部和主體部各開設一個內澆道，可減少鑄件冷隔、澆不到等缺陷，保證充型后鑄件上半部分溫度高于下半部分溫度，也利于鑄件整體實現(xiàn)自下而上的凝固順序，易于后處理切割清理內澆道。將帶有澆注系統(tǒng)的鑄件模型導入ProCAST軟件中，對其進行網(wǎng)格劃分，mesh值取5 mm，自動生成有限元網(wǎng)格，共生成面網(wǎng)格總數(shù)為43 850，體網(wǎng)格總數(shù)為217 473，初始工藝澆注系統(tǒng)有限元模型如圖2b所示。
02
初始方案數(shù)值模擬與結果分析
2.1 數(shù)值模擬參數(shù)設置
采用ProCAST軟件對鑄件進行數(shù)值模擬，對鑄造相關工藝參數(shù)做以下設置：鋁合金澆注溫度通常要高于液相線溫度100 ℃左右，故本文澆注溫度取700 ℃，型殼預熱溫度設置為400 ℃，整個澆注時間控制在5 s左右[20]。型殼與澆注系統(tǒng)、型殼與鑄件之間的熱交換系數(shù)為900 W/(m2·K)[21]。采用自然冷卻方式，型殼與空氣熱交換系數(shù)設置為10 W/(m2·K)，環(huán)境溫度默認為20 ℃。
2.2 模擬結果與分析
2.2.1 充型過程
初始澆注方案充型過程如圖3所示。觀察到在充型初期，金屬液分別從2個內澆道同時進入型腔，充型速度較低且均勻，當充型率為50%時，型腔內金屬液流速最高可達0.93 m/s，沒有產(chǎn)生明顯飛濺現(xiàn)象。在充型中后期，鵝頸部由外端向內部逐漸填充完畢，存在輕微卷氣現(xiàn)象。整個充型過程相對穩(wěn)定流暢，金屬液溫度高于其液相線溫度，沒有出現(xiàn)冷隔、澆不足現(xiàn)象，能夠順利完成充型。
圖2 鑄件初始澆注方案及有限元模型
Fig.2 Initial pouring scheme and finite element model of castings: a) initial pouring scheme; b) finite element model
圖3 充型過程模擬
Fig.3 Filling process simulation: a) filling 30 %; b) filling 50 %; c) filling 90 %
轉向節(jié)鑄件各部分充型完成時間如圖4所示?？芍?，鑄件各區(qū)域液面上升高度不一致，鵝頸部充型用時最短，而主體部充型較為緩慢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于鑄件主體部體積較大且形狀復雜，而鵝頸部體積相對較小且結構簡單，充型速度快。同時，考慮到金屬液從右側內澆道流入撞擊型腔底面，向兩側分流，最終導致部分金屬液優(yōu)先涌入鵝頸部頂端，因此靠近鵝頸部頂端區(qū)域最先完成充型。
圖4 鑄件各部分充型完成時間
Fig.4 Filling time of each casting part
2.2.2 凝固過程
轉向節(jié)鑄件凝固過程如圖5所示。由圖5a可知，凝固過程總耗時為2 057.5 s，在凝固初期，鵝頸部頂端、主體部凸出區(qū)域最先開始凝固，鵝頸部和主體部整體均呈現(xiàn)由外向內的順序凝固，直到兩側凝固至內澆道附近時，澆注系統(tǒng)并未開始凝固，這種凝固順序有利于鑄件兩內澆口以外部分的凝固成形，而鑄件處于兩內澆口間的部分均在澆注系統(tǒng)凝固后才凝固，這部分因喪失澆注系統(tǒng)的補縮作用而易形成孤立液相區(qū)。最后凝固區(qū)域在兩部分銜接處，如圖5b所示，該位置大概率會形成縮松縮孔缺陷。
2.2.3 缺陷預測
在鑄件凝固過程中，鑄件表面首先凝固，形成表面硬殼。隨著凝固過程的進行，內澆口關閉，此時鑄殼的固體收縮小于鑄殼內熔融金屬的收縮，凝固收縮沒有外部金屬液體的補充，故鑄件的表面層與內部液態(tài)金屬之間形成了一定程度的真空，最終形成縮松縮孔缺陷[22-23]。根據(jù)Porosity判據(jù)可判斷鑄件縮松縮孔缺陷出現(xiàn)的位置和概率[24]。鑄件內部縮松縮孔預測分布如圖6所示，轉向節(jié)鑄件鵝頸部和主體部銜接處存在大面積縮松縮孔缺陷，這與上文凝固過程的分析結果具有一致性，另一處缺陷位于橫澆道上，而橫澆道在后處理中被去除，不影響鑄件成形質量。
圖5 鑄件凝固過程模擬
Fig.5 Simulation of solidification process of castings: a) solidification time of each casting part; b) final solidification zone
圖6 鑄件缺陷預測
Fig.6 Casting defect prediction
03
優(yōu)化方案數(shù)值模擬與結果分析
3.1 優(yōu)化澆注方案設計
澆注系統(tǒng)的設計質量與鑄件的成形質量密切相關[25]。通過對初始澆注方案進行分析，發(fā)現(xiàn)鑄件產(chǎn)生縮孔的主要原因是鵝頸部和主體部銜接處距離內澆口較遠，且內澆道先于該處凝固，澆注系統(tǒng)無法及時進行補縮。結合上述分析，對鑄件初始工藝方案進行合理優(yōu)化，在初始工藝方案鑄件缺陷較嚴重的區(qū)域設置補縮冒口，以提高澆注系統(tǒng)的補縮性能。為達到順序凝固的效果，所設計冒口尺寸為83 mm×70 mm× 80 mm，其中冒口頸尺寸為40 mm×20 mm×8 mm。同時，在鑄件最頂部增加2條直徑為10 mm排氣道，以降低充型阻力，保證鑄件充型質量，優(yōu)化澆注方案如圖7所示。
圖7 優(yōu)化澆注方案設計
Fig.7 Optimized pouring scheme design
3.2 模擬結果與分析
在初始工藝參數(shù)和邊界條件不變的情況下，將優(yōu)化后的模型導入ProCAST中求解，充型過程如圖8所示。從充型過程中可以看到，鑄件各區(qū)域液面上升高度基本一致，金屬液流動相對平穩(wěn)，有利于成形表面質量良好的鑄件，見圖8a。鑄件的裹氣情況如圖8b所示，其中深色區(qū)域表示氣體，可見在鑄件內無氣體存在，表明鑄件型腔內部沒有產(chǎn)生裹氣，說明此工藝的排氣良好。鑄件的夾渣情況見圖8c，在充型過程中，隨著金屬液流入型腔，夾渣浮在金屬液上方，在充型末期夾渣被金屬液帶到冒口和排氣棒內，避免鑄件內部或表面存在夾渣缺陷。
優(yōu)化澆注方案凝固過程如圖9所示。由圖9a可知，鑄件在整個凝固過程中由兩端向中部連接處依次凝固，呈現(xiàn)對稱性，內澆道和鑄件相連接部分幾乎同時凝固，而補縮冒口最后凝固，說明補縮冒口和內澆道可發(fā)揮一定的補縮效果。由圖9b可見，鑄件整體凝固后，補縮冒口還未完全凝固，這種凝固順序利于發(fā)揮冒口的補縮作用。
對優(yōu)化澆注方案的縮孔縮松情況進行預測，圖10a為致密度98%時鑄件的總縮孔率，從模擬結果可以看出，鑄件內部不存在縮松縮孔缺陷，缺陷都集中在補縮冒口內部。圖10b為鑄件在x-y方向的切面圖，可見無缺陷位于補縮冒口中心部分，表明該區(qū)域金屬液延遲到最后凝固，保證了鑄件原本缺陷位置的凝固收縮有足夠的金屬液進行補縮而無缺陷。
圖8 優(yōu)化澆注方案充型過程
Fig.8 Filling process of optimized pouring scheme: a) the filling completion time of each part; b) prediction of gas entrapment; c) prediction of slag inclusion
圖9 優(yōu)化澆注方案凝固過程
Fig.9 Solidification process of optimized pouring scheme: a) solidification time of each casting part; b) final solidification zone
圖10 優(yōu)化澆注方案鑄件缺陷預測
Fig.10 Casting defect prediction of optimized pouring scheme: a) shrinkage porosity of castings; b) x-y section diagram
04
結論
結合鋁合金轉向節(jié)鑄件的結構特征、鑄件材料特性和鑄造經(jīng)驗，合理設計補縮冒口、開設內澆道，可有效降低缺陷形成概率。通過在初始工藝方案中鑄件縮松縮孔較嚴重的區(qū)域增加補縮冒口等措施，設計了優(yōu)化澆注方案，模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化澆注方案的鋁合金轉向節(jié)鑄件在整個凝固過程中呈現(xiàn)由鑄件兩端向中間逐層凝固的趨勢，缺陷主要形成于澆注系統(tǒng)和冒口部位，轉向節(jié)鑄件的縮孔縮松率控制在2%以下，滿足鋁合金轉向節(jié)精密鑄造的實際生產(chǎn)要求。
