對(duì)某鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的精密鑄造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，以得到合格的鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的精密鑄造工藝方案。方法 結(jié)合鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的結(jié)構(gòu)特征、鑄件材料特性和鑄造經(jīng)驗(yàn)，在轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件主體部和鵝頸部各開(kāi)設(shè)一個(gè)內(nèi)澆口，設(shè)計(jì)了鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)初始澆注方案；通過(guò)在初始工藝方案中鑄件缺陷較嚴(yán)重的區(qū)域設(shè)置補(bǔ)縮冒口、在鑄件頂部增設(shè)排氣道等措施給出了鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化澆注方案，基于ProCAST軟件建立了鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造2種澆注方案的有限元模型，對(duì)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造的充型過(guò)程、凝固過(guò)程及縮孔縮松特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。結(jié)果 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件初始澆注方案的充型過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定流暢，鑄件在凝固過(guò)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(dòng)、充型順序及凝固特性，鑄件的整個(gè)凝固過(guò)程基本呈中間對(duì)稱分布，最后凝固區(qū)域位于補(bǔ)縮冒口內(nèi)部，最大縮孔縮松率控制在2%以下。結(jié)論 優(yōu)化澆注方案的設(shè)計(jì)合理且有效，能夠有效地消除鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的缺陷。
關(guān)鍵詞：鋁合金；轉(zhuǎn)向節(jié)；精密鑄造；鑄造缺陷；工藝設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬
隨著全球環(huán)保要求的不斷提高，對(duì)車輛排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油效率的要求也更為嚴(yán)格[1]。眾多研究表明，汽車燃油消耗量與其自重有關(guān)，汽車輕量化對(duì)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(qiáng)度、優(yōu)良性能的合金材料替代汽車原部件是實(shí)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(qiáng)度、小密度、優(yōu)良的可塑性/導(dǎo)熱性以及出色的抗腐蝕性而被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)[7-10]。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心組件，承擔(dān)著維持汽車穩(wěn)定行駛和迅速傳遞行駛方向的重要任務(wù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成形工藝進(jìn)行了相關(guān)研究，李智等[11]以A356鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬與優(yōu)化算法對(duì)差壓鑄造的鑄件工藝參數(shù)進(jìn)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(duì)鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)重力鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，采取設(shè)置合理的澆道、冒口以及使用保溫套等措施，使鑄件實(shí)現(xiàn)了順序凝固且鑄件內(nèi)部基本無(wú)缺陷。羅繼相等[13]對(duì)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造工藝進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了臥式和立式擠壓鑄造機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)果表明，用臥式機(jī)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)需對(duì)鑄件厚大部位隨形冷卻，以消除縮孔、縮松缺陷，用立式機(jī)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)更具優(yōu)勢(shì)，鑄件力學(xué)性能均一，但易形成夾渣和氣孔缺陷。Chen等[14]基于結(jié)構(gòu)模擬和鑄造工藝模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)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(zhuǎn)向節(jié)。Das等[15]對(duì)A356鋁合金流變壓力壓鑄工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)。眾多學(xué)者的研究主要集中在鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的壓力鑄造和砂型鑄造的鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化，但對(duì)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造成形工藝還鮮有研究?；诖?，本文以某型汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)其鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造工藝進(jìn)行研究和探索，以期為汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造工藝及輕量化設(shè)計(jì)提供參考。
01
鑄造工藝性分析及初始方案設(shè)計(jì)
1.1 鑄造工藝性
汽車轉(zhuǎn)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?jī)刹糠謽?gòu)成，集中了軸、套、叉架等各類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。主體部包含擺臂、連接桿等關(guān)鍵部件，其表面存在眾多大小不一的精密孔洞，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各部分截面積變化幅度較大。鵝頸部是轉(zhuǎn)向節(jié)的連接部分，用于連接轉(zhuǎn)向桿和車輪，并負(fù)責(zé)傳遞駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向力，故該部分較厚大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其橫截面積較大。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)鑄件整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不勻稱，屬于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮縮松縮孔等缺陷的形成概率及后處理內(nèi)澆道的難易程度。
汽車轉(zhuǎn)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(dòng)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(fù)雜幾何形狀的鑄件時(shí)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(guò)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(shè)計(jì)
由于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件主體部的盲孔、通孔數(shù)量較多，在充型過(guò)程中金屬液流動(dòng)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(nèi)部形成縮孔、夾雜、裂紋、澆不足等缺陷[18]。同時(shí)，考慮到金屬液流經(jīng)鑄件鵝頸部的流動(dòng)路徑較長(zhǎng)，表面層鑄液與型殼存在較長(zhǎng)時(shí)間熱交換，從而導(dǎo)致接觸部分金屬液溫度下降較內(nèi)層更快，易形成表面氧化膜、夾雜、冷隔等缺陷[19]。
根據(jù)高強(qiáng)度鑄造鋁合金A356特性，結(jié)合汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄造經(jīng)驗(yàn)，得到鋁合金轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充型能力強(qiáng)，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(kāi)設(shè)一個(gè)內(nèi)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(shí)現(xiàn)自下而上的凝固順序，易于后處理切割清理內(nèi)澆道。將帶有澆注系統(tǒng)的鑄件模型導(dǎo)入ProCAST軟件中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，mesh值取5 mm，自動(dòng)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(jié)果分析
2.1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置
采用ProCAST軟件對(duì)鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)鑄造相關(guān)工藝參數(shù)做以下設(shè)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(yù)熱溫度設(shè)置為400 ℃，整個(gè)澆注時(shí)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(shè)置為10 W/(m2·K)，環(huán)境溫度默認(rèn)為20 ℃。
2.2 模擬結(jié)果與分析
2.2.1 充型過(guò)程
初始澆注方案充型過(guò)程如圖3所示。觀察到在充型初期，金屬液分別從2個(gè)內(nèi)澆道同時(shí)進(jìn)入型腔，充型速度較低且均勻，當(dāng)充型率為50%時(shí)，型腔內(nèi)金屬液流速最高可達(dá)0.93 m/s，沒(méi)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(nèi)部逐漸填充完畢，存在輕微卷氣現(xiàn)象。整個(gè)充型過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定流暢，金屬液溫度高于其液相線溫度，沒(méi)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(guò)程模擬
Fig.3 Filling process simulation: a) filling 30 %; b) filling 50 %; c) filling 90 %
轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件各部分充型完成時(shí)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(shí)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(fù)雜，而鵝頸部體積相對(duì)較小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充型速度快。同時(shí)，考慮到金屬液從右側(cè)內(nèi)澆道流入撞擊型腔底面，向兩側(cè)分流，最終導(dǎo)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(shí)間
Fig.4 Filling time of each casting part
2.2.2 凝固過(guò)程
轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件凝固過(guò)程如圖5所示。由圖5a可知，凝固過(guò)程總耗時(shí)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(kāi)始凝固，鵝頸部和主體部整體均呈現(xiàn)由外向內(nèi)的順序凝固，直到兩側(cè)凝固至內(nèi)澆道附近時(shí)，澆注系統(tǒng)并未開(kāi)始凝固，這種凝固順序有利于鑄件兩內(nèi)澆口以外部分的凝固成形，而鑄件處于兩內(nèi)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(bǔ)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(huì)形成縮松縮孔缺陷。
2.2.3 缺陷預(yù)測(cè)
在鑄件凝固過(guò)程中，鑄件表面首先凝固，形成表面硬殼。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，內(nèi)澆口關(guān)閉，此時(shí)鑄殼的固體收縮小于鑄殼內(nèi)熔融金屬的收縮，凝固收縮沒(méi)有外部金屬液體的補(bǔ)充，故鑄件的表面層與內(nèi)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(nèi)部縮松縮孔預(yù)測(cè)分布如圖6所示，轉(zhuǎn)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(guò)程的分析結(jié)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(zhì)量。
圖5 鑄件凝固過(guò)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(yù)測(cè)
Fig.6 Casting defect prediction
03
優(yōu)化方案數(shù)值模擬與結(jié)果分析
3.1 優(yōu)化澆注方案設(shè)計(jì)
澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量與鑄件的成形質(zhì)量密切相關(guān)[25]。通過(guò)對(duì)初始澆注方案進(jìn)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(nèi)澆口較遠(yuǎn)，且內(nèi)澆道先于該處凝固，澆注系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)縮。結(jié)合上述分析，對(duì)鑄件初始工藝方案進(jìn)行合理優(yōu)化，在初始工藝方案鑄件缺陷較嚴(yán)重的區(qū)域設(shè)置補(bǔ)縮冒口，以提高澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮性能。為達(dá)到順序凝固的效果，所設(shè)計(jì)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(shí)，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(zhì)量，優(yōu)化澆注方案如圖7所示。
圖7 優(yōu)化澆注方案設(shè)計(jì)
Fig.7 Optimized pouring scheme design
3.2 模擬結(jié)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(dǎo)入ProCAST中求解，充型過(guò)程如圖8所示。從充型過(guò)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(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，有利于成形表面質(zhì)量良好的鑄件，見(jiàn)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(jiàn)在鑄件內(nèi)無(wú)氣體存在，表明鑄件型腔內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生裹氣，說(shuō)明此工藝的排氣良好。鑄件的夾渣情況見(jiàn)圖8c，在充型過(guò)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(nèi)，避免鑄件內(nèi)部或表面存在夾渣缺陷。
優(yōu)化澆注方案凝固過(guò)程如圖9所示。由圖9a可知，鑄件在整個(gè)凝固過(guò)程中由兩端向中部連接處依次凝固，呈現(xiàn)對(duì)稱性，內(nèi)澆道和鑄件相連接部分幾乎同時(shí)凝固，而補(bǔ)縮冒口最后凝固，說(shuō)明補(bǔ)縮冒口和內(nèi)澆道可發(fā)揮一定的補(bǔ)縮效果。由圖9b可見(jiàn)，鑄件整體凝固后，補(bǔ)縮冒口還未完全凝固，這種凝固順序利于發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。
對(duì)優(yōu)化澆注方案的縮孔縮松情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，圖10a為致密度98%時(shí)鑄件的總縮孔率，從模擬結(jié)果可以看出，鑄件內(nèi)部不存在縮松縮孔缺陷，缺陷都集中在補(bǔ)縮冒口內(nèi)部。圖10b為鑄件在x-y方向的切面圖，可見(jiàn)無(wú)缺陷位于補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)縮而無(wú)缺陷。
圖8 優(yōu)化澆注方案充型過(guò)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(guò)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(yù)測(cè)
Fig.10 Casting defect prediction of optimized pouring scheme: a) shrinkage porosity of castings; b) x-y section diagram
04
結(jié)論
結(jié)合鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的結(jié)構(gòu)特征、鑄件材料特性和鑄造經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)補(bǔ)縮冒口、開(kāi)設(shè)內(nèi)澆道，可有效降低缺陷形成概率。通過(guò)在初始工藝方案中鑄件縮松縮孔較嚴(yán)重的區(qū)域增加補(bǔ)縮冒口等措施，設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向節(jié)鑄件在整個(gè)凝固過(guò)程中呈現(xiàn)由鑄件兩端向中間逐層凝固的趨勢(shì)，缺陷主要形成于澆注系統(tǒng)和冒口部位，轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件的縮孔縮松率控制在2%以下，滿足鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)精密鑄造的實(shí)際生產(chǎn)要求。
