鋁合金汽車轉向節精密鑄造工藝研究

趙海濤，甘萬兵，晏洋，席小龍，姚會婷，陳毅，丁華鋒,2*

鋁合金汽車轉向節精密鑄造工藝研究

趙海濤1，甘萬兵1，晏洋1，席小龍1，姚會婷1，陳毅1，丁華鋒1,2*

（1.湖北三環鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700；2.湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053）

對某鋁合金汽車轉向節的精密鑄造工藝進行設計與優化研究，以得到合格的鋁合金汽車轉向節的精密鑄造工藝方案。結合鋁合金轉向節鑄件的結構特征、鑄件材料特性和鑄造經驗，在轉向節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的優化澆注方案，基于ProCAST軟件建立了鋁合金轉向節精密鑄造2種澆注方案的有限元模型，對鋁合金轉向節精密鑄造的充型過程、凝固過程及縮孔縮松特性進行了數值模擬與分析。鋁合金轉向節鑄件初始澆注方案的充型過程相對穩定流暢，鑄件在凝固過程中有孤立液相區的形成，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，最后凝固區域位于補縮冒口內部，最大縮孔縮松率控制在2%以下。優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鑄件的缺陷。

鋁合金；轉向節；精密鑄造；鑄造缺陷；工藝設計；數值模擬

隨著全球環保要求的不斷提高，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]。而研發和使用低密度、高強度、優良性能的合金材料替代汽車原部件是實現輕量化的有效途徑之一[6]。相較于傳統材料，鋁合金因其卓越的比強度、小密度、優良的可塑性/導熱性以及出色的抗腐蝕性而被廣泛應用于汽車工業[7-10]。汽車轉向節作為汽車轉向系統中的核心組件，承擔著維持汽車穩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成形工藝進行了相關研究，李智等[11]以A356鋁合金轉向節為研究對象，結合數值模擬與優化算法對差壓鑄造的鑄件工藝參數進行了研究，采用智能算法求得最優工藝組合參數。羅楊等[12]對鋁合金汽車轉向節重力鑄造工藝進行了優化研究，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，用臥式機生產轉向節需對鑄件厚大部位隨形冷卻，以消除縮孔、縮松缺陷，用立式機生產的轉向節更具優勢，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化設計，通過控制半固態壓鑄工藝的所有工序，得到了高性能鋁合金轉向節。Das等[15]對A356鋁合金流變壓力壓鑄工藝進行了研究，通過數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。眾多學者的研究主要集中在鋁合金轉向節的壓力鑄造和砂型鑄造的鑄造工藝設計及優化，但對鋁合金轉向節精密鑄造成形工藝還鮮有研究。基于此，本文以某型汽車鋁合金轉向節為研究對象，對其鋁合金轉向節精密鑄造工藝進行研究和探索，以期為汽車鋁合金轉向節精密鑄造工藝及輕量化設計提供參考。

1 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。

汽車轉向節材料為A356鋁合金，該鋁合金具有優良的液態流動性，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生缺陷[16-17]。

圖1 鑄件三維模型及厚度分析

1.2 初始澆注方案設計

由于汽車轉向節鑄件主體部的盲孔、通孔數量較多，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]。

根據高強度鑄造鋁合金A356特性，結合汽車轉向節鑄件結構特點和鑄造經驗，得到鋁合金轉向節鑄件初始澆注方案如圖2a所示。初始澆注系統采用頂注式設計，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。將帶有澆注系統的鑄件模型導入ProCAST軟件中，對其進行網格劃分，mesh值取5 mm，自動生成有限元網格，共生成面網格總數為43 850，體網格總數為217 473，初始工藝澆注系統有限元模型如圖2b所示。

2 初始方案數值模擬與結果分析

2.1 數值模擬參數設置

采用ProCAST軟件對鑄件進行數值模擬，對鑄造相關工藝參數做以下設置：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、型殼與鑄件之間的熱交換系數為900 W/(m2·K)[21]。采用自然冷卻方式，型殼與空氣熱交換系數設置為10 W/(m2·K)，環境溫度默認為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，沒有產生明顯飛濺現象。在充型中后期，鵝頸部由外端向內部逐漸填充完畢，存在輕微卷氣現象。整個充型過程相對穩定流暢，金屬液溫度高于其液相線溫度，沒有出現冷隔、澆不足現象，能夠順利完成充型。

圖2 鑄件初始澆注方案及有限元模型

圖3 充型過程模擬

轉向節鑄件各部分充型完成時間如圖4所示。可知，鑄件各區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。出現這種現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先涌入鵝頸部頂端，因此靠近鵝頸部頂端區域最先完成充型。

2.2.2 凝固過程

轉向節鑄件凝固過程如圖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、主體部凸出區域最先開始凝固，鵝頸部和主體部整體均呈現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凝固后才凝固，這部分因喪失澆注系統的補縮作用而易形成孤立液相區。最后凝固區域在兩部分銜接處，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Porosity判據可判斷鑄件縮松縮孔缺陷出現的位置和概率[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6 鑄件缺陷預測

3 優化方案數值模擬與結果分析

3.1 優化澆注方案設計

澆注系統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，發現鑄件產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化，在初始工藝方案鑄件缺陷較嚴重的區域設置補縮冒口，以提高澆注系統的補縮性能。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，優化澆注方案如圖7所示。

圖7 優化澆注方案設計

3.2 模擬結果與分析

在初始工藝參數和邊界條件不變的情況下，將優化后的模型導入ProCAST中求解，充型過程如圖8所示。從充型過程中可以看到，鑄件各區域液面上升高度基本一致，金屬液流動相對平穩，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揮冒口的補縮作用。

對優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-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 優化澆注方案充型過程

圖9 優化澆注方案凝固過程

圖10 優化澆注方案鑄件缺陷預測

4 結論

結合鋁合金轉向節鑄件的結構特征、鑄件材料特性和鑄造經驗，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域增加補縮冒口等措施，設計了優化澆注方案，模擬分析發現，采用優化澆注方案的鋁合金轉向節鑄件在整個凝固過程中呈現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和冒口部位，轉向節鑄件的縮孔縮松率控制在2%以下，滿足鋁合金轉向節精密鑄造的實際生產要求。

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Precision Casting Process of Aluminum Alloy Automobile Steering Knuckle

ZHAO Haitao1, GAN Wanbing1, YAN Yang1, XI Xiaolong1, YAO Huiting1, CHEN Yi1, DING Huafeng1,2*

(1. Hubei Tri-Ring Forging Co., Ltd., Hubei Xiangyang 441700, China; 2. School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Sciences, Hubei Xiangyang 441053, China)

The work aims to design and optimize the precision casting process of a certain type of aluminum alloy automobile steering knuckles to obtain a qualified precision casting process scheme of aluminum alloy automobile steering knuckles. Based on the structural characteristics, material properties and casting experience of aluminum alloy steering knuckle castings, an ingate was opened in the main body and the goose neck of the steering knuckle casting respectively, and an initial pouring scheme of aluminum alloy steering knuckles was designed. The optimized pouring scheme of aluminum alloy automobile steering knuckles was given by setting feeding risers in the area with serious casting defects in the initial process scheme and adding exhaust ducts at the top of the casting. Based on ProCAST software, the finite element models of two pouring schemes for precision casting of aluminum alloy steering knuckles were established, and the filling process, solidification process and shrinkage porosity characteristics of precision casting of aluminum alloy steering knuckles were numerically simulated and analyzed. The filling process of the initial pouring scheme of the aluminum alloy steering knuckle casting was relatively stable and smooth, and the isolated liquid phase zone was formed during the solidification process of the casting. After solidification, there was a large area of shrinkage defects in the middle of the casting. The optimized pouring scheme could control the flow, filling sequence and solidification characteristics of the molten metal. The whole solidification process of the casting basically presented a symmetrical distribution in the middle. The final solidification area was located inside the feeding riser, and the maximum shrinkage porosity was controlled below 2%. The design of optimized pouring scheme is reasonable and effective, which can effectively eliminate the defects of aluminum alloy steering knuckle castings.

aluminum alloy; steering knuckle; precision casting; casting defects; process design; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.020

TG249.5

A

1674-6457(2024)03-0181-07

2024-01-12

2024-01-12

趙海濤, 甘萬兵, 晏洋, 等. 鋁合金汽車轉向節精密鑄造工藝研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 181-187.

ZHAO Haitao, GAN Wanbing, YAN Yang, et al. Precision Casting Process of Aluminum Alloy Automobile Steering Knuckle[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 181-187.

（Corresponding author）