原标题：铝合金转向节低压铸造工艺参数设计与优化

有报告显示，汽车是一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和颗粒物排放的主要源头，其排放的4项污染物占比超过机动车总排放量的90%。研究表明，汽车能耗的60%来自汽车自重，汽车质量每降低10%可使油耗减少6%~8%、污染物排放量减少10%。因此，对汽车零部件进行轻量化设计有助于减少污染物排放和能源消耗。转向节作为汽车底盘的关键部件，承受了大部分车身质量和载荷，其性能直接影响到车辆行驶安全及乘坐舒适度。传统转向节通常采用球墨铸铁制造，和铝合金转向节相比，其质量较大且耐腐蚀性和强度相对较差。因此，铝合金作为转向节的制造材料是一个较好的选择。低压铸造具有成形精度高、铸件表面品质好、材料利用率高、充型过程平稳等特点，有利于提高转向节的成形质量，使其获得良好的组织性能。

本研究以某铝合金转向节为对象，针对1模4件铸造方案，进行低压铸造工艺参数的优化研究。采用数值模拟与正交试验设计相结合，通过对金属液浇注温度、模具预热温度以及冷却水温度3个关键影响因素的合理匹配与调整，确定优化的工艺参数组合，从而减小缩松缩孔缺陷和二次枝晶臂间距，提升铝合金转向节铸件的成形质量和力学性能，旨在为相关产品的生产提供参考。

图文结果

转向节和浇注系统三维模型见图1，其轮廓尺寸为205 mm×191 mm×95 mm，质量为1.368 kg，结构复杂且壁厚差异大，最大壁厚为43 mm，最小壁厚为4 mm。根据铸件独特的结构特点及低压铸造工艺的具体需求，设计了1模4件的底注式浇注方案，确保金属液在浇注过程中能够平稳且均匀地充型，从而有效减少因紊流引发的气孔、夹杂等铸造缺陷，提升铸件的整体质量和可靠性。

转向节的材质为A356铝合金，其化学成分见表1。通过检索ProCAST软件的材料数据库，得到A356铝合金的相关热物理参数见表2，模拟过程中所使用的模具材质为H13钢。

低压铸造的浇注过程涉及一系列关键工艺参数，这些参数对产品的成形质量有重要影响。其中，主要浇注工艺参数包括：金属液温度、模具预热温度、升液阶段所需的压力和持续时间、充型阶段所需的压力和持续时间、保压阶段所需的压力和持续时间、卸压时间等。初始工艺方案中，金属液的浇注温度设置为700 ℃，模具预热温度设置为320 ℃，金属液和铸型之间的界面传热系数设置为2 000 W/（m2·K），铸型与大气的传热系数设置为20 W/（m2·K），初始冷却方案为空冷，其余浇注工艺参数经计算后得到，见表3。

图1 铸件、浇注系统及装配图的三维模型

表1 A356铝合金的主要化学成分(%)

表2 A356铝合金的热物理参数

表3 初始工艺方案浇注参数

将铸件和浇注系统的三维模型导入ProCAST软件中，由于模型结构复杂且壁厚变化较大，因此采用自动式网格划分方式。面网格的单元尺寸：铸件网格尺寸为2 mm，浇注系统和型芯网格尺寸为3 mm，模具网格尺寸为10 mm，面网格划分完成后自动生成共计7 033 444个体网格。网格划分完成后设置相关材料属性、传热条件及浇注参数。

图2为初始工艺方案缩松缩孔分布图。可以看出，铸件凝固过程中，由于壁厚差异大，存在较多加强筋及安装孔，使过于厚实部位凝固速度相对滞后，扰乱了正常顺序凝固过程，致使补缩路径被隔断，金属液难以及时有效地对铸件内部进行补缩，从而产生缩松缩孔缺陷；加强筋部位由于壁厚过薄会率先凝固，从而阻断补缩通道，形成缩松缩孔缺陷；安装孔处由于壁厚的突变位置，易产生热节，从而易形成缩松、缩孔缺陷。

对初始工艺方案进行分析发现，铸件在常温条件下的凝固过程不遵循理想的自上而下凝固原则。为了优化自上而下的凝固顺序，提升铸件品质，需要在铸件周围设置冷却系统，改善铸件凝固过程中的温度梯度，实现逐层顺序凝固。图3为铸件周围冷却系统冷却管的布置方案。冷却管中的冷却介质为水，冷却工艺参数见表4。

图2 初始工艺方案缩松缩孔分布图

图3 冷却管布置方案

表4 冷却管工艺参数

在对铝合金转向节铸造过程进行数值模拟分析时，发现金属液的浇注温度、模具的预热温度以及冷却水的温度对铸件的充型过程、凝固顺序和铸件内部的缩松缩孔缺陷的形成有显著影响。因此，采用正交试验设计方法，聚焦于浇注温度、模具预热温度及冷却水温度这3个核心影响因素。针对每个因素，挑选4个合适的参数水平，设计3因素4水平的试验方案，全面分析这些参数对铸件品质的影响。表5为各因素的具体参数水平设置。

利用数值模拟软件，针对正交试验设计表中所列出的各种因素组合进行模拟分析，并对模拟结果进行量化处理，计算出缩松缩孔体积以及二次枝晶臂间距的信噪比，结果见表6。

表5 3因素4水平正交试验表

表6 正交试验模拟结果

为了确定各因素对评价指标的重要性程度并找出最佳的工艺参数组合，对表6中列出的3个评价指标的信噪比进行均值与极差分析，得出了各因素的影响权重，并据此找出最优的工艺参数组合，分析结果见表7。

分析表7和图4可知，各试验因素对缩松缩孔体积的影响程度从高到低依次为：模具预热温度>浇注温度>冷却水温度。缩松缩孔体积与试验因素之间呈现波动变化的趋势，其中模具预热温度波动最大，对缩松缩孔体积的影响最为显著。从300 ℃开始，缩松缩孔体积随着模具预热温度的升高而显著减小，到达320 ℃（即B4）时，缩松缩孔体积最小；浇注温度为700 ℃（即A2）时，缩松缩孔体积最小，其余3个温度水平下，缩松缩孔体积均较大；缩松缩孔体积随着冷却水温度的升高呈现先减小后增大的趋势，冷却水温度为30 ℃（即C2）时，缩松缩孔体积最小。根据各因素的最优水平，选择方案1的工艺参数组合为A2B4C2，可使缩松缩孔体积最小。

表7 试验模拟结果的均值和极差分析

图4 不同工艺参数组合下缩松缩孔体积和二次枝晶臂间距的信噪比

表8为3种工艺方案结果对比。针对3种最优工艺参数组合进行数值模拟验证，得到铸件的缩松缩孔体积和二次枝晶臂间距。分析可知，方案1的缩松缩孔体积最小，且最大二次枝晶臂间距仅比方案3大0.03 μm；方案2虽然在二次枝晶臂间距上取得了最小值，但其缩松缩孔体积是3个方案中最大的。综合分析，可以确定方案1（A2B4C2）为优化的工艺参数组合，可保证铸件缩松缩孔体积最小的情况下仍具有良好的力学性能和寿命。该方案的具体浇注工艺参数如下：金属液浇注温度设置为700 ℃，模具预热温度设置为320 ℃，冷却水温度设置为30 ℃。此参数下，铸件的缩松缩孔体积为0.018 cm³，最大二次枝晶臂间距为29.75 μm。

按照最优工艺参数组合对铸件进行生产试制，并取铸件上3处典型位置进行金相试样提取，见图5中P1、P2、P3。依次用120号、500号和1000号砂进行打磨，随后采用5 μm和2.5 μm的抛光膏对试样进行抛光处理。然后采用Keller试剂（HF∶HCl∶HNO3∶H2O的体积比为2∶3∶5∶190）进行腐蚀，时间为5 s。最后采用奥林巴斯GX51光学显微镜进行微观组织观察。图6为铸件不同位置的金相组织。发现铝合金转向节的内部组织均匀，晶粒尺寸细小且分布均匀，未发现明显铸造缺陷，验证了优化后工艺方案的有效性和可行性。

表8 3种工艺方案结果对比

图5 铸件金相组织取样位置

图6 铸件不同位置的金相组织

结论

（1）基于正交试验的均值和极差分析，考察了浇注温度、模具、预热温度和冷却水温度对铝合金转向节缩松缩孔体积和二次枝晶臂间距的影响，发现模具预热温度对二者的影响最显著；浇注温度和冷却水温度对缩松缩孔体积的影响依次减弱；对二次枝晶臂间距影响较大的依次是冷却水温度和浇注温度。

（2）通过综合分析，发现优化浇注工艺参数组合：金属液浇注温度为700 ℃、模具预热温度为320 ℃、冷却水温度为30 ℃。该参数组合下铸件的缩松缩孔体积为0.018 cm³，最大二次枝晶臂间距为29.75 μm。

（3）经产品试制与金相组织观察，发现铝合金转向节的内部组织结构均匀细腻，晶粒尺寸精细且排列整齐，未发现明显铸造缺陷，验证了优化后工艺方案的有效性和可行性。

《铝合金转向节低压铸造工艺参数设计与优化》

杨德义 苏小平

南京工业大学机械与动力工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》