摘要：以鋁合金變速器殼體為研究對象，結合壓力鑄造和零件結構的特點，設計澆注系統，使用Magma軟件對初始工藝進行數值模擬，結果表明充型不平穩，沒有按照順序凝固，產生縮松縮孔和熱裂紋缺陷。根據模擬結果及缺陷產生原因改進澆注系統，增加冷卻系統，最終得到消除缺陷、符合要求的工藝方案。

變速器總成是汽車傳動系統中的關鍵部件，而變速器殼體作為安裝變速齒輪支撐軸承的零件，需要保證在各種復雜工況下，能夠吸收齒輪在工作時所產生的作用力和力矩，且不會發生變形位移，保持軸與軸之間的精確相對位置。這就要求變速器殼體具有較高的強度、剛度，但是在變速器制造時，容易產生縮松、縮孔和熱裂紋等缺陷，會大大影響零件性能。壓力鑄造是將液態金屬快速沖入型腔，并在高壓下凝固的工藝，可以有效減少鑄件缺陷。為提高某國產乘用車品牌的變速器殼體的綜合成品率，使用Magma軟件對變速器殼壓力鑄造工藝進行可行性研究。先根據鑄造手冊和經驗公式初步設計壓鑄方案，根據模擬結果改進得到優化方案，再通過試制驗證該方案的可行性。

1、仿真模型與初始工藝設計

變速器殼體及澆注系統模型如圖1所示。殼體尺寸為230 mm×300 mm×120 mm，質量為2.366 kg，材料為AlSi9Cu3，壓鑄時的收縮率為0.5%～0.6%，采用一模兩件的常規壓力鑄造工藝，壓鑄機類型為DM1500臥式冷室壓鑄機。殼體上部分布了一些肋板，中間為空心腔體，兩個孔是用來安裝支撐軸承，模型整體比較復雜，最大壁厚為26 mm，位于圖中A處，最小壁厚為7 mm，位于圖中B處，平均壁厚10 mm。殼體底部較為平整，且與正投影方向平行，選取底部為分型面。

圖1 變速器殼體及澆注系統模型

由于采用一模兩件工藝，且壓鑄澆道設計時，一般常采用單個內澆道，不宜過多改變方向，減少流程，所以選擇側澆口式澆注系統。內澆口設置在側面，金屬液從兩側進入完成充型。內澆口面積由公式（1）計算得到，為4.16c㎡；直澆道的直徑由壓鑄機類型決定，為100 mm。

式中：A內 為內澆口橫截面積之和，c㎡ ；G為鑄件總質量，g；ρ為合金液密度，g/m³ ；v為內澆口出口處合金液的線速度，cm/s；t為充型時間，s。

2、初始工藝數值模擬分析

將模型STL格式導入到Magma中，進行網格劃分，共生成網格數量為1084326，其中流體網格數量為513722。鑄件材料選擇AlSi9Cu3，澆注溫度660℃，模具材料選擇H13，預熱溫度225℃，鑄件和模具材料的熱物性參數如表1所示。壓射比壓為60 MPa，充型速度0.5~2 m/s，保壓時間50 s，進行模擬。

表1 鑄件和模具材料的熱物性參數

2.1?充型過程分析

整個鑄件充型時間為0.06 s，為了更好地觀察充型過程中的金屬液流動情況，使用示蹤粒子查看充型過程，如圖2所示。從圖中可以看出，t=0.02 s時，金屬液已經注滿整個澆注系統，金屬液流動較為平穩，由側面進入型腔并向另一側流動。當t=0.032 s時，金屬液處于高速充型階段，澆道內發生了顯著的分離回流（圖2中圈出部位），影響整個流動的平穩性，容易造成卷氣、夾渣現象，最終影響零件質量。

圖2 充型時示蹤粒子路徑

2.2?凝固過程分析

凝固過程中的溫度場變化如圖3所示。當t=1.049 s時，變速器殼體上一些比較薄的肋板開始凝固；當t=5.625 s時，凝固率達到50%，鑄件上一些壁厚較小的部位開始凝固，主要位于殼體上部和中心圓孔周圍；當t=11.764 s時，凝固率為85%，此時鑄件大部分都凝固完成，主要是一些壁厚較大的部分，還未完全凝固。從整個凝固過程溫度場變化來看，凝固時并沒有實現順序凝固，一些壁薄的地方先凝固，而壁厚的位置最后凝固，而且壁厚位置遠離澆口，很容易在凝固時產生孤立液相，無法補縮，最終形成縮松縮孔缺陷。在一些拐角處，由于凝固時間的不同，導致收縮應變率過大，從而在表面產生熱裂紋。

圖3 凝固過程溫度場變化

2.3?鑄造缺陷分析

根據充型過程和凝固過程的結果變化分析，對鑄件縮松縮孔和熱裂紋分布位置進行預測，結果如圖4所示。可以看出，縮松縮孔可能產生的位置與之前分析的相接近，而熱裂紋也位于厚壁與薄壁交界處圖中圈出部位。

圖4 模擬缺陷預測

3、優化工藝分析

3.1?確定優化方案

由于初始工藝無法得到符合要求的鑄件，需要對其進行優化，主要包括兩個方面：（1）對澆注系統尺寸進行改進。初始澆注系統，金屬液在進入澆道流向兩側時，澆道變窄，流速增加，容易產生噴射，發生紊流，進而導致分離回流，為了保證流動平穩，對澆道尺寸進行優化；（2）增加冷卻系統，調整凝固時溫度場分布，實現順序凝固，冷卻系統采用水冷，冷卻水溫度20 ℃。改進后的模型如圖5所示，其他冷卻工藝參數見表2。

圖5 改進后的澆注系統及冷卻系統

表2 冷卻工藝參數

3.2?優化方案模擬

對優化后的工藝方案進行數值模擬，充型過程示蹤粒子路徑和凝固時的溫度場變化如圖6所示。可以看出，整個充型過程，澆道內金屬液流動平穩，分離回流現象明顯消除；凝固過程中，當t=1.209 s時，除了薄壁肋板開始凝固外，施加冷卻系統的壁厚處表面也開始慢慢凝固，當t=7.470 s時，相較于未加冷卻之前，壁厚區域基本完成凝固，主要是靠近澆口處一些區域還沒有完全凝固，基本滿足順序凝固原則。對優化后的鑄造缺陷進行預測，如圖7所示。從圖中看出，縮松縮孔和熱裂紋缺陷都基本消除，說明優化方案可以明顯提高鑄件質量，滿足要求。

圖6 優化后的充型過程及凝固溫度場變化



圖7 優化后模擬缺陷預測

3.3?優化方案驗證

為了進一步驗證改進后方案的可行性，對改進后的方案進行試制，實際生產的變速器殼體如圖8所示。經檢驗，鑄件整體質量良好，未發現裂紋、縮孔、縮松等鑄造缺陷，與上述模擬缺陷預測結果相符合。



圖8 變速器殼體實物圖

4、結束語

運用成形過程數值模擬方法，以消除縮松縮孔、熱裂紋為目的，對變速器殼體壓鑄工藝進行改進及優化。研究結果表明：改進的澆注系統能夠有效解決充型不平穩問題，同時增加的冷卻系統可以改善溫度梯度，實現順序凝固。通過實際生產驗證，改進后的方案能夠消除縮松縮孔和熱裂紋缺陷，提高零件成形質量。

作者：
吳躍翔 蘇小平
南京工業大學 機械與動力工程學院
本文來源：《鑄造》雜志