摘要：以鋁合金變速器殼體為研究對(duì)象，結(jié)合壓力鑄造和零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，使用Magma軟件對(duì)初始工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明充型不平穩(wěn)，沒(méi)有按照順序凝固，產(chǎn)生縮松縮孔和熱裂紋缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果及缺陷產(chǎn)生原因改進(jìn)澆注系統(tǒng)，增加冷卻系統(tǒng)，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(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)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(fù)雜工況下，能夠吸收齒輪在工作時(shí)所產(chǎn)生的作用力和力矩，且不會(huì)發(fā)生變形位移，保持軸與軸之間的精確相對(duì)位置。這就要求變速器殼體具有較高的強(qiáng)度、剛度，但是在變速器制造時(shí)，容易產(chǎn)生縮松、縮孔和熱裂紋等缺陷，會(huì)大大影響零件性能。壓力鑄造是將液態(tài)金屬快速?zèng)_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(guó)產(chǎn)乘用車品牌的變速器殼體的綜合成品率，使用Magma軟件對(duì)變速器殼壓力鑄造工藝進(jìn)行可行性研究。先根據(jù)鑄造手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式初步設(shè)計(jì)壓鑄方案，根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)得到優(yōu)化方案，再通過(guò)試制驗(yàn)證該方案的可行性。

1、仿真模型與初始工藝設(shè)計(jì)

變速器殼體及澆注系統(tǒng)模型如圖1所示。殼體尺寸為230 mm×300 mm×120 mm，質(zhì)量為2.366 kg，材料為AlSi9Cu3，壓鑄時(shí)的收縮率為0.5%～0.6%，采用一模兩件的常規(guī)壓力鑄造工藝，壓鑄機(jī)類型為DM1500臥式冷室壓鑄機(jī)。殼體上部分布了一些肋板，中間為空心腔體，兩個(gè)孔是用來(lái)安裝支撐軸承，模型整體比較復(fù)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(tǒng)模型

由于采用一模兩件工藝，且壓鑄澆道設(shè)計(jì)時(shí)，一般常采用單個(gè)內(nèi)澆道，不宜過(guò)多改變方向，減少流程，所以選擇側(cè)澆口式澆注系統(tǒng)。內(nèi)澆口設(shè)置在側(cè)面，金屬液從兩側(cè)進(jìn)入完成充型。內(nèi)澆口面積由公式（1）計(jì)算得到，為4.16c㎡；直澆道的直徑由壓鑄機(jī)類型決定，為100 mm。

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

2、初始工藝數(shù)值模擬分析

將模型STL格式導(dǎo)入到Magma中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成網(wǎng)格數(shù)量為1084326，其中流體網(wǎng)格數(shù)量為513722。鑄件材料選擇AlSi9Cu3，澆注溫度660℃，模具材料選擇H13，預(yù)熱溫度225℃，鑄件和模具材料的熱物性參數(shù)如表1所示。壓射比壓為60 MPa，充型速度0.5~2 m/s，保壓時(shí)間50 s，進(jìn)行模擬。

表1 鑄件和模具材料的熱物性參數(shù)

2.1?充型過(guò)程分析

整個(gè)鑄件充型時(shí)間為0.06 s，為了更好地觀察充型過(guò)程中的金屬液流動(dòng)情況，使用示蹤粒子查看充型過(guò)程，如圖2所示。從圖中可以看出，t=0.02 s時(shí)，金屬液已經(jīng)注滿整個(gè)澆注系統(tǒng)，金屬液流動(dòng)較為平穩(wěn)，由側(cè)面進(jìn)入型腔并向另一側(cè)流動(dòng)。當(dāng)t=0.032 s時(shí)，金屬液處于高速充型階段，澆道內(nèi)發(fā)生了顯著的分離回流（圖2中圈出部位），影響整個(gè)流動(dòng)的平穩(wěn)性，容易造成卷氣、夾渣現(xiàn)象，最終影響零件質(zhì)量。

圖2 充型時(shí)示蹤粒子路徑

2.2?凝固過(guò)程分析

凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化如圖3所示。當(dāng)t=1.049 s時(shí)，變速器殼體上一些比較薄的肋板開(kāi)始凝固；當(dāng)t=5.625 s時(shí)，凝固率達(dá)到50%，鑄件上一些壁厚較小的部位開(kāi)始凝固，主要位于殼體上部和中心圓孔周圍；當(dāng)t=11.764 s時(shí)，凝固率為85%，此時(shí)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(gè)凝固過(guò)程溫度場(chǎng)變化來(lái)看，凝固時(shí)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)離澆口，很容易在凝固時(shí)產(chǎn)生孤立液相，無(wú)法補(bǔ)縮，最終形成縮松縮孔缺陷。在一些拐角處，由于凝固時(shí)間的不同，導(dǎo)致收縮應(yīng)變率過(guò)大，從而在表面產(chǎn)生熱裂紋。

圖3 凝固過(guò)程溫度場(chǎng)變化

2.3?鑄造缺陷分析

根據(jù)充型過(guò)程和凝固過(guò)程的結(jié)果變化分析，對(duì)鑄件縮松縮孔和熱裂紋分布位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。可以看出，縮松縮孔可能產(chǎn)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(yù)測(cè)

3、優(yōu)化工藝分析

3.1?確定優(yōu)化方案

由于初始工藝無(wú)法得到符合要求的鑄件，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，主要包括兩個(gè)方面：（1）對(duì)澆注系統(tǒng)尺寸進(jìn)行改進(jìn)。初始澆注系統(tǒng)，金屬液在進(jìn)入澆道流向兩側(cè)時(shí)，澆道變窄，流速增加，容易產(chǎn)生噴射，發(fā)生紊流，進(jìn)而導(dǎo)致分離回流，為了保證流動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)澆道尺寸進(jìn)行優(yōu)化；（2）增加冷卻系統(tǒng)，調(diào)整凝固時(shí)溫度場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)順序凝固，冷卻系統(tǒng)采用水冷，冷卻水溫度20 ℃。改進(jìn)后的模型如圖5所示，其他冷卻工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)

表2 冷卻工藝參數(shù)

3.2?優(yōu)化方案模擬

對(duì)優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，充型過(guò)程示蹤粒子路徑和凝固時(shí)的溫度場(chǎng)變化如圖6所示。可以看出，整個(gè)充型過(guò)程，澆道內(nèi)金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，分離回流現(xiàn)象明顯消除；凝固過(guò)程中，當(dāng)t=1.209 s時(shí)，除了薄壁肋板開(kāi)始凝固外，施加冷卻系統(tǒng)的壁厚處表面也開(kāi)始慢慢凝固，當(dāng)t=7.470 s時(shí)，相較于未加冷卻之前，壁厚區(qū)域基本完成凝固，主要是靠近澆口處一些區(qū)域還沒(méi)有完全凝固，基本滿足順序凝固原則。對(duì)優(yōu)化后的鑄造缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(shuō)明優(yōu)化方案可以明顯提高鑄件質(zhì)量，滿足要求。

圖6 優(yōu)化后的充型過(guò)程及凝固溫度場(chǎng)變化



圖7 優(yōu)化后模擬缺陷預(yù)測(cè)

3.3?優(yōu)化方案驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后方案的可行性，對(duì)改進(jìn)后的方案進(jìn)行試制，實(shí)際生產(chǎn)的變速器殼體如圖8所示。經(jīng)檢驗(yàn)，鑄件整體質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、縮孔、縮松等鑄造缺陷，與上述模擬缺陷預(yù)測(cè)結(jié)果相符合。



圖8 變速器殼體實(shí)物圖

4、結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用成形過(guò)程數(shù)值模擬方法，以消除縮松縮孔、熱裂紋為目的，對(duì)變速器殼體壓鑄工藝進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。研究結(jié)果表明：改進(jìn)的澆注系統(tǒng)能夠有效解決充型不平穩(wěn)問(wèn)題，同時(shí)增加的冷卻系統(tǒng)可以改善溫度梯度，實(shí)現(xiàn)順序凝固。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，改進(jìn)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(zhì)量。

作者：
吳躍翔 蘇小平
南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
本文來(lái)源：《鑄造》雜志