原標題：合工大&合肥亞明：鋁合金9AT變速器主殼體高壓鑄造工藝研究

提升汽車的舒適性和經濟性一直是汽車行業的重要目標，作為汽車驅動三大件之一的變速器非常重要。9AT變速器的齒輪組采用嵌套式結構，變速器總長控制在一定范圍內，且速比間隔小，不僅提高駕駛舒適性，也使發動機常在最經濟區域運轉，大大提升燃油效率，相較于6AT變速器可節油10%~16%。然而復雜結構的9AT變速器的高壓鑄造生產經常出現氣孔缺陷，實現穩定高品質的主殼體生產是亟需解決的問題。目前國內對9AT變速器主殼體生產的研究報道較少，而對其他壓鑄件的工藝及對氣孔、縮孔等缺陷的影響進行了大量的研究。有研究者通過改善澆注系統，采用中心澆口，減少了壓鑄鋁合金離合器殼體的氣孔缺陷。發現增加高低速切換點位置，有利于減少鑄件孔洞缺陷，但對鑄件的致密度、抗拉強度和伸長率不利。采用高真空壓鑄技術改善了變速箱殼體鑄件的內部氣孔狀態和力學性能。研究者發現推遲高低速切換點可有效改善濾波器殼體成形過程中的噴流現象。為了探明高低速轉換位置對金屬液充型狀態以及后續影響，采用模擬仿真+工藝試驗的方法對ADC12鋁合金9AT變速器主殼體的壓射高低速切換點進行研究，并根據模擬所獲得的優化工藝參數進行實際生產驗證，旨在為其應用提供參考。

圖文結果

目前主流的8AT變速器使用了4組行星齒輪和5個換擋機構，而9AT變速器為了達到9個檔位，設計了4組行星齒輪和6組換擋機構，并且通過部分零件的優化與結構拓撲設計，整體體積與8AT相當，外輪廓尺寸約為470mm×400mm×400mm，質量約為12.6kg。鑄件整體結構復雜、壁厚不均，平均壁厚約為6mm，壁厚最薄處約為4mm，最厚處約為30mm，且內部分布有很多加強筋和油管，壓鑄過程中易產生應力集中，造成鑄件變形、氣孔、縮松和縮孔等問題。圖1為變速器主殼體鑄件三維模型圖。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，都能夠吸收齒輪在工作時產生的力和力矩，且不發生變形和位移，保持軸之間的精確相對位置。這就要求主殼體具有較高的強度和剛度，而ADC12壓鑄鋁合金具有密度小、比強度和比剛度高的特點，能夠滿足主殼體的生產要求。

圖1 變速器主殼體三維圖

表1 ADC12合金的主要化學成分（%）

圖2 澆注系統三維圖

通常的壓鑄生產工藝一般取金屬料液到達內澆口的位置為高低速切換點，但由于主殼體形狀復雜，且為箱體結構，常規的高低速切換點并不適用。結合前期工作和大量模擬，高低速切換點取480mm時為金屬液到達內澆口的位置，高低速切換點取520mm時為金屬液從中間5路分支進入型腔且平穩交匯的位置，高低速切換點取560mm時為型腔內金屬液與右側分支金屬料液平穩交匯的位置。因此，為了研究壓射高低速切換點對變速器主殼體充型過程的影響，設計3套模擬方案，高低速切換點分別設置在480、520和560mm處分別為方案1、方案2和方案3。

圖3 方案1壓鑄充型模擬結果

圖4 方案2壓鑄充型模擬結果

圖5 方案3壓鑄充型模擬結果

圖3為方案1的充型過程。可以看到，由于金屬液進入型腔內并未平穩交匯，而是直接以高速充填型腔，金屬液前端部位出現了十分明顯的噴流（圖3b虛線框），極易產生回流、卷氣現象。左側淺腔箭頭處有很明顯的未填充部分，未來得及排出型腔的氣體被金屬液包裹，造成變速器主殼體內部氣孔缺陷產生。型腔左側部位充型緩慢，卷氣較為嚴重，對壓鑄件的品質影響很大。圖4為方案2的充型過程。可以看出，由于金屬液平穩交匯，當壓射速度從低速轉換為高速時，金屬液能夠平穩地充型。與方案1相比，前端的噴流明顯改善，左側部位的卷氣現象也得到了明顯改善。但是由于左側為淺腔區域，所需填充的金屬液較少，金屬液平穩交匯后開始高速壓射時，金屬液率先進入左側淺腔部分，形成少量噴流，少量氣體被包裹在左側淺腔金屬液中（見圖4b箭頭處）。圖5為方案3的充型過程。從圖5a中可以看出，在高低速切換點進行高低速切換時，金屬液已與右側分支金屬液平穩交匯，當壓射速度從低速轉換為高速時，由于右側分支對右側深腔的充填作用，使得金屬液能夠同時充填左側淺腔區域和右側深腔區域，金屬液以層流的方式進行充型。整個充型過程中產生的噴流很小，且充型較為均勻，左側淺腔部位已無氣體包裹現象。充型過程平穩，有利于將型腔內的氣體排出，從而減少氣孔缺陷產生。

圖6 3種高低速切換點卷氣概率模擬結果

圖7 變速器主殼體壓鑄毛坯件

圖8 變速器主殼體微觀組織

表2 變速器主殼體的力學性能

結論

（1）充型過程模擬發現，高低速切換點為560mm時，整個充型過程平穩均勻，相較于高低速切換點為480和520mm時產生卷氣概率最小。
（2）選取壓射低速值為0.2m/s，高速值為3.5m/s，高低速切換點為560mm進行實際生產試制，試制的變速器主殼體外觀無明顯缺陷，內部組織晶粒細小、分布均勻、組織致密。近澆口處的抗拉強度和伸長率分別為272.0MPa、3.4%，末端的抗拉強度和伸長率為230.6MPa、2.7%，均滿足變速器主殼體的力學性能要求。

本文作者：
范寅生 李亨 吳玉程
合肥工業大學材料科學與工程學院
魯超
合肥亞明汽車部件有限公司
李明 趙永征
合肥江淮鑄造有限責任公司

本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志