摘 要 ：以鋁合金變速器殼體為研究對象，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 軟件對初始工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明充型不平穩(wěn)，沒有按照順序凝固，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。

關(guān)鍵詞： 變速器殼體;壓鑄工藝;數(shù)值模擬;工藝優(yōu)化

變速器總成是汽車傳動系統(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，且不會發(fā)生變形位移，保持軸與軸之間的確相對位置[1] 。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，會大大影響零件性能[2]。壓力鑄造是將液態(tài)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[3]。為提高某國產(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)

變速器殼體及淺注系統(tǒng)模型如圖1所示。殼體尺寸為230 mm x 300 mm x 120 mm ,質(zhì)量為2.366 kg , 材料為 AlSi 9 Cu 3 , 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 DM 1500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，兩個孔是用來安裝支撐軸承，模型整體比較復(fù)雜，大壁厚為26 mm , 位于圖中4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。由于采用一模兩件工藝，且壓鑄澆道設(shè)計(jì)時(shí)，一般常采用單個內(nèi)澆道，不宜過多改變方向，減少流程，所以選擇側(cè)澆口式澆注系統(tǒng)[4]。內(nèi)澆口面積由公式(1 ) 計(jì)算得到[5],為 4.16 cm :; 直澆道的直徑由壓鑄機(jī)類型決定，為100 mm 。

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1 084 326,其中流體網(wǎng)格數(shù)量為513 722。鑄件材料選擇 AlSi 9 Cu 3 , 澆注溫度660 模具材料選擇 H 13,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[6]。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 。

2 . 1 充型過程分析

整個鑄件充型時(shí)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(shí) ，金屬液已經(jīng)注滿整個澆注系統(tǒng)，金屬液流動較為平穩(wěn)，由側(cè)面進(jìn)入型腔并向另一側(cè)流動。當(dāng)戶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)，影響整個流動的平穩(wěn)性，容易造成卷氣、夾渣現(xiàn)象，最終影響零件質(zhì)量。

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(dāng)t=1.049 s時(shí) ，變速器殼體上一些比較薄的肋板開始凝固;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8 5 % , 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。從整個凝固過程溫度場變化來看，凝固時(shí)并沒有實(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)變率過大，從而在表面產(chǎn)生熱裂紋。

2 . 3 鑄造缺陷分析

根據(jù)充型過程和凝固過程的結(jié)果變化分析，對鑄件縮松縮孔和熱裂紋分布位置進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖4所可以看出，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。

3 優(yōu)化工藝分析

3 . 1 確定優(yōu)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(jìn)行優(yōu)化，主要包括兩個方面： (1 ) 對澆注系統(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，為了保證流動平穩(wěn)，對澆道尺寸進(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 1 。改進(jìn)后的模型如圖5所示，其他冷卻工藝參數(shù)見表2。

3 . 2 優(yōu)化方案模擬

對優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，充型過程示蹤粒子路徑和凝固時(shí)的溫度場變化如圖6所示?？梢钥闯?，整個充型過程，澆道內(nèi)金屬液流動平穩(wěn)，分離回流現(xiàn)象明顯消除;凝固過程中，當(dāng) t = 1.209 s 時(shí) ，除了薄壁肋板開始凝固外，施加冷卻系統(tǒng)的壁厚處表面也開始慢慢凝固，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)域還沒有完全凝固，基本滿足順序凝固原則。

對優(yōu)化后的鑄造缺陷進(jìn)行預(yù)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(yōu)化方案可以明顯提高鑄件質(zhì)量，滿足要求。

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)測結(jié)果相符合。

4 結(jié)束語

運(yùn)用成形過程數(shù)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(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。