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鋁合金壓鑄:鋁合金變速器殼體壓鑄工藝設計及優化

2021-06-04 16:52:51

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。

關鍵詞: 變速器殼體;壓鑄工藝;數值模擬;工藝優化

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,保持軸與軸之間的確相對位置[1] 。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[2]。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[3]。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

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變速器殼體及淺注系統模型如圖1所示。殼體尺寸為230 mm x 300 mm x 120 mm ,質量為2.366 kg , 材料為 AlSi 9 Cu 3 , 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 DM 1500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,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[4]。內澆口面積由公式(1 ) 計算得到[5],為 4.16 cm :; 直澆道的直徑由壓鑄機類型決定,為100 mm 。

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1 084 326,其中流體網格數量為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,預熱溫度225 鑄件和模具材料的熱物性參數如表1所示[6]。壓射比壓為60 MPa , 充型速度0.5-2 m / s , 保壓時間50 s ,進行模擬 。

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。當戶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。

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8 5 % , 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。

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。

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 1 。改進后的模型如圖5所示,其他冷卻工藝參數見表2。

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??梢钥闯?,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。

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。

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。


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