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铝合金变速器壳体的压铸工艺优化设计

吴跃翔 发表于2023/11/9 9:53:01 铝合金变速器壳体工艺优化

摘要:以铝合金变速器壳体为研究对象,结合压力铸造和零件结构的特点,设计浇注系统,使用Magma软件对初始工艺进行数值模拟,结果表明充型不平稳,没有按照顺序凝固,产生缩松缩孔和热裂纹缺陷。根据模拟结果及缺陷产生原因改进浇注系统,增加冷却系统,最终得到消除缺陷、符合要求的工艺方案。

变速器总成是汽车传动系统中的关键部件,而变速器壳体作为安装变速齿轮支撑轴承的零件,需要保证在各种复杂工况下,能够吸收齿轮在工作时所产生的作用力和力矩,且不会发生变形位移,保持轴与轴之间的精确相对位置。这就要求变速器壳体具有较高的强度、刚度,但是在变速器制造时,容易产生缩松、缩孔和热裂纹等缺陷,会大大影响零件性能。压力铸造是将液态金属快速冲入型腔,并在高压下凝固的工艺,可以有效减少铸件缺陷。为提高某国产乘用车品牌的变速器壳体的综合成品率,使用Magma软件对变速器壳压力铸造工艺进行可行性研究。先根据铸造手册和经验公式初步设计压铸方案,根据模拟结果改进得到优化方案,再通过试制验证该方案的可行性。

1、仿真模型与初始工艺设计

变速器壳体及浇注系统模型如图1所示。壳体尺寸为230 mm×300 mm×120 mm,质量为2.366 kg,材料为AlSi9Cu3,压铸时的收缩率为0.5%~0.6%,采用一模两件的常规压力铸造工艺,压铸机类型为DM1500卧式冷室压铸机。壳体上部分布了一些肋板,中间为空心腔体,两个孔是用来安装支撑轴承,模型整体比较复杂,最大壁厚为26 mm,位于图中A处,最小壁厚为7 mm,位于图中B处,平均壁厚10 mm。壳体底部较为平整,且与正投影方向平行,选取底部为分型面。

图1 变速器壳体及浇注系统模型

由于采用一模两件工艺,且压铸浇道设计时,一般常采用单个内浇道,不宜过多改变方向,减少流程,所以选择侧浇口式浇注系统。内浇口设置在侧面,金属液从两侧进入完成充型。内浇口面积由公式(1)计算得到,为4.16c㎡;直浇道的直径由压铸机类型决定,为100 mm。

式中:A内 为内浇口横截面积之和,c㎡ ;G为铸件总质量,g;ρ为合金液密度,g/m³ ;v为内浇口出口处合金液的线速度,cm/s;t为充型时间,s。

2、初始工艺数值模拟分析

将模型STL格式导入到Magma中,进行网格划分,共生成网格数量为1084326,其中流体网格数量为513722。铸件材料选择AlSi9Cu3,浇注温度660℃,模具材料选择H13,预热温度225℃,铸件和模具材料的热物性参数如表1所示。压射比压为60 MPa,充型速度0.5~2 m/s,保压时间50 s,进行模拟。

表1 铸件和模具材料的热物性参数

2.1 充型过程分析

整个铸件充型时间为0.06 s,为了更好地观察充型过程中的金属液流动情况,使用示踪粒子查看充型过程,如图2所示。从图中可以看出,t=0.02 s时,金属液已经注满整个浇注系统,金属液流动较为平稳,由侧面进入型腔并向另一侧流动。当t=0.032 s时,金属液处于高速充型阶段,浇道内发生了显著的分离回流(图2中圈出部位),影响整个流动的平稳性,容易造成卷气、夹渣现象,最终影响零件质量。

图2 充型时示踪粒子路径

2.2 凝固过程分析

凝固过程中的温度场变化如图3所示。当t=1.049 s时,变速器壳体上一些比较薄的肋板开始凝固;当t=5.625 s时,凝固率达到50%,铸件上一些壁厚较小的部位开始凝固,主要位于壳体上部和中心圆孔周围;当t=11.764 s时,凝固率为85%,此时铸件大部分都凝固完成,主要是一些壁厚较大的部分,还未完全凝固。从整个凝固过程温度场变化来看,凝固时并没有实现顺序凝固,一些壁薄的地方先凝固,而壁厚的位置最后凝固,而且壁厚位置远离浇口,很容易在凝固时产生孤立液相,无法补缩,最终形成缩松缩孔缺陷。在一些拐角处,由于凝固时间的不同,导致收缩应变率过大,从而在表面产生热裂纹。

图3 凝固过程温度场变化

2.3 铸造缺陷分析

根据充型过程和凝固过程的结果变化分析,对铸件缩松缩孔和热裂纹分布位置进行预测,结果如图4所示。可以看出,缩松缩孔可能产生的位置与之前分析的相接近,而热裂纹也位于厚壁与薄壁交界处图中圈出部位。

图4 模拟缺陷预测

3、优化工艺分析

3.1 确定优化方案

由于初始工艺无法得到符合要求的铸件,需要对其进行优化,主要包括两个方面:(1)对浇注系统尺寸进行改进。初始浇注系统,金属液在进入浇道流向两侧时,浇道变窄,流速增加,容易产生喷射,发生紊流,进而导致分离回流,为了保证流动平稳,对浇道尺寸进行优化;(2)增加冷却系统,调整凝固时温度场分布,实现顺序凝固,冷却系统采用水冷,冷却水温度20 ℃。改进后的模型如图5所示,其他冷却工艺参数见表2。

图5 改进后的浇注系统及冷却系统

表2 冷却工艺参数

3.2 优化方案模拟

对优化后的工艺方案进行数值模拟,充型过程示踪粒子路径和凝固时的温度场变化如图6所示。可以看出,整个充型过程,浇道内金属液流动平稳,分离回流现象明显消除;凝固过程中,当t=1.209 s时,除了薄壁肋板开始凝固外,施加冷却系统的壁厚处表面也开始慢慢凝固,当t=7.470 s时,相较于未加冷却之前,壁厚区域基本完成凝固,主要是靠近浇口处一些区域还没有完全凝固,基本满足顺序凝固原则。对优化后的铸造缺陷进行预测,如图7所示。从图中看出,缩松缩孔和热裂纹缺陷都基本消除,说明优化方案可以明显提高铸件质量,满足要求。



图6 优化后的充型过程及凝固温度场变化



图7 优化后模拟缺陷预测

3.3 优化方案验证

为了进一步验证改进后方案的可行性,对改进后的方案进行试制,实际生产的变速器壳体如图8所示。经检验,铸件整体质量良好,未发现裂纹、缩孔、缩松等铸造缺陷,与上述模拟缺陷预测结果相符合。



图8 变速器壳体实物图

4、结束语

运用成形过程数值模拟方法,以消除缩松缩孔、热裂纹为目的,对变速器壳体压铸工艺进行改进及优化。研究结果表明:改进的浇注系统能够有效解决充型不平稳问题,同时增加的冷却系统可以改善温度梯度,实现顺序凝固。通过实际生产验证,改进后的方案能够消除缩松缩孔和热裂纹缺陷,提高零件成形质量。

作者:
吴跃翔 苏小平
南京工业大学 机械与动力工程学院
本文来源:《铸造》杂志

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