原標(biāo)題：鋁合金變速器操縱盒體低壓鑄造工藝設(shè)計及其優(yōu)化

摘要：以變速器操縱盒為研究對象，對其進行低壓鑄造工藝方案設(shè)計，利用ProCAST軟件對工藝方案進行數(shù)值模擬，對充型、凝固過程進行分析，判斷鑄件產(chǎn)生缺陷的原因，并且針對缺陷進行工藝方案優(yōu)化。結(jié)果表明，設(shè)計的優(yōu)化方案消除了鑄造缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計要求，可為該類零件生產(chǎn)提供參考。

變速器操縱盒是汽車變速器的重要組成部分之一，與變速器后殼相連，它的主要作用為固定連桿運動以及控制連桿的自由度，汽車在運行過程中需要頻繁換擋，連桿連續(xù)多變轉(zhuǎn)動，因此操縱盒易于磨損，可能會導(dǎo)致?lián)Q擋失敗等不良后果，所以此零件需要較高的表面質(zhì)量。而低壓鑄造是一種反重力鑄造，使補縮距離增加，采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件具有成形性能好、表面質(zhì)量高、生產(chǎn)成本較低等特點，因此可以用于變速器操縱盒的生產(chǎn)。

在變速器操縱盒生產(chǎn)過程中，由于其壁厚差異較大且過渡不平順，因此很容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷。為提高變速器操縱盒的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率，本文對變速器操縱盒進行低壓鑄造的工藝設(shè)計，提出工藝設(shè)計方案，利用ProCAST軟件進行模擬仿真，對鑄件進行數(shù)值模擬，預(yù)測鑄件可能會出現(xiàn)的氣孔、縮松和縮孔等缺陷，分析其位置和產(chǎn)生原因，針對產(chǎn)生原因?qū)Φ蛪鸿T造工藝進行優(yōu)化，從而降低產(chǎn)品的報廢率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并進行驗證。

1.鑄件結(jié)構(gòu)

減速器操縱盒的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其輪廓尺寸為196 mm×108 mm×90 mm，重0.664 kg，內(nèi)部為不規(guī)則變截面，壁厚差異較大，最大為12.1 mm，而最小僅有3.7 mm，平均壁厚僅有4.6 mm。該鑄件選用AlSi7Mg0.3鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。鑄件要求去毛刺，收縮率為0.5%，無夾渣、裂紋、縮松和縮孔等缺陷。

圖1 減速器操縱盒結(jié)構(gòu)示意圖

表1 AlSi7Mg0.3鋁合金化學(xué)成分表wB/%

2.低壓鑄造模具設(shè)計

2.1 分型面選擇

對減速器操縱盒的結(jié)構(gòu)進行分析，最大的投影截面在其中間部位，且由于其有兩個套筒，為便于開模，根據(jù)經(jīng)驗和分析最終確定分型面的位置如圖2虛線位置所示。

圖2 分型面位置

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 各澆道截面積計算

采用較為常用的封閉式澆注系統(tǒng)進行鋁合金操縱盒的低壓鑄造，該類澆注系統(tǒng)由于液流動能的作用，合金液進入型腔時速度較快，對鋁合金操縱盒而言，將內(nèi)澆道設(shè)置到筒狀部位頂端可以有效地進行補縮。根據(jù)經(jīng)驗公式計算出尺寸最小的內(nèi)澆道橫截面，再通過各個澆道的截面積比例關(guān)系計算出橫澆道和直澆道截面積，內(nèi)澆道的橫截面計算公式可根據(jù)公式（1）進行計算：

式中：∑A內(nèi) 為內(nèi)澆道的總截面積，G為零件的質(zhì)量，ρ為合金液的密度，v為充填速度，t為充填時間。合金液密度為2.4 g/m³ ，取充填速度為15 cm/s，t可以通過型腔高度與型腔內(nèi)金屬液升高速度比值確定，由于平均壁厚為4.6 mm，根據(jù)經(jīng)驗取充填速度2 cm/s，通過計算得出內(nèi)澆道的截面積為188 ㎡ 。

根據(jù)常見的澆注系統(tǒng)中組元的截面面積比例關(guān)系可得，∑A內(nèi)∶∑A橫∶∑A直=1.0∶（1.5~1.7）∶（2.0~2.3）。通過經(jīng)驗和模擬計算總結(jié)，取∑A內(nèi)∶∑A橫∶∑A直=1.0∶1.7∶2.3。因此本次鋁合金操縱盒低壓鑄造的橫澆道和直澆道的截面積分別為320 ㎡ 和432 ㎡ 。

2.2.2 升液管設(shè)計

升液管目前多采用鑄鐵材料，但是鑄鐵材料壽命短易腐蝕并且會導(dǎo)致金屬液增鐵，所以本次使用陶瓷升液管，升液管的高度以升液管底端距坩堝底部距離為基準(zhǔn)設(shè)定。

2.2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

低壓鑄造的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須充分考慮低壓鑄造自下而上的填充順序和自上而下的凝固順序，且通過設(shè)計底注式澆注系統(tǒng)，保證鐵液上升時充型平穩(wěn)，減少因紊流產(chǎn)生的氧化夾渣。本文共提出兩種澆注系統(tǒng)方案，其中方案一為單升液管單澆道，受零件形狀的限制，內(nèi)澆道設(shè)計成環(huán)狀澆道；方案二為單升液管多澆道，內(nèi)澆道為橢圓形澆道。結(jié)合上述計算的澆注系統(tǒng)的截面積大小，設(shè)計出方案一和方案二的澆注系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)示意圖

3.數(shù)值模擬和分析

3.1 工藝參數(shù)確定

3.1.1 壓力曲線設(shè)計

在低壓鑄造中壓力是影響鑄件成形質(zhì)量的重要參數(shù)，而低壓鑄造主要分為升液、充型、增壓、保壓和卸壓五個過程。其中升液壓力P1 可以由公式（2）進行估算：

中：μ1 為升液阻力系數(shù)，一般取值范圍為1.0~1.5，由于本次升液壁比較光滑，結(jié)合經(jīng)驗和分析取μ1 =1.1；升液高度為16 cm，計算得出P1 約為4 140 Pa。一般來說，低壓鑄造澆注過程要實現(xiàn)快速升液低速充型，升液速度一般取5~15 cm/s，本文取升液速度為7.5 cm/s，所以升液時間為2.13 s。

充型階段為金屬液從升液口經(jīng)過澆道到充滿整個型腔的過程，此時的階段壓力P2 為：

式中：μ2 為充型的阻力系數(shù)，在充型階段由于型腔較為復(fù)雜，所以升液阻力要大一點，所以本文取1.5；h2 為型腔高度，為0.195 mm。所以充型壓力P2 為11 020 Pa，根據(jù)2.2.1節(jié)充型時間為9.5 s。

增壓階段主要為充型階段結(jié)束后，需要向液面繼續(xù)增大壓力，使型腔內(nèi)液體在壓力作用下繼續(xù)補縮和結(jié)晶，但是壓力不能過大，增壓壓力為：

式中：K為增壓系數(shù)，對于金屬型一般取1.3~1.6左右，本文取增壓系數(shù)為1.6；增壓速度為7 000 Pa/s，計算得出增壓壓力為17 632 Pa，增壓時間通過計算約為0.9 s。

保壓階段指在增壓階段完成后，壓力保持不變，直到鑄件成形為固態(tài)，在壓力的作用下保證鑄件質(zhì)量，所以保壓壓力P4 =P3 ，通過計算和模擬，本文保壓時間取100 s。

3.1.2 模具和澆注溫度的確定

低壓鑄造成形的產(chǎn)品強度和質(zhì)量與澆注溫度和模具溫度有著重要的關(guān)系，因此選擇合適的澆注溫度和模具溫度十分重要，參照低壓鑄造的經(jīng)驗，低壓鑄造的澆注溫度一般在680~730 ℃，模具溫度常見的在280~350 ℃。通過經(jīng)驗和模擬計算總結(jié)，初定澆注溫度為730 ℃，模具溫度為350 ℃。

3.2.1 充型過程的分析

方案一的充型過程如圖4所示。當(dāng)t=2.1s時，鋁液開始通過內(nèi)澆道進入型腔。當(dāng)t=3.4s時，此時由于鑄件的形狀特征左右側(cè)鋁液出現(xiàn)臺階面，在此過程中，金屬液流動不平穩(wěn)，金屬模具會容易受到?jīng)_擊，金屬液造成飛濺導(dǎo)致氧化夾渣缺陷的出現(xiàn)，當(dāng)液面繼續(xù)升高到薄壁部分入口時，臺階面趨于平穩(wěn)。當(dāng)t=11.4 s時，鋁液充滿型腔，充型過程結(jié)束。

圖4 方案一的充型過程

方案二的充型過程如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)t=1.9 s時，鋁液開始進入型腔，t=2.0 s時，右側(cè)內(nèi)澆道也開始進行充型。當(dāng)t=3.7 s時，此時兩股鋁液匯合，出現(xiàn)短暫的紊流但迅速恢復(fù)，可見圖5c、d。當(dāng)t=8.8 s時，鋁液進入薄壁部分，此時液面較方案一平穩(wěn)，如圖5e所示。當(dāng)t=11.1 s時，鋁液充滿型腔，充型過程結(jié)束，如圖5f所示。

圖5 方案二的充型過程

在進行充型時，兩種方案都比較符合一般低壓鑄造的自下而上的填充，但是方案一在充型時鋁液在壁厚變化較大的部位出現(xiàn)臺階面，方案二較為合理，但還需再做進一步優(yōu)化，且充型都提前完成，因此需要對壓力曲線進行修改。

3.2.2 凝固過程和缺陷的分析

在凝固過程中，金屬液在型腔中逐漸結(jié)晶，形成固液共存的狀態(tài)，金屬液存在一個臨界固相分?jǐn)?shù)，當(dāng)超過此臨界值，金屬液流動性將變差，以至于失去補縮能力，理論上取臨界固相分?jǐn)?shù)值為0.7。因此對兩種方案的凝固過程主要分析固相率變化，方案一和方案二的凝固情況分別如圖6和圖7所示。

圖6 方案一的凝固情況

圖7 方案二的凝固情況

圖6為方案一的凝固情況，由于金屬型的散熱能力較強，總體上凝固為由遠(yuǎn)及近開始凝固，但是當(dāng)開始凝固到圖6中A、B、C、D和E處位置時，這些位置的相對壁厚較周邊部位較大，當(dāng)周邊部位固相率超過臨界值時，金屬流動性變差，這些位置還沒有完全凝固，周邊部位就已經(jīng)無法對其進行補縮，出現(xiàn)孤立液相區(qū)。澆口到圖6的F處的補縮路線較為復(fù)雜，導(dǎo)致F處開始凝固時，補縮的路徑已經(jīng)開始凝固，補縮效果較差，導(dǎo)致F處產(chǎn)生孤立液相區(qū)，因此方案一最終可能會在這些部位出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷。圖7為方案二的凝固情況，圖7的A、B、C、D處和情況與方案一相仿，都是由于周圍部位先冷卻產(chǎn)生孤立液相區(qū)，但是凝固到圖7的F和G處，由于內(nèi)澆道形狀不同，較方案一凝固更早，因此在F和G處出現(xiàn)兩個孤立液相區(qū)，可能會出現(xiàn)缺陷。

圖8為兩種方案的縮松、縮孔位置示意圖，產(chǎn)生縮松、縮孔的地方為壁厚相差較大的部位，具體位置也在對凝固過程分析預(yù)測的位置處，方案一和方案二的縮松、縮孔體積分別為1.128 m³ 和0.295m³ 。

圖8 兩種方案的縮松、縮孔所在位置

4.工藝優(yōu)化

4.1　優(yōu)化方案

綜合比較兩種澆注系統(tǒng)，方案二較方案一在充型過程中較為合理且縮松、縮孔體積較小，所以選擇方案二并對其進行進一步工藝優(yōu)化。

在充型過程中，針對在鋁液充型30%的時候出現(xiàn)的短暫臺階面，調(diào)整兩個內(nèi)澆道的截面積，但保證總面積不變，這樣使得充型到該處時兩側(cè)液面更平穩(wěn)，減少因金屬液紊流、飛濺而導(dǎo)致的氣孔、氧化夾渣等缺陷。針對圖7F處產(chǎn)生的較大縮孔，調(diào)整左側(cè)內(nèi)澆道的位置，這樣澆道位置與出現(xiàn)缺陷的F處較近，便于補縮，改善此處內(nèi)縮孔情況。

由于距離澆口遠(yuǎn)處的薄壁部分厚度較為不均，較厚的部位在凝固之前周邊部位已經(jīng)凝固，無法進行補縮，針對由于此原因產(chǎn)生的縮孔，采用添加冷卻系統(tǒng)的方法，調(diào)整凝固時溫度場的分布，得到較好的凝固順序。冷卻系統(tǒng)采用水冷的方式，水溫選擇15 ℃。

對于孔部位的缺陷，由于此處厚度差異較大，因此在此處添加冷卻水管效果不太顯著，因此可以將孔處添加加工余量，將孔填上，后續(xù)再進行孔加工，添加的加工余量可以起到補縮的作用，再通過冷卻水管將縮松、縮孔的位置調(diào)整在加工余量范圍內(nèi)，后續(xù)孔加工時進行去除。

綜上所述并結(jié)合數(shù)值模擬，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果和具體的冷卻分布位置如圖9和圖10所示，冷卻水管的參數(shù)如表2所示。

圖9 優(yōu)化澆注系統(tǒng)示意圖

圖10 冷卻系統(tǒng)示意圖

表2 冷卻水管參數(shù)

4.2 方案驗證

對優(yōu)化后的工藝方案進行數(shù)值模擬，充型過程和凝固過程的溫度場如圖11所示。

圖11 充型過程和凝固過程的溫度場

可以看出，在充型時，兩股金屬液匯入一起，未出現(xiàn)臺階面的情況，并且在液面升到上側(cè)的薄壁部分時，金屬液平穩(wěn)上升，未出現(xiàn)紊流、飛濺的現(xiàn)象。在凝固時，除了較遠(yuǎn)處先進行凝固之外，由于冷卻系統(tǒng)的加入，出現(xiàn)縮孔的部位在周圍較薄的部位開始凝固之前已經(jīng)開始發(fā)生凝固，在周圍薄壁部分失去補縮能力后。同時，由于加工余量的設(shè)置，加工孔位置厚度增加，導(dǎo)致該處凝固緩慢，對周圍進行補縮。同時，由于左側(cè)澆注位置的改變，在凝固到底部兩個圓筒時，澆注口距離圖7F處預(yù)測會產(chǎn)生縮孔位置較近，可以有效的進行補縮。

工藝優(yōu)化成形后鑄件的縮松、縮孔分布如圖12所示，可以看出，由于工藝方案的改進，底部的縮松、縮孔全部轉(zhuǎn)移到了孔加工的部位，其他部位的縮松、縮孔也由于冷卻系統(tǒng)的增加得到了消除。

為進一步驗證優(yōu)化后的變速器操縱盒工藝方案的可行性，根據(jù)上述優(yōu)化方案對產(chǎn)品進行試制，試制產(chǎn)品如圖13所示，經(jīng)檢驗，產(chǎn)品整體質(zhì)量較好，內(nèi)外表面無裂紋、縮松、縮孔等缺陷，并且將零件剖開，觀察易產(chǎn)生縮松、縮孔的圖7中的F和G處，也無缺陷產(chǎn)生，與上述模擬結(jié)果相吻合，說明澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計較為合理。

圖12 工藝優(yōu)化成形后的鑄件的縮松、縮孔分布

圖13 變速器操縱盒試制品圖

5.結(jié)論

（1）根據(jù)鋁合金變速器操縱盒結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計出兩種工藝方案。對兩種方案進行數(shù)值模擬，分析充型、凝固過程和缺陷情況等，選擇綜合情況較好的方案二進行工藝優(yōu)化。

（2）通過改進澆注系統(tǒng)、添加冷卻系統(tǒng)等措施，實現(xiàn)鑄件順序凝固，從而消除了縮松、縮孔缺陷，滿足設(shè)計要求，為此類壁厚差異較大零件的工藝設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。

作者

顧方秋 蘇小平
南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院

本文來自:《鑄造》雜志