原標(biāo)題：鋁合金變速箱殼體低壓鑄造工藝優(yōu)化

摘要

對(duì)鑄件某型號(hào)變速箱殼體原低壓鑄造工藝的充型、凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察鑄件易產(chǎn)生卷氣、縮松等缺陷部位，并分析原因。根據(jù)模擬分析結(jié)果提出提高澆注溫度與澆注速度、增大頂部冒口尺寸、增加冷鐵數(shù)量的優(yōu)化措施。通過對(duì)優(yōu)化后的鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬、生產(chǎn)試制和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化措施的可行性，有效避免缺陷的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升目標(biāo)。

變速箱殼體是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心零件之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，通過它將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的零部件聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體。隨著我國軌道交通技術(shù)水平不斷提升，以鋁代鐵、代鋼進(jìn)程大大加快，齒輪箱材料由傳統(tǒng)的球墨鑄鐵或灰鑄鐵向鋁合金轉(zhuǎn)變，可有效減小簧下質(zhì)量，提高運(yùn)行品質(zhì)。雖然變速箱殼體的低壓鑄造工藝已被廣泛應(yīng)用，但在鑄造過程中仍會(huì)不可避免地出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷，原因在于鑄造過程中參數(shù)的選擇和調(diào)整。現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可直觀有效地表現(xiàn)鑄件的充型凝固過程以及預(yù)測(cè)缺陷分布。如彭玲玲使用FLOW-3D對(duì)變速箱殼體充型過程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)了腔體的卷氣情況，并進(jìn)行工藝改進(jìn)。樸俊杰等人通過ProCAST模擬了汽車支架的充型和凝固過程，基于結(jié)果采取局部加壓優(yōu)化措施，解決了鑄件縮孔縮松缺陷。馬運(yùn)安等人通過Anycasting得到箱體鑄造過程的充型速度、充型溫度、凝固液相區(qū)及收縮缺陷分布情況，并進(jìn)行相應(yīng)工藝優(yōu)化消除了內(nèi)部缺陷?？梢姵浞掷糜?jì)算機(jī)仿真技術(shù)來開發(fā)鑄件，可有效發(fā)現(xiàn)鑄件缺陷產(chǎn)生的部位及形成原因，以便采取相應(yīng)工藝改進(jìn)措施。

本文以某型號(hào)鋁合金齒輪變速箱殼體為研究對(duì)象，運(yùn)用仿真軟件對(duì)原低壓鑄造工藝充型及凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察卷氣、縮松等缺陷易產(chǎn)生部位并分析原因，從而進(jìn)行相應(yīng)工藝改進(jìn)，開發(fā)出高質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)的變速箱殼體工藝。

1變速箱殼體技術(shù)條件

殼體三維模型如圖1所示，其外觀尺寸為1457mm×601mm×411mm，單重66kg。性能方面要求抗拉強(qiáng)度≥297 MPa，屈服強(qiáng)度≥230 MPa，伸長率≥11%；射線探傷要求關(guān)鍵部位沒有孔洞類缺陷；鑄件表面不允許有氧化皮、冷隔、裂紋等缺陷。

圖1 鑄件三維圖

本型號(hào)鋁合金齒輪變速箱殼體材料選用A356鋁合金，鋁合金成分見表1。

表1 A356鋁合金化學(xué)成分 wB/%

2原始工藝數(shù)值模擬與分析

2.1 原始工藝方案

如圖2所示，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚分布不均，最小壁厚位置位于底部外沿，僅為4 mm，最大壁厚位置位于底部與側(cè)面凸臺(tái)以及表面筋條處，達(dá)到28 mm。由于鑄件力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量（尤其指定區(qū)域）要求高，表面不允許有夾渣、氧化皮等缺陷，需要嚴(yán)格控制充型過程的速度、排氣以及充型完成后各部位的凝固時(shí)間，達(dá)到平穩(wěn)充型、順序凝固的目的，以此消除卷氣、夾渣、縮孔縮松等缺陷。

圖2 鑄件壁厚

鋁合金齒輪變速箱殼體采用低壓鑄造工藝方案（圖3），澆注系統(tǒng)為開放式，具有金屬液流動(dòng)平穩(wěn)、對(duì)砂型沖刷力小的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少氧化物產(chǎn)生。其中直澆道截面積為7 850 m㎡，橫澆道截面積為12 448 m㎡，內(nèi)澆道截面積為60 660 m㎡。設(shè)計(jì)隨形冒口，其中頂部冒口為明冒口，其余為暗冒口，在冒口無法補(bǔ)縮到的厚壁部位放置冷鐵，冒口及鑄件型腔拐角處布置排氣通道，直澆道內(nèi)置高硅氧玻璃纖維過濾網(wǎng)。

圖3 鑄造模型

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

鑄件本體與冷鐵材料選用A356鋁合金，砂型材料選用40~70目水洗海砂，基于仿真軟件對(duì)充型過程及凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中A356鋁合金熱物性參數(shù)見表2，水洗海砂熱物性參數(shù)見表3。

表2 A356鋁合金熱物性參數(shù)

表3 水洗海砂熱物性參數(shù)

采用總體平均網(wǎng)格劃分法，總網(wǎng)格數(shù)5 802 060，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

鑄件與砂型間的界面熱交換系數(shù)及鑄件與冷鐵之間的界面熱交換系數(shù)設(shè)置如圖5所示，冷鐵與砂型之間的界面熱交換系數(shù)為500 W/（㎡·K）；砂型與冷鐵初始溫度30 ℃；充型工藝參數(shù)如表4所示，鑄件冷卻方式為空冷。

表4 充型工藝參數(shù)

圖5 傳熱系數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 充型模擬分析

充型過程數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，鑄件型腔充滿時(shí)間為31.56 s。由圖6（a）可以看出，當(dāng)充型時(shí)間為7.96 s時(shí)，金屬液在氣體壓力作用下充滿內(nèi)澆道，隨后開始充型鑄件型腔。如圖6（b）、6（c），金屬液通過內(nèi)澆道后以層流形態(tài)緩慢向上填充，過程平穩(wěn)有序、無明顯卷氣現(xiàn)象產(chǎn)生。如圖6（d），當(dāng)充型時(shí)間為30.26 s時(shí)，金屬液前端已有部分區(qū)域溫度低于液相線，為保證金屬液在充型時(shí)具有較好的流動(dòng)性，需適當(dāng)提高澆注溫度與澆注速度。

圖6 充型過程數(shù)值模擬結(jié)果

2.3.2 凝固模擬分析

鑄件在不同凝固時(shí)間的溫度場(chǎng)如圖7所示，主體凝固完成整體用時(shí)2 242.42 s，凝固進(jìn)程較慢。如圖7（a），首先凝固位置為冷鐵接觸部位及鑄件側(cè)面扇形區(qū)。如圖7（b），當(dāng)凝固進(jìn)程行進(jìn)至277.77 s時(shí)，頂部冒口周圍金屬液已處于固相線，阻斷澆口對(duì)頂部的補(bǔ)縮作用，結(jié)合圖8殘余熔體體積可知，在鑄件筋條部位產(chǎn)生體積較大的孤立液相區(qū)，該部位凝固后容易出現(xiàn)縮孔縮松，直接影響到鑄件的最終成形質(zhì)量與力學(xué)性能。如圖7（d），當(dāng)凝固時(shí)間為2242.42s時(shí)，頂部冒口因補(bǔ)縮所剩余量過小，易使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔類缺陷。

圖7 凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖8 殘余熔體體積

3工藝優(yōu)化方案及分析

3.1 工藝優(yōu)化

針對(duì)缺陷位置及特點(diǎn)，進(jìn)行工藝改進(jìn)及優(yōu)化，方案如下。

（1）原工藝充型完成時(shí)溫度偏低，提高澆注溫度至700 ℃，提高充型壓力至42 kPa、結(jié)殼壓力至44kPa。

（2）鑄件主體凝固速度相差較大，結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，鑄型中冷鐵數(shù)量較少、布局分散、導(dǎo)致鑄件熱傳遞不均勻，存在局部過快或局部過慢凝固的問題，且頂部冒口余量過小，在壁厚差較大的拐角及厚壁位置易產(chǎn)生縮孔類缺陷。優(yōu)化工藝采取加大頂部冒口尺寸與高度措施，同時(shí)在各冒口遠(yuǎn)端及鑄件底部的厚壁位置增加隨形冷鐵，冷鐵厚度為接觸部位壁厚的2倍，加快主體凝固速度、縮短冒口補(bǔ)縮距離，減少或消除缺陷產(chǎn)生。優(yōu)化后鑄件鑄造模型如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后鑄造模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 優(yōu)化后充型模擬分析

從圖10中看出優(yōu)化后鑄件充型過程和優(yōu)化前基本保持一致，充型完成時(shí)間為16.26 s，過程平穩(wěn)，無明顯卷氣現(xiàn)象產(chǎn)生。充型完成時(shí)金屬液溫度處于液相線以上，說明具有流動(dòng)性良好。

圖10 優(yōu)化后充型過程數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.2　優(yōu)化后凝固模擬分析

如圖11所示，優(yōu)化后鑄件主體凝固時(shí)長縮短為1058.22s。結(jié)合圖12觀察鑄件凝固過程中金屬液的殘留情況，可以看出鑄件各部位凝固速度加快，過程中未產(chǎn)生與冒口或澆口斷開連接的孤立液相，凝固完成時(shí)各冒口余量正常，利于補(bǔ)縮，減小縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生的概率。

圖11 優(yōu)化后凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖12 優(yōu)化后殘余熔體體積

4試制驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化工藝的可行性，使用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行試制。將A356合金錠放入石墨粘土坩堝中，利用井式電阻爐加熱熔化并升溫至740 ℃；采用HGJ-3精煉劑進(jìn)行精煉處理，撇去浮渣；隨后，將熔體降溫至720 ℃，以Al-10Sr中間合金的形式向熔體中加入Sr元素（0.02%）進(jìn)行變質(zhì)處理，攪拌并降溫至700 ℃保溫10 min后，除去表面浮渣；使用表5所示參數(shù)進(jìn)行澆注。

表5 試制工藝參數(shù)

鑄件充型凝固后自然空冷，如圖13所示，外觀檢查無明顯鑄造缺陷；力學(xué)性能滿足抗拉強(qiáng)度≥297MPa，屈服強(qiáng)度≥230 MPa，伸長率≥11%；通過X射線探傷GB/T 5677—2018檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，內(nèi)部良好，未發(fā)現(xiàn)明顯縮松和縮孔現(xiàn)象。滿足規(guī)定技術(shù)要求。

圖13 鑄件外觀

圖14 X射線檢測(cè)

5結(jié)束語

通過CAE仿真軟件對(duì)變速箱殼體鑄件充型及凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鑄件充型過程的流態(tài)以及凝固趨勢(shì)；預(yù)測(cè)卷氣夾雜、熱節(jié)以及孤立液相可能出現(xiàn)的部位，進(jìn)行相應(yīng)的工藝優(yōu)化，減少縮孔縮松等缺陷
產(chǎn)生的概率，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。

適當(dāng)提高澆注溫度至700~710 ℃，提高充型壓力至42kPa、結(jié)殼壓力至44kPa，保證金屬液充型過程的流動(dòng)性，提高充型質(zhì)量。通過加大冒口尺寸與增加冷鐵數(shù)量，有利于加快鑄件熱節(jié)處的冷卻速度，增強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮作用，實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固，降低縮孔縮松及氣孔等缺陷產(chǎn)生的概率。通過實(shí)際試制生產(chǎn)，驗(yàn)證了上述工藝改進(jìn)的有效性及可行性。

作者：

王亮
洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司
劉中令
鄭機(jī)所（鄭州）傳動(dòng)科技有限公司

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴