離合器殼體砂型低壓鑄造工藝的研究

吉 宏，于 濤

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

本次開發的變速箱上的鋁合金離合器殼體，在試制階段要求在45天內交付60件合格毛坯，費用控制在20萬以下。為滿足高質量、短周期、低成本的試制要求，選擇合適的鑄造工藝非常關鍵。

鋁合金離合器殼體毛坯在量產階段通常采用金屬型高壓鑄造工藝，模具成本高、制造周期長，不能滿足試制階段項目開發進度和成本要求。公司在以往的試制階段一般采用砂型重力鑄造工藝，模具成本低、試制周期短，但是對于離合器殼體這種外形尺寸大、壁厚不均勻的薄壁件，其澆注系統設計復雜、造型難度高、工藝出品率較低；另外，由于砂型溫度低，在澆注過程中鋁液降溫幅度大，在薄壁部位容易產生澆注不足或冷隔缺陷，在厚大部位，即使采用冒口補縮，其作用也比較有限，易產生縮松缺陷。而為此提高澆注溫度又會帶來熔體含氣量高，容易產生縮孔等缺陷的問題，其毛坯質量不能滿足試制要求。

低壓鑄造也是汽車零部件生產中常用的鑄造工藝，一般采用金屬型結合砂芯的方式來實現復雜鑄件的生產。低壓鑄造相對重力鑄造而言，金屬液在壓力下充型和結晶，具有充型平穩、澆注過程及工藝參數可自動控制等特點，用低壓鑄造工藝生產鑄件具有合格率高、質量穩定及出品率高等特點，但是金屬型低壓鑄造的模具費用和制造周期還是不能滿足試制要求。

本文提出采用樹脂砂型低壓鑄造工藝的設想，將低成本的樹脂砂型和低壓鑄造工藝有機的結合，達到低成本、高質量、短周期的試制目的，通過對離合器殼體鋁合金鑄件的結構分析，結合砂型低壓鑄造工藝原理，設計鑄件低壓鑄造澆注系統和低壓鑄造工藝方案。利用計算機數值模擬技術對鑄件進行充型、凝固、缺陷模擬，根據模擬結果，修正鑄件澆注系統和工藝方案。

1 鑄件結構分析

離合器殼體結構如圖1所示。

1.1 產品技術要求

鑄件定義材料：AlSi8Cu3Mg，硬化處理200±10°、保溫3小時，鑄件的抗拉強度≥200 MPa、延伸率0.5～1.5%、布氏硬度≥80 HB，不得有氣孔、夾渣、縮孔、裂紋、縮松等缺陷；1個大氣壓、20℃情況下，每分鐘不超過20 ml泄漏量。

殼體最大外形尺寸 X×Y×Z=410×364×206 mm，基本壁厚4 mm，凸臺最厚40 mm，筋條最高54 mm，鑄件重量9.2 kg。

1.2 工藝可行性分析

鑄件材料AlSi8Cu3Mg中Si含量為7.5%～8.5%、Cu含量為 2.8%～3.5%、Fe含量為≤3.5%，Si的成分含量高，容易形成硬點，切削性變差；Cu的成分含量高，容易發生熱裂；Fe的成分含量高降低了合金的流動性。因此材料更改為ZL101A（即AlSi7MgA）［5］， 該合金主要是采用高純度原材料，降低各種雜質含量，其中Cu≤0.1%，Fe≤0.2%，鑄造性能優良。熱處理的方式更改為T6熱處理，即固溶處理8小時，人工時效5小時，ZL101A經T6熱處理后抗拉強度、延伸率、硬度可滿足設計需求。

該殼體的鑄造難點是外形尺寸大、薄壁且壁厚不均勻。采用金屬型壓鑄工藝完全能夠滿足生產要求，而對于砂型鑄造而言，由于鑄型在常溫下澆注，鑄型溫度低，4 mm的壁厚相對過薄，在常規重力澆注下很難保證鑄件成型完整。而一些厚大部位，特別是螺栓連接部位，在壓鑄時可以用型芯保證不至于壁厚過厚，同時壓鑄工藝上可以采用布置冷卻通道的手段進行規避，而砂型鑄造時這些孔難以成型，一般采用填平后續加工的方法完成，這就人為加大了鑄件壁厚的不均勻性。鋁合金屬于低密度合金，在重力作用下的補縮作用有限，因此在厚大部位產生縮松缺陷很難避免。而采用低壓澆鑄工藝，合金液澆注時在可控的壓力作用下充型，大大提高了金屬液的充型能力和補縮能力，輔之以冒口進行補充，有效地減少或避免縮孔縮松等鑄造缺陷，提高鑄件質量。

2 低壓鑄造原理

低壓鑄造是指液態金屬在壓力作用下，自下而上地充填型腔，并在壓力下結晶、凝固、成形的一種鑄造工藝方法。由于所加的壓力較低（22～70 kPa），所以稱之為低壓鑄造［2］［3］。 低壓鑄造屬于反重力鑄造工藝中的一種，圖2是低壓鑄造的基本原理示意圖。

如圖2所示，在裝有合金液的密封坩堝內，通入干燥的壓縮空氣，其作用在保持一定溫度的合金液面上，使得坩堝和型腔之間產生壓力差，合金液沿升液管經澆道自下而上充滿型腔，待型腔充滿后，增大坩堝內氣壓，并保壓至鑄件完全凝固成形，然后卸除坩堝內壓力，使升液管和澆道中未凝固的合金液回流到坩堝中，即完成了一個低壓鑄造工藝過程，冷卻后脫模獲得所需鑄件。

本次試制采用樹脂砂型低壓鑄造工藝，樹脂砂固化后強度高，完全能夠滿足壓力下成型的要求［4］。樹脂砂經充分混合后在鋁質模具中造型固化，脫模后再進行組芯合模，由于鑄型內腔要承受一定壓力，鋁液極易從分型面流出或射出，因此要采用夾具將鑄型固定牢固。

3 低壓鑄造工藝設計

為保證鑄件符合質量要求，經過詳細技術分析后，采用樹脂砂造型和開放式澆注系統，在進行低壓鑄造工藝設計時，根據低壓鑄造理論曲線確定工藝參數，利用計算機模擬結果修正工藝參數，確定澆注工藝。

3.1 澆注系統

澆注系統是金屬液流入鑄型型腔的通道，是控制鑄件質量關鍵因素之一，冒口的主要作用是補縮鑄件，通過對鑄件結構、使用要求分析，設計鑄件澆注系統及冒口見圖3所示。

由于離合器殼體基本壁薄只有4 mm，為防止飛濺，要在保證速度不高的情況下（防止噴濺）在短時間內完整充型，就要布設更多的內澆口，澆口的位置在鑄件整體的最大壁厚部位，即在殼體大端面，如圖3（左）。

按低壓鑄造特點鑄件總體保持自上而下的順序凝固，具體凝固順序為：鑄件—內澆道—橫澆道—直澆道—升液管，由于該鑄件中間部分壁厚薄而上下法蘭面的厚度厚，很難做到在壓力下順序凝固。為此在鑄件的小端面（即上表面）設置若干冒口，如圖3（右）。

3.2 砂芯造型

根據鑄件形狀和澆冒口系統設計，按造型合格率高、組芯精度高的原則，將鑄型設計為下型、上型、頂芯和五個側芯。砂型（芯）采用樹脂砂造型，成型模具采用鋁合金模具。鋁合金模具的優點是：尺寸精度高、容易起模、表面光潔、耐腐蝕，模具壽命滿足試制以及小批量要求而成本低廉。樹脂砂澆注時發氣量小，可減少鑄件中的氣孔和氧化夾渣等缺陷，提高鑄件合格率，圖4給出了部分砂型、砂芯、側芯及合箱后狀態。

3.3 確定低壓澆注工藝參數

3.3.1 澆注溫度

由于合金液在壓力作用下充型，其充型能力高于重力澆注，合金液在密封狀態下澆注，散熱慢，其澆注溫度可比一般鑄造方法低 10℃～20℃［6］。澆注溫度根據鑄型條件、鑄件壁厚、鑄件結構及合金種類等條件確定，在保證鑄件成形的條件下，溫度較低為宜，因為澆注溫度低可以減少合金液的吸氣和收縮，使鑄件產生氣孔、縮孔、縮松、內應力、裂紋等缺陷的概率減少，本鑄件的澆注溫度取730℃左右。

3.3.2 充型、凝固壓力與時間

砂型低壓澆注理論曲線見圖5，整個低壓澆注過程包括四個階段［1-3］。

（1）加壓充型階段

充型壓力和充型速度是低壓鑄造的主要工藝參數，直接影響鑄件質量。根據巴斯葛原理P=ρgH可以計算出充型壓力，P=密度×重力加速度×高度差，ρ為鋁液的密度2 400 kg/m3，g為重力加速度9.8 m/s2，H高度差，是鑄件高度、澆道高度、升液管高度之和為1.47 m，計算出充型壓力P1為34.6 kPa。充型時間是鑄件高度除以充型速度得到，充型速度根據鑄型種類和鑄件結構初步確定為40 mm/s，鑄件高度為206 mm，理論計算充型時間為5.1 s。

（2）保壓結殼階段

保持充型壓力一段時間，使鑄件表層形成一定厚度殼，在增壓結晶時可以避免合金液滲入砂型中，減少機械粘砂機會［6］。在不產生粘砂和跑火的前提下結殼時間越短越好。

（3）加壓凝固階段

鑄件結殼后在充型壓力P1的基礎上增加壓力至結晶壓力P2，使鑄件在壓力下結晶凝固。結晶壓力越高鑄件組織越致密，但受砂型強度的限制，壓力不能太高，根據經驗取凝固壓力45 kPa。

（4）保壓凝固階段

保持結晶壓力P2一段時間使鑄件完全凝固。保壓時間長短對鑄件質量和生產效率有明顯影響。保壓時間與鑄件結構、鑄型條件等有關，通常取鑄件凝固后，殘留澆道長度一般控制在20～50 mm為宜。到目前為止，保壓時間的確定沒有較方便實用的計算公式，在鑄件凝固模擬時可以通過模擬凝固狀態，初步得到鑄件保壓時間。

3.4 充型、凝固過程模擬

利用國際上著名的Magmasoft鑄造CAE軟件，對離合器殼體鑄件進行低壓鑄造充型、凝固模擬，根據模擬結果預測鑄件產生氣孔、縮孔、疏松缺陷的部位及大小，從而對澆注系統進行修正同時判斷理論工藝參數的合理性。

3.4.1 充型過程溫度場模擬

充型過程溫度場模擬結果，見圖6。

從圖6可以看出，充型初期，溫度分布較為均衡，底部法蘭面的溫度下降較少，鋁水到達中部薄壁部位后，溫度下降較快，有近百度的降低，但是并沒有達到固相線以下，不會形成冷隔等缺陷。因此，在制定充型工藝時，保壓結殼階段無法實施，在實際生產中取消保壓結殼階段，即充型滿后，直接加壓至結晶壓力。

3.4.2 充型過程速度模擬

充型過程溫度場模擬結果，見圖7。

從圖7可以看出，鋁液在整個充型過程的速度基本保持在50 cm/s以下。充型較為平穩，沒有出現液面上下起伏和噴濺現象，如果出現液面起伏和噴濺現象，將會形成分層以及冷豆的缺陷。因此整個充型階段的壓力控制較為理想。

3.4.3 凝固過程溫度場模擬

凝固過程溫度場模擬結果，見圖8。

從凝固過程可以清楚的看到，由于鑄件中間部分壁厚薄而上下法蘭面的厚度厚的原因，很難做到在壓力下順序凝固。從t=250.120 s溫度場可以看到，中間部分凝固后上面的法蘭處還有液相存在，該液相將會在凝固過程中出現縮松。因此，在該部位布置冒口是必要的手段。

t=382.480 s時，鑄件本體已經完全凝固，此時保壓已經沒有任何效果。而在t=323.480 s時，鑄件本體仍然有液相存在。因此，t=383 s左右理論上是最好的泄壓時間，但是在此時泄壓，將會導致橫澆道以及直澆道被抽空，鋁水在該部位形成空殼，不是很好清理，而在下次加壓時，前次形成的空殼會導致鑄件產生夾雜缺陷。

在t=414 s時，澆道幾乎全部凝固，此時泄壓，澆道形狀飽滿，不至于對下次加壓產生影響。

3.5 模擬后修正工藝參數

3.5.1 澆注系統修正

參照凝固過程溫度場模擬結果在小端面法蘭處有液相存在，須在該部位布置冒口，避免出現縮松缺陷。

3.5.2 澆注過程工藝曲線修正

參照充型過程溫度場模擬結果，保壓結殼階段無法實施，取消保壓結殼階段，修正后的澆鑄過程工藝曲線如圖9所示。

3.5.3 澆注工藝參數對比

從充型、凝固過程模擬結果可以得到修正后的工藝參數，對比如表1所示。

按照模擬結果確定的工藝參數，對生產進行指導，得到的鑄件表面光潔，無氣孔、澆不足、冷隔缺陷，也沒有因為壓力過大出現粘砂現象。圖10為零件需要加工的面的橫切照片及機加工后的成品件，可以看出鑄件內部沒有出現氣孔、縮孔、疏松、夾渣和針孔等缺陷。

表1 修正前后的工藝參數對比

4 結論

離合器殼體采用樹脂砂造型，低壓澆注工藝成型，輔之以鑄造CAE手段進行工藝設計、工藝參數指導及缺陷預測，能夠快速生產出表面光潔，內部無缺陷的高質量鑄件，鑄件的力學性能滿足設計要求而且成本低廉。這種工藝方法對其他薄壁鑄件的快速試制具有極大指導意義和推廣價值。

［1］邱孟書，王小平，等.低壓鑄造實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］鑄造手冊 第三版編委.特種鑄造分冊［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［3］田榮璋.鑄造鋁合金［M］.湖南：中南大學出版社，2006.

［4］約翰·坎貝爾.鑄造原理［M］.北京：科學出版社，2011.

［5］胡忠，張啟勛，高以熹，等.鋁鎂合金鑄造工藝及質量控制［M］.北京：航空工業出版社，1990.

［6］羅庚生，張志忠，呂有綱等.低壓鑄造［M］.北京：國防工業出版社.1989.

［7］鑄造手冊 第三版編委.造型材料分冊［M］.北京：機械工業出版，2011.