高壓鑄造雙離合變速箱殼體典型質量問題的解決

陳濤

摘? 要：東風鼎新動力系統科技有限公司的第一款雙離合變速箱產品DCT150是濕式雙離合變速器（以下簡稱DCT），其支撐殼體由離合器殼體及變速箱殼體構成，這兩個殼體由高壓鑄造方法生產，在產品開發及量產過程中經歷了較困難的質量改進歷程，毛坯綜合合格率由60%左右逐步提升到2020年底的95%水平，本文總結典型質量問題的解決方案。

關鍵詞：雙離合變速箱殼體;壓鑄件;典型質量問題;合格率

中圖分類號：U463? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）05-0079-06

Solving Typical Quality Problems Of Die Casting Dual-clutch Transmission Housing

CHEN Tao

（ Dongfeng Dinsin Powertrain Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430058， China）

Abstract： Dongfeng Dinsin Powertrain Technology Co.， Ltd.s the first production is DCT150 ， It is Wet Dual-clutch transmission （DCT） and its housing are constituted by clutch housing and transmission housing. Two housings are manufactured by high pressure die-casting， in the process of product development and mass production， we have experienced a difficult process of quality improvement， the comprehensive ok rate gradually increase from about 60% to the 95% by the end of 2020， The article summarizes solutions to typical quality issue.

東風鼎新動力系統科技有限公司（以下簡稱DPT）的濕式雙離合器變速箱，它采用了創新的級聯齒輪組、電動機械式換擋驅動系統和新型電動液壓離合器執行系統的雙離合變速器。其殼體毛坯采用高壓鑄造鋁合金制造，具有質量輕、強度高的特點;變速箱中有液壓泵、潤滑液、冷卻管和外部冷卻系統，對殼體綜合機械性能及密封性能均提出了較高的要求。本文對影響合格率較大的殼體變形、氣縮孔、泄漏合格率等質量問題的解決方式進行說明。

1? ? 變形問題的解決

如下圖1（a），DCT變速箱由高壓鑄造的鋁合金變速箱殼體及離合器殼體組成。使用材料為ADC12，其基本壁厚3.5mm左右。其中變速箱殼體如圖1（b），基本尺寸為485mm（長）×370mm （寬）×212 mm（高），體積：2481.5mm3，投影面積：134903mm2，凈重約6.7Kg，屬于薄壁深腔類型零件。綜合考慮模具制造加工工藝性，產品成型及生產過程的可靠性等因素，模具采用如圖1（c）布置形式，由三組滑塊、動模（外腔方向）及定模（內腔方向）構成，鑄件熱收縮率設計為1.0055%。

實際在壓鑄初始試模過程中在檢測時產品孔位位置度時，發現壓鑄出的產品位置度尺寸與設計要求差異較大（個別位置度超差30%以上），但排查檢查模具尺寸制造合格，收縮率與實際尺寸對比也符合收縮規律。為找到問題產生原因，采用3D掃描實物殼體與理論3D進行比較分析如圖1（d），掃描發現毛坯的基準定位區域發生變形，其變形量B區域為2.39mm，C區域為0.74mm。因產品是以毛坯A、B、C處的凸臺點為后續的加工定位基準及測量基準，此變形導致在測量時，其他尺寸投影到以A、B、C為基準的平面上時，各孔位位置度超差。

產生這一問題的原因分析：①高壓鑄造的模具設計原則之一是產品最終成型脫模后，產品留在動模上，這就要求作用在動模上的包緊力大于作用在定模上的包緊力，同時因為DCT產品的深腔特殊性，深腔的內型芯在定模上而外腔成型面在動模上，產品脫模時必然受到向定模方向的拉力;②模具在左、下、右三個方向有滑塊，在脫模前有輔助夾緊的作用，在上方B處支撐力最小，在熱收縮過程中，有整體上向腔體內凹的趨勢;以上兩個主要原因導致B處變形最大，C點次之。

解決此問題的改進方案為：在定模面增加定模頂出機構圖1（e）。在B處增加6個定模頂桿，在C處增加兩個定模頂桿，定模頂桿是靠復位桿頂出的，合模時動模平面把復位桿壓進定模內，開模時來自動模的壓力消失，后面的推板彈簧再把頂桿頂出來，主動推動產品從定模上脫出，從而實現抵消脫模變形。

經過模具的更改，成功減少了脫模變形。如圖1（f），B、C處的變形量均得到了有效控制，B點為+0.22mm，C點為+0.12，滿足對毛坯輪廓度0.7mm的要求，得以實現批量生產。

2? ? 殼體氣縮孔及泄漏問題的解決

眾所周知，高壓鑄造是將液態金屬施以一定壓力讓其快速充填到金屬模具型腔內，并在壓力下快速凝固而獲得鑄件的一種成形方法。但受制于產品設計及壓鑄工藝特點，在產品中仍不可避免地存在一些熱節區域或高風險氣縮孔區域，這是由于：

（1）壓力鑄造使用高壓將金屬液高速壓入型腔，在壓室或模具型腔中的氣體無法完全排出，這些氣體卷入金屬液，最終常以氣孔的形式存在于鑄件中;

（2）氣體在鋁液及固態鋁合金中的溶解度不同，在凝固過程中，必然析出氣體;

（3）金屬液在型腔中快速凝固，在不能進行有效補縮的情況下，鑄件的某些部位會產生縮孔或縮松。

以DPT陸續進入工裝樣件及小批量生產階段的產品為例（如圖7）：統計產品初始氣縮孔的不良率，最高能達到12.17%，其中氣縮孔大于3.5 mm的占總缺陷的15.71%、氣縮孔在1.5-3.5mm的占42.93%，這些氣縮孔又主要集中在一些螺紋孔及密封表面等部位，這些缺陷因會影響螺栓聯接強度、表面密封性等功能要求而報廢。

為解決這些問題，主要使用方法如下：

2.1? ?高壓點冷

適用于單獨深腔部位及較大型芯部位。這些結構的成型部位僅有個別深腔或是深腔部分單獨抽芯等，較少的模具被大量的鋁液包裹，極易造成模具過熱，引起粘模拉傷、熱裂紋等缺陷。因此需要對深腔模具通點冷卻水進行強制冷卻，通過1.0～1.5Mpa高壓水，對直徑大于4mm的型芯內部進行冷卻，保證冷卻水冷進熱出，可使型芯周邊組織先行凝固，形成致密層，從而減少縮松傾向。

如圖3，結合模擬及實際產品的統計分析數據，優化最終點冷布局，在模具上設置如圖3（d）的高壓點冷，有效控制了熱節區域的產品溫度，實現了產品的順序凝固，有效減小了氣縮孔的產生，保證了合格率。

2.2? ?局部擠壓

若產品結構設計壁厚不均或局部有大熱節點，在最后凝固的部位易出現縮孔，如下圖4（C）所示。這些產品內部發生的縮孔不能通過壓鑄工藝、增加冷卻方式等進行預防，這時可采用局部擠壓的方式進行解決。局部加壓結構示意圖見圖4（a），即在模具內直接安裝油缸，在熔融的金屬液填充入模具之后且未完全凝固前，金屬液在型腔中處于半固態時，在最后凝固的厚壁處通過擠壓桿施加壓力以強制補縮來減少或消除該處的縮孔缺陷，以獲得高質量的壓鑄件。

局部擠壓原理似乎簡單，但實際操作起來卻并不簡單，需要解決以下問題：

a.擠壓時間的確定：擠壓開始過早，金屬液還沒開始凝固，如果加壓則金屬液回流向其他部位，則加壓桿無法有效加壓;加壓開始過晚，金屬液已經凝固，則加壓桿壓力無法傳遞到產品內部或在擠壓表面產生擠壓裂紋;所以在型腔充型完成后延時0.8-2S或更多，應逐步通過工藝試驗確定最終的擠壓時間;

b.加壓壓力的確定：加壓壓力過小則起不到應有的作用，無法突破表層對內部施加補縮;加壓壓力過大，則浪費油缸和影響模具壽命;一般建議選擇比鑄造壓力大，通常在150Mpa-250Mpa。

c.加壓長度及擠壓體積的確定：加壓長度過短，無法消除縮孔缺陷，加壓長度過長，則造成能量浪費。在確定加壓長度之前，我們需明確實際需要的壓縮體積。設熱節處金屬的質量為Q，局部增壓以前的體積為V1，密度為ρ1;增壓后的體積為V2，密度為ρ2，則有：Q=ρ1×V1=ρ2×V2;Vmax=V1-V2=V1（1-ρ1/ρ2）。

則加壓桿長度：L=4Vmax/πD2且L/D<1.5。

2.3? ?二級擠壓

二級擠壓是設定雙行程油缸，第一行程完成初預鑄孔位部分成型，當型芯周圍鋁液逐步凝固時，再啟動二次擠壓動作，最終實現預鑄及擠壓的雙重效果。以變速箱殼體為例，項目初期變速箱殼體氣密測試合格率不足70%，泄漏部位分布經分析主要為如下圖1#油道及4#油道交叉處（圖5紅色圓圈處）。

因此改進主要的實施方法為使用二級擠壓，具體實施方案如下：

1、擠壓行程：擠壓行程按局部收縮體積計算約為12mm。

2、擠壓延時：在通過CAE分析并結合實際壓鑄表現后，為充分驗證最合理的擠壓延時，我們從4.0-6.0秒，按間隔0.5秒，分別驗證5組擠壓延時的改善效果，以加工驗證60件的氣密檢測結果為準，結果如下：

這一工藝的采用，泄漏氣密合格率成功提高到了96%。

2.4? ?澆注系統優化

金屬壓鑄模澆注系統是將壓鑄機壓室內熔融的金屬液在高溫、高壓、高速的狀態下，填充壓鑄模型腔的通道。它包含直澆道、橫澆道，內澆口以及溢流排氣系統等。它們在引導金屬液填充型腔的過程中，對金屬液的流動狀態、速度和壓力的傳遞、排氣效果以及壓鑄模的熱平衡狀態等方面都起著重要的控制和調節作用，因此，澆注系統是決定壓鑄件表面質量以及內部顯微組織狀態的重要因素。澆注系統的設計及最終定型必須采取理論與實踐相結合的方法。

對于雙離合變速器殼體模具的初始設計評審中，對澆排系統的評審重點關注如下方面：（1）澆排系統位置應使金屬液的流程盡可能短，以減少填充過程中金屬液能量的損失和溫度的降低;（2）澆口位置應使金屬液流至型腔各部位的距離盡量相等，以達到各個分割的遠離部位同時填滿和同時凝固;（3）盡量減少和避免金屬流過多的曲折和迂回，從而達到包卷氣體少、金屬流匯集處少和渦流現象少的效果;（4）金屬液進入型腔后，不應過早地封閉分型面、溢流槽和排氣道，以便于型腔內氣體有序地順利排出;（5）從內澆口進入型腔的金屬液流，不應沖擊型芯、型壁或螺紋等活動型芯;（6）從內澆口進入型腔的金屬液流，應首先填充深腔處難以排氣的部位，避免因卷裹氣體而產生壓鑄缺陷;（7）澆排系統位置應使澆口余量易于切除和清理。內澆口與型腔連接處應以圓弧或小圓角過渡連接，同時也可考慮增設小平臺方式防止去澆口時的崩缺。

改進實例：

2017年12月DPT離殼毛坯共計生產21287件零件，總共產生料廢937件（4.4%），其中電機孔端面氣縮孔415件，占料廢的比例為44.29%（總合格率的1.95%），分析主要產生原因為：電機孔120區域為澆口下方區域，鋁液填充后從下方回流到此區域，造成局部卷氣而形成氣孔缺陷。

改進方法，在主澆道下方引入一股澆道，在填充開始時就對電機孔處填充，避免回流卷氣。方案實施后，通過加工4180件驗證，其中120電機孔端面廢3件，此處的廢品率由1.95%降低到了0.07%。

2.5? ?工藝優化

壓鑄工藝是將壓鑄機、壓鑄模和金屬液按照預先選定的工藝程序和工藝參數有機地結合和運用并借助動力驅動獲得壓鑄件的熱加工工藝過程。需綜合考慮各種因素，如壓力（包括壓射力、壓射比壓、脹型力、鎖模力）、壓射速度（包括沖頭速度、內澆口速度等、填充速度等）、各種溫度（金屬液的融化溫度、壓鑄溫度、模具溫度等）、各種時間（充型時間、保壓時間、留模時間等）、模具的熱學性質（傳熱率、熱容率、溫度梯度等）、金屬液的鑄造性能及熱學性能等。這其中起主導作用的是壓鑄壓力、充型速度、充型特性以及模具的熱學性質。

下表1示例為在同等模具狀態情況下進行不同工藝參數實驗的合格率變化情況的部分數據，為保證量產，應摸索出適當的工藝參數用以批量生產。

在固化工藝，模具等之后，穩定合格率的重要措施是對重點區域的模具溫度建立監控體制，每班次記錄重點區域溫度并跟蹤，避免系統性溫度差異，并通過數據摸索，逐步壓縮溫度區間值，找到真正合格率最優方案。

2.6? ?創新方法的使用

為解決DCT變速箱殼體特定部位內部疏松部位的泄漏問題，經過供需雙方確認，開創性的使用了冷鋁嵌塊的解決方案。即在產品填充前產品內部裝入一鋁嵌塊如圖9，充填凝固后此嵌件留存在零件實體內部，以解決局部收縮縮松的問題。

總結：東風鼎新動力系統科技有限公司從2016年開始小批量投產，到2020年底投產DCT150 及DCT200兩個平臺系列共計十余種DCT雙離合變速箱產品，目前共計生產30余萬套，變速箱殼體總體合格率從60%提升到目前平均95%，主要最大生產量的產品達到98%以上的合格率，在此期間DPT與DPT的供應商們一起經歷了改善提升之路，也真正實現了各種鑄造工藝及技術的嘗試及方法更新，有效提升了各自的水平，摸索出一條DCT變速箱高壓鑄造殼體的質量提升之路，創造出良好的企業價值及社會價值。

參考文獻：

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