液力變速器殼體壓鑄工藝研究及優(yōu)化

白丹，樊小龍

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 陜西寶雞 722409

1 序言

近年來(lái)，隨著產(chǎn)品向輕量化方向發(fā)展，高強(qiáng)度、高韌性優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件被大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)中重型商用車正快速實(shí)現(xiàn)全鋁合金化。液力自動(dòng)變速器（AT）是相對(duì)于手動(dòng)變速器出現(xiàn)的一種能夠自動(dòng)根據(jù)引擎?zhèn)鬟f換擋的變速器[1]。其基本組成有液力變矩器、行星輪系、離合器及殼體等部件[1]。一方面，在安全性、易駕駛性、舒適性等方面遠(yuǎn)勝于手動(dòng)擋變速器[2]。另一方面，隨著對(duì)變速器性能要求的不斷提高及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，變速器殼體結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，精度要求越來(lái)越高。殼體是變速器的關(guān)鍵零件，壓鑄毛坯質(zhì)量直接影響后期加工質(zhì)量，從而影響變速器的整體性能。

本文以液力自動(dòng)變速器殼體為研究對(duì)象，分析生產(chǎn)中存在的鑄造缺陷，并進(jìn)行優(yōu)化，為該鑄件的大批量生產(chǎn)提供了工藝參考價(jià)值[3]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 鑄件及試驗(yàn)材料

變速器殼體鑄件如圖1所示，外形尺寸為365mm×456mm×460mm，鑄件質(zhì)量約24kg，平均壁厚6mm，鑄件存在多路深腔高壓油道，壁厚變化大，鑄件尺寸精度要求較高，需預(yù)鑄結(jié)合齒，對(duì)鑄造精度提出了很大挑戰(zhàn)。

材料為ADC12鋁合金，化學(xué)成分見(jiàn)表1。選用布勒Cara440臥式冷室壓鑄機(jī)，采用一模一件的方式生產(chǎn)，鑄件三維實(shí)體模型如圖1所示。

表1 ADC12鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 變速器殼體鑄件結(jié)構(gòu)

2.2 研究方法

自動(dòng)變速器與手動(dòng)變速器相比，由于工作腔內(nèi)壓力更高，尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量都存在較高要求，因此研究其鑄造缺陷產(chǎn)生的原因并提出改進(jìn)措施，分析優(yōu)化工藝方案，最終獲得幾何精度高和無(wú)缺陷的鑄件。

3 分析與討論

3.1 壓鑄工藝設(shè)計(jì)及模流分析

合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，使金屬液充型平穩(wěn)，提高鑄件質(zhì)量[4]。由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且平均壁厚僅為6mm，氣密要求高，因此設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)至關(guān)重要。工藝方案設(shè)計(jì)如圖2所示，毛坯單重23.9kg，澆道重量9.8kg，渣包重量4.2kg，內(nèi)澆道總面積2824mm2。

圖2 液力自動(dòng)變速器殼體工藝方案設(shè)計(jì)

殼體內(nèi)腔存在較大高度差，為保證內(nèi)腔同軸度，因此將澆口布置在鑄件兩側(cè)面進(jìn)液，流道角度相對(duì)產(chǎn)品面。此方案相對(duì)來(lái)說(shuō)流態(tài)較好，對(duì)內(nèi)壁的沖刷較小，到達(dá)各個(gè)區(qū)域的填充較易受控。模流分析如圖3所示。

圖3 模流分析結(jié)果

殼體模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于噴霧的局限性，很多部位不能有效噴涂。一方面，模具采用模內(nèi)噴涂技術(shù)，減少滑塊黏鋁及冷隔缺陷；另一方面，采用大量高壓點(diǎn)冷型銷，改善熱節(jié)處縮孔，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

實(shí)際加工后鑄件存在較多缺陷，鑄件合格率僅為20%，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。缺陷及原因見(jiàn)表2。

表2 鑄件缺陷及原因

通過(guò)分析，3種主要缺陷是鑄件遠(yuǎn)端冷隔缺陷（見(jiàn)圖4a中A處）、縮松及縮孔缺陷（見(jiàn)圖4b中B處）、黑皮缺陷（見(jiàn)圖4c中C處）。B處和C處需要裝配密封圈，為產(chǎn)品較重要的部位，設(shè)計(jì)要求不允許存在缺陷，因此必須進(jìn)行整改優(yōu)化。

圖4 鑄造缺陷

3.2 壓鑄工藝的改進(jìn)及分析

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，B處位于鋁液最終交匯處，模流分析顯示該處存在輕微的卷氣情況，同時(shí)由于模具結(jié)構(gòu)限制，該處加工余量最大為5mm，因此針B處增加輔助澆道（見(jiàn)圖5），同時(shí)增大末端渣包，能有效地對(duì)B處進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖5 改進(jìn)后的工藝方案

對(duì)改進(jìn)后的工藝進(jìn)行模流分析，通過(guò)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后B處無(wú)明顯卷氣情況。對(duì)比改進(jìn)前后的模流分析結(jié)果，改進(jìn)后的鋁液充填更加平穩(wěn)流暢，如圖6所示。

圖6 卷氣結(jié)果對(duì)比分析

由溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的工藝方案，溫度場(chǎng)更加均勻，可有效改善A處冷隔缺陷，如圖7所示。

圖7 鑄件溫度場(chǎng)模擬

模具改進(jìn)完成后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。生產(chǎn)時(shí)鋁液溫度660℃，鑄造壓力800bar（1bar＝105Pa），低速為0.15m/s，高速為4.5m/s。改進(jìn)后的壓鑄工藝獲得了質(zhì)量滿足要求的合格鑄件，缺陷已經(jīng)全部消除（見(jiàn)圖8），可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

圖8 壓鑄件外觀

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)模流分析，增加輔助澆道及增大渣包，壓鑄缺陷問(wèn)題得到了有效解決。改進(jìn)后的壓鑄工藝，可以獲得內(nèi)外表面質(zhì)量滿足要求的合格鑄件，滿足了生產(chǎn)需要。

2）經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，壓鑄件產(chǎn)品合格，與模擬結(jié)果相符。