基于AnyCasting的換擋塔壓鑄缺陷分析及工藝改進

劉高劍，鄭偉剛，李 威，楊 寧

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

基于AnyCasting的換擋塔壓鑄缺陷分析及工藝改進

劉高劍，鄭偉剛*，李 威，楊 寧

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

換擋塔原壓鑄工藝易出現縮松縮孔缺陷，本文對原壓鑄工藝進行改進，改進澆注系統，利用Anycasting模擬壓鑄成形工藝中金屬液充型和凝固過程。分析表明，金屬液能夠平穩充型，鑄件形狀比較完整，鑄件凝固過程比較合理，整體上實現了順序充型和順序凝固。壓鑄工藝改進后，鑄件縮松縮孔缺陷明顯改善，質量大幅提升，鑄件的成品率和生產效率得到了較大的提高。

換擋塔；壓鑄工藝；Anycasting

壓力鑄造是在高壓下將金屬液快速充填模具型腔內，獲得的鑄件具有強度高、表面硬度高等較好力學性能的特種成形工藝[1]。壓鑄現在已成為成形鋁合金零件的重要方式。在充型過程中，由于壓鑄工藝的高速充型及高壓凝固特點，不能完全消除裹氣現象，易產生氣孔、冷隔等缺陷。另由于鑄件壁厚不均勻，金屬熔體在型腔內不易做到順序凝固，壓鑄件在成形中會出現縮松、縮孔。鑄件一旦產生明顯缺陷，將導致零件的氣密性下降，在使用過程中易出現泄漏，產品報廢率明顯上升[2]。運用鑄造模擬軟件仿真分析鑄件的充型及凝固過程，預測可能會出現的縮孔、縮松等缺陷，提高了鑄件的設計質量，且節約了生產成本，縮短了生產試制周期。

本文利用鑄造軟件Anycasting，模擬分析換擋塔鑄造過程，根據模擬結果改進澆注系統及優化工藝參數，提高產品的設計質量。

1 壓鑄分析數學模型

在充型過程中，金屬液以紊流方式流動，因而鑄造模擬過程中多采用k-ε雙方程紊流模型。在直角坐標系下，將紊流的對流換熱控制方程、紊流模型中的動能、耗散率以及處理自由表面的體積函數方程用統一傳輸方程表示為：

(1)

式中：Xi為坐標分量，i=1，2，3；ρ為金屬液密度；φ為通量；ui為向上的速度分量；Sφ為源項；Γφ為傳輸系數；t為時間。

目前主要采用經驗性公式和判據進行鑄件縮孔、縮松缺陷預測。常用的是新山英輔判據(Niyama)：

(2)

式中：GSC為溫度梯度；RSC為冷卻速度；kc為常數。

2 原工藝方案

2.1 工藝特點分析

換擋塔屬于汽車換擋系統，是汽車換擋機構的重要部件之一。其是整個汽車變速器的骨架，內外安裝換擋機構的各種零部件。換擋塔內裝有機油，其主要作用是潤滑和傳遞力矩。因此該產品須滿足一定的密封要求，在使用中不允許發生泄漏。外形尺寸為：164 mm×80 mm×140 mm，鑄件最厚處尺寸為17 mm，最薄處尺寸為2.5 mm，平均壁厚尺寸為4.8 mm。鑒于換擋塔殼體壁厚均勻性差，局部太厚，鑄造成形過程中容易產生冷隔、縮孔、縮松等缺陷。鑄件材料采用ADC12鋁合金，其物理性能參數：固相線溫度為515 ℃，液相線溫度為580 ℃，熱傳導率為92 W·m-1·K-1，熱焓為389 kJ·kg-1，體積收縮率為7.14%，模具材料采用SKD61模具鋼。

2.2 原生產工藝

原壓鑄工藝的溢流槽及澆注系統見圖1。初始參數見表1。

圖1 原幾何模型

參數項參數值金屬澆注溫度/℃620模具初始溫度/℃180慢壓射速度/(m·s-1)0．1快壓射速度/(m·s-1)5

2.3 產品缺陷及分析

在鑄件的充型和凝固過程中，澆注溫度、充型速度、模具預熱溫度是影響鑄件品質的關鍵工藝因素。金屬液的澆注溫度過低，其流動性會下降，造成澆不足、冷隔等缺陷。澆注溫度過高，金屬液凝固的收縮量會變大，易產生縮孔、縮松。金屬液充型的速度慢會降低組織致密度。充型的速度太快易使內部氣孔率增加；模具預熱溫度過高，會使金屬液冷卻速度變慢，晶粒較大；模溫過低會使進入模具的金屬液因激冷而無法成形。

原工藝生產的壓鑄件的缺陷有冷隔、縮孔、縮松。產生上述缺陷的原因經過理論分析有：①澆注系統設計不合理，金屬液不能快速充填模型，會使鑄件出現冷隔。②模具的預熱溫度低，使得金屬液流動性差，易造成冷隔缺陷。③鑄件壁厚不均勻，局部壁厚太厚，存在較大的溫度梯度，是產生縮孔、縮松等缺陷原因。

3 優化方案

3.1 優化工藝

通過理論分析和做正交模擬實驗，提出解決鑄件存在的缺陷措施改善澆注系統，且優化壓鑄工藝參數。在澆注系統方面，增加澆道的數量，在殼體壓鑄模下方的換擋塔后殼體長邊肋板處增設一條橫澆道作為主澆道，其截面形狀采用扁梯形，金屬液充型時散熱慢，流動平穩；另為獲得較好表面質量及較高致密度的壓鑄件，保證最終靜壓力的傳遞作用[3]，增加了內澆口的數量及厚度，可使充型時間變短。運用三維CAD軟件完成換擋塔殼體、澆注及排溢系統的實體建模，并導入到鑄造軟件的前處理模塊中，完成裝配，見圖2。

圖2 3D幾何模型

由于鑄件的不規則性，為了保證模擬精度，減少計算時間，采用可變網格劃分鑄件，網格數量為2465580。優化工藝參數，見表2。

表2 優化的工藝參數

3.2 優化結果分析

3.2.1 充型過程

通過軟件后處理模塊可查看金屬液充填型腔的流動過程，并未出現卷氣等不良現象。

圖3是鑄件充型開始和將要結束的充型狀態。從圖上看出，整個型腔的充型時間約為0.015 s。從整體來說，金屬液由直澆道進入橫澆道，分流成兩股，由主副澆道共同充填型腔，金屬液在主副澆道交匯的位置易產生卷氣，需注意[4]。金屬液經內澆口進入型腔后，平穩地向換擋塔的遠端流動，直到完成型腔充填，整個換擋塔基本實現了順序充型，金屬液流動較為平穩，能夠有效地排出型腔內的氣體，減少了卷氣缺陷，符合全壁厚充填理論[5]，能夠滿足生產要求。

(a)t=0.1216 s (b)t=0.1363 s圖3 鑄件的充型狀態

3.2.2 凝固過程

充型完成后整個型腔及澆注系統的凝固狀態如圖4所示，可以看出整個系統完全凝固時所用時間約為40.5 s。

(a)t=2.7791 s (b)t=20.8565 s

(c)t=15.6341 s圖4 凝固狀態

從鑄件的凝固次序圖4可以看出，由于鑄件壁厚相差較大，導致凝固時的溫度場未能作同速下降，內澆口及鑄件薄壁由于凝固過早，壁厚較大的位置凝固時不能得到有效的補縮，因而形成了圓圈位置的孤立液相區(圖4(c))，縮孔、縮松缺陷極易出現在孤立液相區[6]。因此在模具設計中要加大這些地方的冷卻。

3.2.3 模擬驗證

在AnyCasting中采用Niyama1進行缺陷分析，結果見圖5。圖中圓圈位置殘余熔體模數最高大于0.9，鑄件可能出現缺陷，實際生產中發現的鑄件缺陷，與測試的結果相吻合。根據以上模擬結果正確指導換擋塔鑄件鑄造工藝方案及模具設計，為了消除局部壁厚引起的縮孔、縮松缺陷，我們可采用超點冷工藝[7]，這樣可使換擋塔鑄件質量更符合性能要求，減少了原鑄件中縮孔、縮松缺陷，提高了鑄件質量(圖6)。

圖5 鑄件的缺陷概率

圖6 實體模型

4 結論

(1)利用軟件AnyCasting動態模擬壓鑄過程，有效地預測出鑄件中縮孔、縮松等缺陷及位置。

(2)根據模擬結果，改進澆注系統，優化工藝參數，可縮短工藝試制周期、降低試驗成本和提高鑄件的質量。

(3)改進后所得換擋塔，縮孔、縮松現象明顯減少，但無法消除上述缺陷，這是壓鑄工藝特點所決定的，考慮采用擠壓鑄造工藝進行改善。

[1] 劉波．ADC12鋁合金汽車齒輪室充型過程的數字模擬[J]．鑄造，2010,59(11):1119-1202.

[2] 李智運.基于MAGMA的鋁合金閥體壓鑄缺陷分析及優化[J]．特種鑄造及有色合金，2014,34(11):1148-1150.

[3] 何勇，鄭偉剛，劉志軍，等．油底殼壓鑄缺陷分析及工藝優化[J].熱加工工藝，2014,43(13):69-75.

[4] 王大鵬，王超，喬士平．基于ProCAST對汽車附件支架壓鑄過程的數值模擬分析[J]．熱加工工藝，2015,44(11):114-116.

[5] 齊衛東.壓鑄工藝與模具設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，2012.

[6] 羅繼相，蔡超群，黃穎斌，等．摩托車鉗體件間接擠壓鑄造技術研究[J]．武漢理工大學學報，2010,32(15):104-107.

[7] 周海軍，常移遷，池曉欽，等．壓鑄鋁合金汽車油底殼缺陷分析與工藝改進[J]．熱加工工藝，2013,42(7):58-62.

(責任編輯：周曉南)

Die- casting Defect Analysis and Process Improvement of Shift Tower Based on AnyCasting

LIU Gaojian, ZHENG Weigang*, LI Wei, YANG Ning

(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The original die casting process of the shift tower is prone to shrinkage porosity defects. In this paper, the die casting process was improved, the original gating system was improved, the metal liquid filling and solidification process of the die casting process was simulated by using Anycasting. The analysis shows that the metal fluid can be smoothly filled, the Casting shape is complete,the solidification process of castings is reasonable, the sequence filling and solidification sequence were achieved in whole. Shrinkage cavity defects of castings are improved obviously, significantly enhancing the quality, the finished product rate and production efficiency were greatly improved.

shift tower; die casting; Anycasting

1000-5269(2016)06-0026-03

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.07

2016-05-04

貴州省科學技術廳、貴州大學聯合資金項目(黔科合LH字[2014]7622號)

劉高劍(1988-)，男，在讀碩士，研究方向：現代制造工藝及裝配，Email：way682@163.com.

*通訊作者： 鄭偉剛，Email：weigangzheng@163.com.

TG249

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