基于MAGNA模擬軟件對某商用車差速器殼體縮孔縮松質量改善

劉金林，張曉峰，龔華林

上海圣德曼鑄造有限公司 上海 201805

我公司可生產汽車灰鑄鐵和球墨鑄鐵類零部件，產品覆蓋曲軸、軸承蓋、排氣管、殼體、支架及差速器殼體等。開發自主品牌的某商用車差速器殼體，至今已經完成OTS交樣。在開發過程中借用MAGNA模擬軟件，加快改進了冒口頸縮孔、縮松的質量缺陷，同時減少了多余冒口的設計，短時間內完成了產品交樣，改進了產品質量，降低了生產成本，提高了我公司產品的市場競爭力。

1 某商用車差速器殼體開發要求

某差速器殼體（見圖1），產品設計單重7.33kg，法蘭厚度12.5mm（凸臺厚度則為16.2mm），最大壁厚30mm，在我公司開發的汽車差速器殼體中屬于重量最大及尺寸最大的差速器殼體。目前，我公司擁有殼型線（垂直分型生產曲軸專用）、KW水平線及DISA線（垂直分型），結合生產實踐，由于差速器殼體尺寸、重量大，因此適合水平分型，DISA線由于是無箱造型，不適合體積大且重量大的產品，因此將該差速器殼體選擇在KW線濕砂型鑄造生產。結合相關差殼開發經驗，初始鑄造工藝如圖2所示，冒口頸設置在差速器殼體窗口位置，鑄件模數0.62cm，設計冒口模數1.05cm，設計工藝出品率53%。差速器殼體材質為QT450-10，其性能要求見表1，尺寸要求和缺陷特殊要求見表2。

2 冒口頸縮孔、縮松解決方案

采用初始鑄造工藝生產的冒口頸存在縮孔、縮松（見圖3），對應缺陷比例高達30%，同時軸頭處也存在縮松（見圖4），其中軸頭處縮松符合缺陷要求，但是冒口頸處縮孔、縮松面較大，雖然該位置屬于加工面，但由于縮孔、縮松位置面大且深度較深（超過加工余量2mm），缺陷不符合要求。

表1 某差速器殼體性能要求

表2 某差速器殼體尺寸和缺陷要求

圖1 某差速器殼體

圖2 初始鑄造工藝示意

圖3 冒口頸位置缺陷

圖4 軸頭處縮松

針對冒口頸縮孔、縮松缺陷，根據公司內部其他產品冒口頸縮孔、縮松的相關改善經驗，認為導致冒口頸縮孔、縮松的主要原因在于冒口頸位置過熱導致，由于冒口頸位置存在尖角砂而散熱慢，且冒口頸尺寸過大，因此導致冒口頸附近最后凝固，最終形成冒口頸縮孔、縮松。根據這個問題，首先優化了冒口頸對應的尖角砂，根據以往的經驗對應尖角砂區域逐步修掉5～10mm（見圖5），修理5mm后試制冒口頸縮孔、縮松比例還有20%多，初見效果，比例有一定降低，繼續修理10mm后試制，冒口頸縮孔、縮松比例還是20%多，未見下降；根據以往經驗，繼續修理冒口頸尺寸（冒口頸高度修理掉5mm）以及對應尖角砂尺寸（見圖6），修理后試制冒口頸縮孔、縮松比例下降到10%左右，效果明顯，

圖5 減小尖角砂區域

圖6 減小冒口頸以及尖角砂區域

但是，在我們解剖一全模（8件）時，發現1件雖然冒口頸外部不再有縮孔、縮松，但是內部卻存在縮孔、縮松，即縮孔、縮松從冒口頸區域轉移到鑄件內部（見圖7），后續也進行了化學成分的優化（高碳、低硅等），但是效果不明顯，縮孔、縮松有稍微減小的趨勢，然而縮孔、縮松的缺陷比例卻未見明顯下降。因此，單一地通過采用材料優化工藝（如提高碳當量等）是不能完全消除曲軸加工縮孔、縮松缺陷的，只是可以達到減小加工縮孔、縮松的趨勢[1]。為加快改善進度，后續采用MAGNA模擬軟件對該差速器殼體進行了工藝模擬優化，結果顯示冒口應就近設在鑄件熱節的上方或側旁[2]。由于產品結構決定，目前該差速器殼體冒口只能設置在鑄件熱節的側旁，從滾圓形法可以知道冒口設計在距離法蘭10～30mm的距離，冒口頸部雖在這個范圍內，但是最優的距離參數需要進一步驗證。對于側冒口，冒口頸部的模數Ms應比鑄件設置部位的模數Mc大，冒口模數又比冒口頸模數大[3]。

圖7 縮孔縮松轉移到內部

該工藝冒口模數1.05cm，冒口頸模數0.53cm，鑄件對應熱節處模數0.63cm，很明顯冒口模數最大，但是冒口頸模數明顯小于鑄件熱節模數，即使如此冒口頸還是存在最后凝固的情況，導致縮孔、縮松缺陷。

實際生產中，由于產品結構的特殊性，冒口頸附近存在尖角砂，由于其散熱性差，導致該處熱節明顯偏大，且通過前面優化此處尺寸可以知道，消除尖角砂位置可以明顯改善冒口頸縮松、縮松，但是不能消除此處缺陷；同時冒口頸處的模數不能進一步降低，參考前面的實際試制結果，若進一步降低冒口頸的模數（如降低冒口頸的高度等），會導致該位置提前于鑄件凝固，最終導致縮孔、縮松轉移到鑄件內部。

綜上所述，冒口頸模數足夠，可以利用減小冒口頸長度來降低尖角砂的散熱性，增加冒口頸的熱節，同時增加冒口的尺寸和熱節，確保實際的冒口熱節大于冒口頸來進行模擬改善?；谝陨纤悸?，模擬方案針對冒口頸部距法蘭距離參數選擇，對距離法蘭15mm（該處砂芯成形，考慮砂芯強度以及變形風險，砂芯最小厚度15mm較為保險）以及20mm、25mm等進行模擬，同時增加冒口尺寸進行模擬，依次模擬冒口直徑65mm、70mm、75mm、80mm、85mm，冒口高度80mm、100mm、120mm、140mm等，同時模擬冒口頸大小以及冒口距離參數，依次模擬冒口頸截面積360mm2、250mm2，模擬冒口頸長度20mm、17.5mm、15mm、12.5mm、10mm等參數。綜合以上模擬發現冒口頸距離法蘭15mm優于20mm和25mm，若距法蘭距離太遠則會導致補縮不到熱節，縮孔、縮松缺陷轉入鑄件內部（見圖8），鎖定最優參數15mm，即鎖定冒口頸距法蘭最優距離后，則進行冒口頸截面積、冒口頸長度及冒口直徑參數的模擬，模擬發現冒口截面積達到360mm2，優于250mm2，否則冒口頸截面積過小會導致冒口頸處熱節不足，冒口頸比鑄件熱節先凝固，而鑄件通過石墨化膨脹又不能實現自補縮，最終導致縮孔、縮松轉移到鑄件內部（見圖9）。

圖8 冒口頸距離法蘭距離參數偏大模擬結果

圖9 冒口頸截面積參數偏小模擬結果

模擬冒口直徑、高度以及冒口頸長度等參數，發現冒口直徑85mm、冒口高度140mm、冒口頸長度10mm等參數最優，否則模擬會發現凝固后冒口心部與冒口頸之間出現一條縮孔線（見圖10），雖然縮孔線從冒口頸處向外延伸到冒口芯心部且不延伸到鑄件內部，但在實際生產中就發現這個就是冒口頸處縮孔、縮松的實際表現。在實際生產中，除了在冒口頸處產生縮孔、縮松外，主要還是延伸到冒口一側的，少部分延伸到與鑄件搭接的區域，這也與模擬發現的趨勢一致。鎖定冒口頸位置以及冒口頸截面積后，采用直徑85mm、高度140mm、冒口頸長度10mm的冒口，可以實現鑄件縮孔、縮松模擬最優化，后續采用此方案進行實際生產驗證一爐，冒口頸處以及對應內部縮孔、縮松完全消除（見圖11），后續繼續驗證兩爐，同樣冒口頸無縮孔、縮松，改善成功。

如果以上參數方案在現場通過修改模具進行試制驗證，則至少需要一個多月的時間才能完成預期目標，且中間過程還會導致試制的成本浪費，而借助于MAGMA模擬軟件只用一周的時間就完成了不同參數方案的模擬計算且找出最優的參數，后續現場一次驗證達到目標，大大提高了改進的效率，降低了改進的成本。

由計算可知，采用新的冒口和冒口頸后，冒口模數1.21cm，冒口頸模數0.45cm，鑄件對應熱節處模數0.63cm，冒口頸模數雖然比以前低，但是利用減小冒口頸的長度來增加尖角砂區域，大的尖角砂散熱進一步降低，給予冒口頸足夠的熱節，最終滿足鑄件熱節最先凝固、冒口頸之后凝固、冒口最后凝固的條件，且補充通道暢通，不存在補縮斷裂的情況，最終實現順序凝固，從而達到改善冒口頸縮孔、縮松的目的。

圖10 冒口尺寸偏小及冒口頸長度尺寸偏大模擬

圖11 優化冒口和冒口頸后無缺陷

鎖定冒口以及冒口頸參數后，后續進一步模擬研究了冒口壓力槽對鑄件補縮的影響，模擬和驗證四種冒口壓力槽，分別是小V形壓力槽（120o×0.3h深），大V形壓力槽（120o×0.6h深），h是冒口高度，常規圓柱形壓力槽以及無壓力槽冒口（即4種冒口）。模擬后發現4種冒口都能滿足鑄件的補縮要求（見圖12），后續現場驗證4種冒口實際效果也是相同的，對鑄件的補縮無明顯差異，唯一區別在于大V形壓力槽冒口和常規圓柱形壓力槽冒口本身凝固后在壓力槽位置更容易形成凹縮，且有利于減小冒口體積，提高工藝出品率。對比4種冒口的模數可以知道，大V形壓力槽模數是1.08cm，小V形壓力槽模數是1.22cm，常規圓柱形壓力冒口模數是1.21cm，無壓力槽冒口模數是1.28cm，顯然無壓力槽冒口模數最大，大V形壓力槽冒口模數最小，但是只要冒口熱節足夠，大V形壓力槽冒口同樣可以滿足補縮的需求。從經濟利益出發，無壓力槽冒口重量最大，消耗鐵液最多，經濟效益最低，而大V形壓力槽冒口重量最小，消耗鐵液最少，經濟效益最高。

圖12 4種冒口模擬結果

3 軸頭位置縮松風險預測和優化

為改善差速器殼體軸頭位置的縮松風險，開發前期在軸頭位置放置了兩個冷冒口（見圖2），但是實際生產發現對應位置繼續存在縮松的現象（見圖4），雖然該縮松滿足要求，但后續通過模擬發現，增加的兩個小冷冒口在凝固過程存在反補縮的情況。冒口偏小時會先于鑄件熱節凝固，不但起不到補縮作用，反而從熱節處抽取鐵液；冒口高度偏小則壓力不足，沒有足夠的動力將鐵液送入鑄件，都會引起縮松[4]。由于空間限制，兩個冷冒口不能設置過大，與其讓它產生反補縮作用，不如取消兩個冷冒口進行模擬分析。后續模擬分析發現，取消兩個冷冒口后，對應軸頭位置的縮松存在進一步降低的趨勢（見圖13），后續通過實踐驗證，軸頭位置實際生產中也與模擬結果一致，縮松得到降低甚至消失（見圖14）。

圖13 軸頭位置是否放置冷冒口模擬分析對比

圖14 軸頭取消冷冒口后縮松情況

綜合上所述可以知道，當放置的冷冒口熱節不足時，不但起不到補縮鑄件的作用，反而起相反的作用，會加大鑄件縮松的趨勢和風險。

4 結束語

1）通過合理設計冒口頸位置、冒口頸截面積、冒口以及冒口頸參數，可以消除冒口頸縮孔、縮松缺陷。

2）實際生產中，當存在尖角砂時，可利用減小冒口頸長度來達到增加冒口頸熱節的目的，這時參數可以設計成M冒口模數＞M鑄件熱節模數＞M冒口頸模數。

3）在冒口熱節足夠時，冒口的壓力槽設置參數對鑄件補縮不產生影響。從經濟效益出發，大V形壓力槽冒口效果最高，無壓力槽冒口效果最低。

4）根據產品結構的需要合理設置冷冒口參數，當設置的冷口熱節不足時，反而會因反補縮導致增加鑄件縮松的風險。