液力變矩器葉輪重力鑄造和低壓鑄造工藝對比與驗證

沙 宇, 閆清東,2, 劉 城,3, 魏 巍,4

(1.北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081; 2.北京理工大學 濟南前沿技術研究院, 山東 濟南 250300;3.北京理工大學 車輛傳動重點實驗室, 北京 100081; 4.北京理工大學 重慶創新中心, 重慶 401122)

引言

液力變矩器是利用液體動能傳遞和轉換能量的液力元件,是液力傳動的基本單元,其在實現柔性傳動的同時又獲得無級變速、變矩、隔振等多種優異特性[1-3],因而廣泛應用于風力發電、工程機械、軍工裝備、汽車工業等相關領域[4-5]。液力變矩器核心部件是3個葉輪——泵輪、渦輪和導輪。這些葉輪內均布著一系列空間扭曲的復雜葉片,葉輪強度和制造精度極大影響了液力變矩器的功率密度及液力性能。

國內鑄造型液力變矩器傳統的鑄造工藝為重力鑄造,為進一步提高鑄造葉輪強度和制造精度,不少研究人員對鑄造方法、鑄造工藝參數進行仿真和優化研究。在液力變矩器不同鑄造方法對比上,馬永超等[6]通過理論分析和實際生產發現,與重力鑄造相比,低壓鑄造泵輪顯微組織更加致密,出現顯微縮松傾向更小,可保證泵輪的性能穩定性。閆秋實[7]將數值模擬技術應用到導輪重力鑄造、離心鑄造對比發現,離心鑄造對鑄型、型芯的熱沖擊更大,加劇了易造成卷氣、夾渣、沖砂等缺陷。鄧洪超等[8]通過數值分析了導輪重力鑄造和低壓鑄造,結果表明,低壓鑄造縮松縮孔規律性明顯且分布減少,最大等效應力值較大。席志星[9]通過流場仿真分析對比鑄造型和沖焊型液力變矩器的性能,進而得出鑄造型變矩器性能更優的結論。

在工藝參數分析優化上,楊卓祥等[10]采用AnyCasting對泵輪低壓鑄造充型凝固及應力場進行數值模擬分析,從工藝方案和工藝控制驗證并優化。朱慶宇等[11]發現對于一些結構比較特殊的導輪,整體鑄造葉片拔模困難,最終設計出分模鑄造方法。王赫[12]通過數值仿真分析了重力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等不同工藝參數對液力變矩器的鑄造過程及成型質量的影響。XU Wenbo等[13]論述了低壓鑄造工藝的特點及其澆注系統的設計方案,大大縮短了實際生產周期,而且保證了葉輪鑄件的質量。

隨著功率密度的提升,葉輪強度指標要求越來越高[14],因此需要對傳統的重力鑄造工藝升級優化,本研究首先建立不同鑄造工藝下鑄造過程仿真模型,對重力鑄造、低壓鑄造進行對比研究,并利用仿真確定的鑄造工藝參數進行葉輪澆鑄和探傷,最后與仿真結果進行對比驗證。

1 液力變矩器鑄造仿真模型

1.1 液力變矩器葉輪鑄造模型

葉輪的鑄造模具如圖1所示,包括外模體、砂芯、澆道、冒口等。液力變矩器泵輪和渦輪重力鑄造和低壓鑄造的澆注系統均設有1個直澆道和6個橫澆道,導輪為1個直澆道和4個橫澆道。直澆道有2°的斜度,起到撇渣作用。鑄造時排氣的設計相當重要,兩者的金屬液均是自下而上逐步充型,所以氣孔設置在上方,并且針對泵輪壁面厚度較大的情況,在外環上端設置了較大的冒口以便補縮。

圖1 重力與低壓鑄造模具

1.2 網格無關性驗證

網格對鑄造仿真結果影響較大,因此對不同網格大小的模型進行仿真,結果如表1所示。

表1 網格精度及結果

由表可知,仿真計算偏差隨著網格數量的提高而降低,在網格尺寸為鑄件5、模具15后,進一步增加網格精度, 其差異在3%以內,但網格數急劇增加, 計算時間急劇增加。故選取鑄件5、模具15的網格尺寸作為最終的網格精度進行分析。

1.3 鑄造仿真模型材料及參數

1) 材料設置

重力鑄造使用ZL101A鋁合金。該合金是在ZL101的基礎上,將雜質含量降低,并且利用微量元素細化組織,使其力學性能提高。重力鑄造中,金屬模具采用H13鋼,砂芯采用覆膜砂。

為了控制變量進而對重力鑄造和低壓鑄造的工藝進行對比,低壓鑄造的材料、金屬模具以及砂芯和重力鑄造保持一致。

2) 界面換熱系數設置

鑄造中不同材料的界面換熱系數參考值如表2所示[12]。

表2 界面換熱系數的數值范圍

澆鑄過程中主要涉及到模具、砂芯、鑄型、空氣四者之間的熱交換。模具、鑄型材料為金屬,砂芯材料為砂,空氣為常溫下的空氣,仿真模型中,模具和鑄型之間界面換熱系數取1000 W·(m2·K)-1,模具和砂芯之間界面換熱系數取300 W·(m2·K)-1,砂芯和鑄件之間界面換熱系數取500 W·(m2·K)-1。與外界空氣的熱交換為冷卻條件,空氣處于室溫,界面換熱系數取10 W·(m2·K)-1。

3) 鑄型的預熱

鑄造時鋁合金溫度一般在700 ℃附近,高溫鋁液和室溫下的鑄型接觸容易產生激冷而局部快速凝固,這樣既造成凝固處無法補縮,也容易堵塞澆道,產生澆不足等缺陷。為避免這一情況,一般會對鑄型進行預熱處理,使得金屬液不會激冷而快速凝固,從而保證了其流動性。重力鑄造為金屬模具和樹脂砂砂芯,采用模具預熱而砂芯不預熱的方式。低壓鑄造為金屬模具和覆膜砂,對結構復雜、薄壁多的渦輪增大預熱溫度,具體預熱溫度如表3所示。

表3 低壓鑄造預熱溫度

4) 澆注參數

重力鑄造在重力作用下充型,無需進行澆鑄壓力設置,設澆注溫度為700 ℃、澆注速度為0.5 m/s。低壓鑄造澆注溫度均設為700 ℃,澆口壓力曲線具體如圖2所示。低壓鑄造的充型速度是靠壓力來控制的。根據帕斯卡定律,施加的一定壓力使得金屬液從升液管中向上運動到一定位置。那么只要控制充液時壓力曲線的增速和壓力大小,使得達到鑄型被充滿時壓力的時間變長,就可以減緩充型金屬液流速。

圖2 低壓鑄造壓力曲線

此次觀察的重點是充型及凝固過程,因此對金屬液開始充型進行壓力曲線設計。根據變矩器的高度及體積預估充液時間,然后在仿真中觀察充液動態,對截面突變導致流速劇變的時段(如圖2b渦輪)可以局部放緩壓力增速,以達到整體的充型平穩。保壓壓力則是根據設備及實際情況,一般可取0.15～0.18 MPa。

2 重力鑄造和低壓鑄造的充型、凝固對比分析

2.1 充型速度場對比

對澆鑄充型流動過程進行仿真得知, 重力鑄造充型很快,泵輪、渦輪、導輪充型時間分別需要2.73 s、2.48 s和1.53 s,圖3是葉輪鑄造充型過程中速度場分布圖。

圖3 鑄造充型速度場

從圖3可以看到,重力鑄造當金屬液流從橫澆道流出后,金屬液流不再是單方向充型,出現了回流現象,容易形成澆注的空洞,這種現象在泵輪和渦輪中極為明顯,澆注空洞若不能被及時填充就可能出現澆不足等孔洞類缺陷。即使被回流充填,由于該處液流紊亂,極易產生鑄造缺陷,組織也不夠致密,力學性能下降。

由于回流以及充液空洞現象的存在導致重力鑄造容易出現缺陷,同時,重力鑄造的充型速度是無法直接控制的,液流在重力作用下充型,無法準確對澆鑄過程的速度進行控制,因此流道的變化會導致充型速度出現較大變化,使得液流不平穩,同樣容易出現缺陷。

低壓鑄造可以通過壓力曲線的設計控制充型過程,泵輪、導輪、渦輪的充型時間分別延長到31.94 s、30.15 s和37.71 s。由圖3可見,由于低壓鑄造的充型階段設置的壓力曲線增長速度較慢,金屬液流速度大致在0.18 m/s以下,而重力鑄造局部流速可達0.9 m/s。這使得低壓鑄造平穩緩慢充型,金屬液在流出橫澆道開始合流時速度很低,平穩的液流不會往上充型而是平緩地合流,因此不會出現空洞區域,而是從橫澆道流出后繼續向側邊流動。

對比兩種工藝,低壓鑄造的金屬液流充型平緩,充型在壓力作用下自下而上進行,全過程的充型速度可通過壓力曲線來控制,在液流從橫澆道流出即將合流的時候實現了平穩充型,避免了缺陷的產生。

2.2 凝固時間對比

凝固過程對鑄件質量也有較大影響,利用仿真模型對凝固時間進行對比分析,如圖4所示。

圖4 鑄造凝固時間

重力鑄造在凝固過程中,溫度的分布在壁厚變化較大的外環區域容易局部突變,導致出現非順序凝固情況。重力鑄造凝固時間結果可以看到在通道較為狹窄的部位往往更容易率先凝固,這樣會阻礙補縮通道,使得遠端得不到金屬液的補縮。對重力鑄造來說,補縮動力主要來源是重力,補縮動力不足,澆道的局部非順序凝固使得補縮更為困難,導致易出現組織疏松、針孔類缺陷。

低壓鑄造充型平穩,其溫度分布也更為順序平滑,少有局部突變而導致局部率先凝固的情況。葉輪凝固是從遠端到澆口順次進行,不會阻礙補縮通道。低壓鑄造的補縮動力主要依靠施加的壓力,補縮動力足,組織致密性好。

2.3 缺陷判定及對比

本研究主要利用鑄造收縮率和Niyama判據來進行不同澆鑄工藝缺陷的對比,如圖5所示。鑄造收縮率又稱鑄造線收縮率,在鑄件凝固過程中,金屬液會冷卻并縮小體積,縮小的百分比即收縮率。由于凝固時得不到金屬液補縮,重力鑄造在最后充型泵輪外環上有較大收縮,整體收縮率在1%附近,容易出現針孔缺陷。

圖5 泵輪收縮率及Niyama

低壓鑄造的泵輪主要收縮部位位于葉片與外環相交處的出流邊區域。該區域的缺陷主要是因為壁厚變化較大,存在較大熱節,凝固、補縮受到影響。從縱截面看,其內部成型較好,主要收縮都位于澆道部位,不影響本體質量。

Niyama判據利用凝固時鑄件的溫度梯度和凝固速率來分析出現縮松的可能性,該值越小則越容易出現縮松缺陷[15]。重力鑄造的泵輪在外環、葉片區域的Niyama數值較小,表明外環和葉片極可能出現縮松。而低壓鑄造的泵輪在葉片區域的Niyama數值明顯提高,葉片成型質量要優于重力鑄造。

重力鑄造的渦輪主要缺陷有兩處,如圖6所示,第一處分布在葉片與內環相交處,第二處分布在橫澆道出口,該處的液流復雜,導致組織致密性較差。低壓鑄造的渦輪成型質量很好,本體上幾乎沒有明顯的收縮區域。在Niyama判據上,重力鑄造的渦輪在葉片區域的數值同樣明顯低于低壓鑄造的葉片。

圖6 渦輪收縮率及Niyama

如圖7所示,重力鑄造的導輪主要缺陷在葉片與外環上端相交處。該處缺陷的產生主要是由于外環底部先凝固后阻礙補縮通道,導致上端得不到有效的補縮。低壓鑄造的導輪缺陷明顯減少,僅在葉片上偶見局部低收縮率的情況。

圖7 導輪收縮率及Niyama

在Niyama判據上,重力鑄造的導輪外環上端Niyama數值較低,該處容易出現微觀縮松。低壓鑄造在該區域的Niyama數值從2提高到15,減小縮松出現。

2.4 重力和低壓鑄造結果對比

經過對充型凝固過程進行分析,并利用不同判據對缺陷進行評價后,得到兩種工藝的主要對比結論如表4所示。

表4 重力鑄造和低壓鑄造評價

由表可知,低壓鑄造由于充型過程可控,流動平穩,順次凝固且補縮性強,因此其成型質量要明顯優于重力鑄造,本研究采用低壓鑄造工藝對某液力變矩器葉輪進行澆鑄,并與仿真結果進行對比驗證。

3 鑄造仿真模型驗證

低壓鑄造葉輪采用金屬外模和覆膜砂砂芯,利用熱芯盒進行砂芯的快速成型(如圖8所示),澆鑄時主要工藝參數如第2節所示,觀察表面質量并利用X射線實時成像檢測儀進行探傷。如圖9所示, 低壓澆鑄表面光整,沒有針孔澆不足等缺陷。

圖8 砂芯

圖9 鑄件表面質量

如圖5所示,在低壓鑄造仿真中,泵輪的主要缺陷集中在葉片與外環相交壁面,尤其是葉片出流邊附近。圖10為探傷結果,可以看到在葉片頂部與外環相交的一圈出現密集的黑色斑點,這就是縮孔,這與仿真結果較吻合。

圖10 泵輪主要缺陷部位

圖11是渦輪缺陷圖,渦輪整體成型質量較好,內外環沒有明顯縮孔,與仿真結果吻合。

圖11 渦輪主要缺陷部位

圖12是導輪的探傷圖,圖中黑色代表實心區域,白色代表空心區域,黑色區域中的白點即代表了縮孔缺陷?？梢钥吹綕部趨^域存在嚴重的縮孔存在。在內外環其他區域并沒有明顯的針孔類缺陷出現,與仿真結果吻合度較高。

圖12 導輪主要缺陷部位

4 結論

本研究建立了液力變矩器葉輪的鑄造仿真模型,對重力鑄造和低壓鑄造工藝進行對比分析,并進行了試鑄及驗證,主要結論如下:

(1) 低壓鑄造的液力變矩器葉輪鑄造質量要明顯優于重力鑄造。相比于重力鑄造,低壓鑄造受到可控充型壓力作用,充型過程更平穩,且金屬液補縮性好,同時,低壓鑄造整體上按照“后充型先凝固”原則順序凝固,不易出現“液體孤島”,整體上收縮率較小,縮松縮孔出現概率大大降低,組織致密性提升,力學性能較優;

(2) 數值模擬技術可以有效預測鑄造過程,為設計、優化和分析提供依據。ProCAST鑄造仿真軟件可以預測實際澆鑄過程的具體狀況,預測結果與實際澆鑄結果吻合度高,具有較高的生產指導意義。ProCAST可以方便地看到充型凝固過程的液流狀態,預測缺陷并且為缺陷原因分析和改進提供指導;

(3) 泵輪低壓鑄造存在的缺陷位置主要集中在葉片與外環相交壁面,尤其是葉片出流邊附近。這個部位的泵輪外環為了與外界裝配而厚度激增,因此導致該部位容易存在熱節而出現收縮等缺陷。針對該缺陷,可以對泵輪外環的結構進行重新設計,適當增大外環厚度變化部位的過渡圓角,以避免厚度突變導致的縮松等缺陷。也可以在該部位增設冷鐵,以加快冷卻。