高壓鑄造雙離合變速箱殼體典型質(zhì)量問(wèn)題的解決

陳濤

摘? 要：東風(fēng)鼎新動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司的第一款雙離合變速箱產(chǎn)品DCT150是濕式雙離合變速器（以下簡(jiǎn)稱DCT），其支撐殼體由離合器殼體及變速箱殼體構(gòu)成，這兩個(gè)殼體由高壓鑄造方法生產(chǎn)，在產(chǎn)品開發(fā)及量產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了較困難的質(zhì)量改進(jìn)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(jié)典型質(zhì)量問(wèn)題的解決方案。

關(guān)鍵詞：雙離合變速箱殼體;壓鑄件;典型質(zhì)量問(wèn)題;合格率

中圖分類號(hào)：U463? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：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(fēng)鼎新動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱DPT）的濕式雙離合器變速箱，它采用了創(chuàng)新的級(jí)聯(lián)齒輪組、電動(dòng)機(jī)械式換擋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和新型電動(dòng)液壓離合器執(zhí)行系統(tǒng)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(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn);變速箱中有液壓泵、潤(rùn)滑液、冷卻管和外部冷卻系統(tǒng)，對(duì)殼體綜合機(jī)械性能及密封性能均提出了較高的要求。本文對(duì)影響合格率較大的殼體變形、氣縮孔、泄漏合格率等質(zhì)量問(wèn)題的解決方式進(jìn)行說(shuō)明。

1? ? 變形問(wèn)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(zhǎng)）×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(chǎn)品成型及生產(chǎn)過(guò)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(dòng)模（外腔方向）及定模（內(nèi)腔方向）構(gòu)成，鑄件熱收縮率設(shè)計(jì)為1.0055%。

實(shí)際在壓鑄初始試模過(guò)程中在檢測(cè)時(shí)產(chǎn)品孔位位置度時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓鑄出的產(chǎn)品位置度尺寸與設(shè)計(jì)要求差異較大（個(gè)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(shí)際尺寸對(duì)比也符合收縮規(guī)律。為找到問(wèn)題產(chǎn)生原因，采用3D掃描實(shí)物殼體與理論3D進(jìn)行比較分析如圖1（d），掃描發(fā)現(xiàn)毛坯的基準(zhǔn)定位區(qū)域發(fā)生變形，其變形量B區(qū)域?yàn)?.39mm，C區(qū)域?yàn)?.74mm。因產(chǎn)品是以毛坯A、B、C處的凸臺(tái)點(diǎn)為后續(xù)的加工定位基準(zhǔn)及測(cè)量基準(zhǔn)，此變形導(dǎo)致在測(cè)量時(shí)，其他尺寸投影到以A、B、C為基準(zhǔn)的平面上時(shí)，各孔位位置度超差。

產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因分析：①高壓鑄造的模具設(shè)計(jì)原則之一是產(chǎn)品最終成型脫模后，產(chǎn)品留在動(dòng)模上，這就要求作用在動(dòng)模上的包緊力大于作用在定模上的包緊力，同時(shí)因?yàn)镈CT產(chǎn)品的深腔特殊性，深腔的內(nèi)型芯在定模上而外腔成型面在動(dòng)模上，產(chǎn)品脫模時(shí)必然受到向定模方向的拉力;②模具在左、下、右三個(gè)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(guò)程中，有整體上向腔體內(nèi)凹的趨勢(shì);以上兩個(gè)主要原因?qū)е翨處變形最大，C點(diǎn)次之。

解決此問(wèn)題的改進(jìn)方案為：在定模面增加定模頂出機(jī)構(gòu)圖1（e）。在B處增加6個(gè)定模頂桿，在C處增加兩個(gè)定模頂桿，定模頂桿是靠復(fù)位桿頂出的，合模時(shí)動(dòng)模平面把復(fù)位桿壓進(jìn)定模內(nèi)，開模時(shí)來(lái)自動(dòng)模的壓力消失，后面的推板彈簧再把頂桿頂出來(lái)，主動(dòng)推動(dòng)產(chǎn)品從定模上脫出，從而實(shí)現(xiàn)抵消脫模變形。

經(jīng)過(guò)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(diǎn)為+0.22mm，C點(diǎn)為+0.12，滿足對(duì)毛坯輪廓度0.7mm的要求，得以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2? ? 殼體氣縮孔及泄漏問(wèn)題的解決

眾所周知，高壓鑄造是將液態(tài)金屬施以一定壓力讓其快速充填到金屬模具型腔內(nèi)，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(chǎn)品設(shè)計(jì)及壓鑄工藝特點(diǎn)，在產(chǎn)品中仍不可避免地存在一些熱節(jié)區(qū)域或高風(fēng)險(xiǎn)氣縮孔區(qū)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(wú)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(tài)鋁合金中的溶解度不同，在凝固過(guò)程中，必然析出氣體;

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

以DPT陸續(xù)進(jìn)入工裝樣件及小批量生產(chǎn)階段的產(chǎn)品為例（如圖7）：統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品初始?xì)饪s孔的不良率，最高能達(dá)到12.17%，其中氣縮孔大于3.5 mm的占總?cè)毕莸?5.71%、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(huì)影響螺栓聯(lián)接強(qiáng)度、表面密封性等功能要求而報(bào)廢。

為解決這些問(wèn)題，主要使用方法如下：

2.1? ?高壓點(diǎn)冷

適用于單獨(dú)深腔部位及較大型芯部位。這些結(jié)構(gòu)的成型部位僅有個(gè)別深腔或是深腔部分單獨(dú)抽芯等，較少的模具被大量的鋁液包裹，極易造成模具過(guò)熱，引起粘模拉傷、熱裂紋等缺陷。因此需要對(duì)深腔模具通點(diǎn)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，通過(guò)1.0～1.5Mpa高壓水，對(duì)直徑大于4mm的型芯內(nèi)部進(jìn)行冷卻，保證冷卻水冷進(jìn)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(jié)合模擬及實(shí)際產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化最終點(diǎn)冷布局，在模具上設(shè)置如圖3（d）的高壓點(diǎn)冷，有效控制了熱節(jié)區(qū)域的產(chǎn)品溫度，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的順序凝固，有效減小了氣縮孔的產(chǎn)生，保證了合格率。

2.2? ?局部擠壓

若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁厚不均或局部有大熱節(jié)點(diǎn)，在最后凝固的部位易出現(xiàn)縮孔，如下圖4（C）所示。這些產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生的縮孔不能通過(guò)壓鑄工藝、增加冷卻方式等進(jìn)行預(yù)防，這時(shí)可采用局部擠壓的方式進(jìn)行解決。局部加壓結(jié)構(gòu)示意圖見圖4（a），即在模具內(nèi)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(tài)時(shí)，在最后凝固的厚壁處通過(guò)擠壓桿施加壓力以強(qiáng)制補(bǔ)縮來(lái)減少或消除該處的縮孔缺陷，以獲得高質(zhì)量的壓鑄件。

局部擠壓原理似乎簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作起來(lái)卻并不簡(jiǎn)單，需要解決以下問(wèn)題：

a.擠壓時(shí)間的確定：擠壓開始過(guò)早，金屬液還沒(méi)開始凝固，如果加壓則金屬液回流向其他部位，則加壓桿無(wú)法有效加壓;加壓開始過(guò)晚，金屬液已經(jīng)凝固，則加壓桿壓力無(wú)法傳遞到產(chǎn)品內(nèi)部或在擠壓表面產(chǎn)生擠壓裂紋;所以在型腔充型完成后延時(shí)0.8-2S或更多，應(yīng)逐步通過(guò)工藝試驗(yàn)確定最終的擠壓時(shí)間;

b.加壓壓力的確定：加壓壓力過(guò)小則起不到應(yīng)有的作用，無(wú)法突破表層對(duì)內(nèi)部施加補(bǔ)縮;加壓壓力過(guò)大，則浪費(fèi)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(zhǎng)度及擠壓體積的確定：加壓長(zhǎng)度過(guò)短，無(wú)法消除縮孔缺陷，加壓長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則造成能量浪費(fèi)。在確定加壓長(zhǎng)度之前，我們需明確實(shí)際需要的壓縮體積。設(shè)熱節(jié)處金屬的質(zhì)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(zhǎng)度：L=4Vmax/πD2且L/D<1.5。

2.3? ?二級(jí)擠壓

二級(jí)擠壓是設(shè)定雙行程油缸，第一行程完成初預(yù)鑄孔位部分成型，當(dāng)型芯周圍鋁液逐步凝固時(shí)，再啟動(dòng)二次擠壓動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)鑄及擠壓的雙重效果。以變速箱殼體為例，項(xiàng)目初期變速箱殼體氣密測(cè)試合格率不足70%，泄漏部位分布經(jīng)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(jìn)主要的實(shí)施方法為使用二級(jí)擠壓，具體實(shí)施方案如下：

1、擠壓行程：擠壓行程按局部收縮體積計(jì)算約為12mm。

2、擠壓延時(shí)：在通過(guò)CAE分析并結(jié)合實(shí)際壓鑄表現(xiàn)后，為充分驗(yàn)證最合理的擠壓延時(shí)，我們從4.0-6.0秒，按間隔0.5秒，分別驗(yàn)證5組擠壓延時(shí)的改善效果，以加工驗(yàn)證60件的氣密檢測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，結(jié)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(tǒng)優(yōu)化

金屬壓鑄模澆注系統(tǒng)是將壓鑄機(jī)壓室內(nèi)熔融的金屬液在高溫、高壓、高速的狀態(tài)下，填充壓鑄模型腔的通道。它包含直澆道、橫澆道，內(nèi)澆口以及溢流排氣系統(tǒng)等。它們?cè)谝龑?dǎo)金屬液填充型腔的過(guò)程中，對(duì)金屬液的流動(dòng)狀態(tài)、速度和壓力的傳遞、排氣效果以及壓鑄模的熱平衡狀態(tài)等方面都起著重要的控制和調(diào)節(jié)作用，因此，澆注系統(tǒng)是決定壓鑄件表面質(zhì)量以及內(nèi)部顯微組織狀態(tài)的重要因素。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及最終定型必須采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法。

對(duì)于雙離合變速器殼體模具的初始設(shè)計(jì)評(píng)審中，對(duì)澆排系統(tǒng)的評(píng)審重點(diǎn)關(guān)注如下方面：（1）澆排系統(tǒng)位置應(yīng)使金屬液的流程盡可能短，以減少填充過(guò)程中金屬液能量的損失和溫度的降低;（2）澆口位置應(yīng)使金屬液流至型腔各部位的距離盡量相等，以達(dá)到各個(gè)分割的遠(yuǎn)離部位同時(shí)填滿和同時(shí)凝固;（3）盡量減少和避免金屬流過(guò)多的曲折和迂回，從而達(dá)到包卷氣體少、金屬流匯集處少和渦流現(xiàn)象少的效果;（4）金屬液進(jìn)入型腔后，不應(yīng)過(guò)早地封閉分型面、溢流槽和排氣道，以便于型腔內(nèi)氣體有序地順利排出;（5）從內(nèi)澆口進(jìn)入型腔的金屬液流，不應(yīng)沖擊型芯、型壁或螺紋等活動(dòng)型芯;（6）從內(nèi)澆口進(jìn)入型腔的金屬液流，應(yīng)首先填充深腔處難以排氣的部位，避免因卷裹氣體而產(chǎn)生壓鑄缺陷;（7）澆排系統(tǒng)位置應(yīng)使?jié)部谟嗔恳子谇谐颓謇怼?nèi)澆口與型腔連接處應(yīng)以圓弧或小圓角過(guò)渡連接，同時(shí)也可考慮增設(shè)小平臺(tái)方式防止去澆口時(shí)的崩缺。

改進(jìn)實(shí)例：

2017年12月DPT離殼毛坯共計(jì)生產(chǎn)21287件零件，總共產(chǎn)生料廢937件（4.4%），其中電機(jī)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(chǎn)生原因?yàn)椋弘姍C(jī)孔120區(qū)域?yàn)闈部谙路絽^(qū)域，鋁液填充后從下方回流到此區(qū)域，造成局部卷氣而形成氣孔缺陷。

改進(jìn)方法，在主澆道下方引入一股澆道，在填充開始時(shí)就對(duì)電機(jī)孔處填充，避免回流卷氣。方案實(shí)施后，通過(guò)加工4180件驗(yàn)證，其中120電機(jī)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(yōu)化

壓鑄工藝是將壓鑄機(jī)、壓鑄模和金屬液按照預(yù)先選定的工藝程序和工藝參數(shù)有機(jī)地結(jié)合和運(yùn)用并借助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)獲得壓鑄件的熱加工工藝過(guò)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(nèi)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(shí)間（充型時(shí)間、保壓時(shí)間、留模時(shí)間等）、模具的熱學(xué)性質(zhì)（傳熱率、熱容率、溫度梯度等）、金屬液的鑄造性能及熱學(xué)性能等。這其中起主導(dǎo)作用的是壓鑄壓力、充型速度、充型特性以及模具的熱學(xué)性質(zhì)。

下表1示例為在同等模具狀態(tài)情況下進(jìn)行不同工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)的合格率變化情況的部分?jǐn)?shù)據(jù)，為保證量產(chǎn)，應(yīng)摸索出適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)用以批量生產(chǎn)。

在固化工藝，模具等之后，穩(wěn)定合格率的重要措施是對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的模具溫度建立監(jiān)控體制，每班次記錄重點(diǎn)區(qū)域溫度并跟蹤，避免系統(tǒng)性溫度差異，并通過(guò)數(shù)據(jù)摸索，逐步壓縮溫度區(qū)間值，找到真正合格率最優(yōu)方案。

2.6? ?創(chuàng)新方法的使用

為解決DCT變速箱殼體特定部位內(nèi)部疏松部位的泄漏問(wèn)題，經(jīng)過(guò)供需雙方確認(rèn)，開創(chuàng)性的使用了冷鋁嵌塊的解決方案。即在產(chǎn)品填充前產(chǎn)品內(nèi)部裝入一鋁嵌塊如圖9，充填凝固后此嵌件留存在零件實(shí)體內(nèi)部，以解決局部收縮縮松的問(wèn)題。

總結(jié)：東風(fēng)鼎新動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司從2016年開始小批量投產(chǎn)，到2020年底投產(chǎn)DCT150 及DCT200兩個(gè)平臺(tái)系列共計(jì)十余種DCT雙離合變速箱產(chǎn)品，目前共計(jì)生產(chǎn)30余萬(wàn)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(chǎn)量的產(chǎn)品達(dá)到98%以上的合格率，在此期間DPT與DPT的供應(yīng)商們一起經(jīng)歷了改善提升之路，也真正實(shí)現(xiàn)了各種鑄造工藝及技術(shù)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(zhì)量提升之路，創(chuàng)造出良好的企業(yè)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。

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