白丹,樊小龍
陜西法士特齒輪有限責任公司 陜西寶雞 722409
近年來,隨著產(chǎn)品向輕量化方向發(fā)展,高強度、高韌性優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件被大量應用,國內(nèi)中重型商用車正快速實現(xiàn)全鋁合金化。液力自動變速器(AT)是相對于手動變速器出現(xiàn)的一種能夠自動根據(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、舒適性等方面遠勝于手動擋變速器[2]。另一方面,隨著對變速器性能要求的不斷提高及結(jié)構(gòu)設計的不斷改進,變速器殼體結(jié)構(gòu)越來越復雜,精度要求越來越高。殼體是變速器的關鍵零件,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。
本文以液力自動變速器殼體為研究對象,分析生產(chǎn)中存在的鑄造缺陷,并進行優(yōu)化,為該鑄件的大批量生產(chǎn)提供了工藝參考價值[3]。
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,需預鑄結(jié)合齒,對鑄造精度提出了很大挑戰(zhàn)。
材料為ADC12鋁合金,化學成分見表1。選用布勒Cara440臥式冷室壓鑄機,采用一模一件的方式生產(chǎn),鑄件三維實體模型如圖1所示。
表1 ADC12鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)
圖1 變速器殼體鑄件結(jié)構(gòu)
自動變速器與手動變速器相比,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措施,分析優(yōu)化工藝方案,最終獲得幾何精度高和無缺陷的鑄件。
合理設計澆注系統(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)復雜,且平均壁厚僅為6mm,氣密要求高,因此設計合理的澆注系統(tǒng)至關重要。工藝方案設計如圖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 液力自動變速器殼體工藝方案設計
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)面進液,流道角度相對產(chǎn)品面。此方案相對來說流態(tài)較好,對內(nèi)壁的沖刷較小,到達各個區(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)復雜,在實際生產(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,減少滑塊黏鋁及冷隔缺陷;另一方面,采用大量高壓點冷型銷,改善熱節(jié)處縮孔,提高產(chǎn)品質(zhì)量。
實際加工后鑄件存在較多缺陷,鑄件合格率僅為20%,嚴重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。缺陷及原因見表2。
表2 鑄件缺陷及原因
通過分析,3種主要缺陷是鑄件遠端冷隔缺陷(見圖4a中A處)、縮松及縮孔缺陷(見圖4b中B處)、黑皮缺陷(見圖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,設計要求不允許存在缺陷,因此必須進行整改優(yōu)化。
圖4 鑄造缺陷
通過分析發(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(見圖5),同時增大末端渣包,能有效地對B處進行補縮。
圖5 改進后的工藝方案
對改進后的工藝進行模流分析,通過結(jié)果可以看出,優(yōu)化后B處無明顯卷氣情況。對比改進前后的模流分析結(jié)果,改進后的鋁液充填更加平穩(wěn)流暢,如圖6所示。
圖6 卷氣結(jié)果對比分析
由溫度場模擬結(jié)果可以看出,改進后的工藝方案,溫度場更加均勻,可有效改善A處冷隔缺陷,如圖7所示。
圖7 鑄件溫度場模擬
模具改進完成后進行生產(chǎn)驗證。生產(chǎn)時鋁液溫度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(見圖8),可以進行大批量生產(chǎn)。
圖8 壓鑄件外觀
1)通過模流分析,增加輔助澆道及增大渣包,壓鑄缺陷問題得到了有效解決。改進后的壓鑄工藝,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)驗證,壓鑄件產(chǎn)品合格,與模擬結(jié)果相符。