鋁合金離合器殼體鑄件縮松缺陷分析

淡 瑤

(陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西 寶雞 722409)

鋁合金消失模鑄造中鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計是非常關(guān)鍵的。本文根據(jù)集成式離合器殼體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點,解決鑄件縮松和縮孔缺陷的問題。分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu),合理設(shè)置澆口,提高澆鑄系統(tǒng)的補縮能力,借助MAGMA仿真模擬軟件對凝固過程進行模擬,結(jié)合現(xiàn)場的試驗,解決鑄件關(guān)鍵位置的縮松和縮孔缺陷問題。澆注系統(tǒng)的補縮能力與內(nèi)澆口的位置、內(nèi)澆口的尺寸有非常密切的關(guān)系。通過澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,提高澆注系統(tǒng)的補縮能力,延遲內(nèi)澆口的凝固時機,可有效解決縮孔和縮松缺陷。

1 工藝設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)分析

離合器鑄件如圖1所示,外形尺寸φ540 mm×464.3 mm,重量約33.45 kg,未注壁厚7 mm,材質(zhì)為AlSi7Mg合金。為了保證鑄件的外觀和減少變形,根據(jù)經(jīng)驗,澆注過程鑄件離合器端朝上。

圖1 離合器鑄件結(jié)構(gòu)Fig.1 Clutch casting structure

圖1 (a)為圖1 (b)虛線區(qū)域剖視圖,此區(qū)域集成了氣缸和撥叉軸三排盲孔(以下簡稱三排孔),為保證氣缸的前度配置有加強筋,此處氣缸及加強筋在隔板以上,鋁液的流向向上;三排孔深度56 mm、直徑φ17 mm、壁厚15 mm,與隔板結(jié)合區(qū)域形成熱節(jié)。此處即為鑄件縮松缺陷位置。三排孔在隔板以下部分鋁液的流向向下,且分散為多個區(qū)域,對熱節(jié)區(qū)域的補縮和冷卻造成影響。

圖1(c)為圖1(b)實線區(qū)域剖視圖,鑄件隔板上下均有較深凹槽,最大凹槽深度為98.5 mm,寬度為27 mm。潤滑油過濾凹槽的尺寸為:直徑φ41.1 mm,深度164 mm。鑄件還有多處深槽結(jié)構(gòu),深度和長度各不相同。此處鋁液通過隔板流動至鑄件底部過程需要有兩次分流,降低了鋁液的溫度,影響了鋁液的流動性,不利于厚大部位的補縮。

該鑄件特點為:鑄件集成了氣缸、過濾等功能性結(jié)構(gòu);減重槽較多;鑄件高度464.3 mm,隔板距底面196.5 mm,鋁液的最大流程為664 mm。基于以上特點,結(jié)合消失模鑄造干砂造型、模型涂層涂覆等必要條件,此鑄件不利于消失模鑄造過程的填砂造型和鋁液充型,增大了鑄件縮松缺陷的解決難度。

1.2 主要缺陷

此鑄件的主要缺陷為縮松、縮孔,位置集中在隔板的三排孔區(qū)域和氣缸區(qū)域,見圖2。

圖2 鑄件缺陷Fig.2 Casting defects

1.3 原因分析

1.3.1 工藝設(shè)計和澆注條件

該工藝設(shè)計存在澆注系統(tǒng)補縮能力不足和內(nèi)澆口凝固早于縮松區(qū)域的問題。

澆注條件包括澆注溫度和澆注速度。隨著澆注溫度升高,液態(tài)金屬的液態(tài)收縮率增大。澆注溫度為750～760 ℃,鋁液從澆注溫度冷卻至室溫產(chǎn)生的收縮為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮之和。其中,液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因,而固相收縮對應(yīng)力、變形與裂紋的影響較大。隨著澆注溫度降低,澆注系統(tǒng)的補縮能力會降低。澆注速度越快,充型過程不穩(wěn)定,易于卷氣,局部壁厚較大區(qū)域不能穩(wěn)定充型,也無法持續(xù)得到鋁液補充,因此,形成縮孔和縮松缺陷的風(fēng)險會增加。

鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計和澆注條件需要同時考慮,澆注系統(tǒng)對應(yīng)合適的澆注溫度和澆注速度,鑄件的質(zhì)量也會得到相應(yīng)的改善。

1.3.2 鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件隔板三排孔區(qū)域和氣缸結(jié)構(gòu)區(qū)域存在壁厚突變的情況,缺陷表現(xiàn)為縮松和縮孔。內(nèi)澆口通過均勻壁厚區(qū)域?qū)X液推送至三排孔和氣缸區(qū)域,而這些區(qū)域的壁厚均在25 mm以上,且熱節(jié)范圍較集中,鋁液積蓄熱量,型砂接觸散熱較慢,故而凝固稍晚于均勻壁厚區(qū)域。周圍均勻壁厚區(qū)域凝固后,導(dǎo)致三排孔和氣缸區(qū)域的液態(tài)金屬在凝固過程中無法得到持續(xù)的液態(tài)金屬補充,同時存在液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮,形成集中的縮孔和縮松缺陷。

1.3.3 型砂的冷卻能力

型砂的溫度和蓄熱能力對鑄件的縮松和縮孔也有較大的影響。當(dāng)型砂溫度一定時,型砂的蓄熱系數(shù)越小,鑄件冷卻速度越慢;當(dāng)蓄熱系數(shù)一定時,型砂溫度適當(dāng)降低,鑄件冷卻速度會加快。

2 試驗方法

考慮消失模鑄造工藝特點、鑄件結(jié)構(gòu)及澆注系統(tǒng)清理的效率,在鑄件隔板的中心孔位置設(shè)置內(nèi)澆口,澆鑄系統(tǒng)直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的阻流面積依次減小。

采用MAGMA仿真模擬軟件,對于內(nèi)澆口位置、尺寸和澆口窩尺寸、大小進行不同方案的設(shè)計和仿真模擬。

由于消失模鑄造工藝的沖型和凝固過程較普通的砂型鑄造過程復(fù)雜,鋁液的充型方向、模型的氣化和液化情況存在很多不確定性,因此,根據(jù)產(chǎn)品情況和缺陷位置,加設(shè)澆口窩,設(shè)計了四種澆鑄方案,并進行仿真模擬。

方案一:在中心孔設(shè)置圓形內(nèi)澆道,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,即內(nèi)澆口的阻流形狀為環(huán)狀,其與鑄件接觸寬度為15 mm。模擬結(jié)果見圖3(a)。

(a)方案一;(b) 方案二;(c) 方案三;(d) 方案四圖3 不同方案的仿真模擬結(jié)果(a) scheme I; (b)scheme II; (c)scheme III; (d)scheme IVFig.3 Simulation results of different schemes

方案二:在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,其中一個內(nèi)澆口正對三排孔中間圓形凸臺。仿真模擬結(jié)果見圖3(b)。

方案三:在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,其中一個內(nèi)澆口的方向與中心孔和三排孔中間圓形凸臺圓心的連線呈45°。仿真模擬結(jié)果見圖3(c)。

方案四:在中心孔設(shè)置內(nèi)澆口,呈T字型分布,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,取消正對三排孔中間圓形凸臺的內(nèi)澆口,其余三個內(nèi)澆口方向與方案二相同。仿真模擬結(jié)果見圖3(d)。

根據(jù)模擬結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗,方案一采用圓形內(nèi)澆口,三排孔區(qū)域縮松風(fēng)險較小,但是需要機加工去除內(nèi)澆口。方案二采用十字型內(nèi)澆口,方向正對三排孔中間圓形凸臺,縮松風(fēng)險仍然存在。方案三采用十字型內(nèi)澆口,方向與中間凸臺方向成45°,縮松風(fēng)險較方案二高。方案四中三排孔處縮松風(fēng)險最高。綜合考慮,采用方案二進行鋁合金離合器殼體澆鑄。并對方案二中對不同內(nèi)澆口厚度進行對比和實驗,內(nèi)澆口厚度分別為12、15和20 mm時,仿真模擬結(jié)果見圖4。

(a)12 mm;(b)15 mm;(c)20 mm圖4 不同內(nèi)澆口厚度的仿真模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of different inner gate thicknesses

3 試驗結(jié)果

在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度12 mm,其中一個內(nèi)澆口正對三排孔中間圓形凸臺,加設(shè)直徑為80 mm、高度為40 mm的澆口窩。澆鑄6件,其中3件出現(xiàn)縮松缺陷,位置在三排孔區(qū)域,探傷照片見圖5(a)。

(a)內(nèi)澆口厚度10 mm;(b)內(nèi)澆口厚度15 mm;(c)內(nèi)澆口厚度20 mm圖5 鑄件探傷照片(a)inner gate thickness of 10 mm; (b)inner gate thickness of 15 mm; (c)inner gate thickness of 20 mmFig.5 Flaw detection of castings

在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,其中一個內(nèi)澆口正對三排孔中間圓形凸臺,加設(shè)直徑為80 mm、高度為40 mm的澆口窩。無縮松缺陷,探傷照片見圖5(b)。經(jīng)過單次澆鑄12～24件,多個批次驗證,澆鑄數(shù)量大于300件,未發(fā)現(xiàn)縮松。

在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度20 mm,其中一個內(nèi)澆口正對三排孔中間圓形凸臺,加設(shè)直徑為80 mm、高度為40 mm的澆口窩。澆鑄6件,其中2件出現(xiàn)縮松缺陷,探傷照片見圖5(c)。

4 結(jié)論

內(nèi)澆口的尺寸、位置及澆口窩的設(shè)置對鑄件的內(nèi)部質(zhì)量有很大的影響。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金離合器殼體鑄件,采用中心孔進澆,在中心孔設(shè)置十字型澆口,每個澆口寬度40 mm,由厚度25 mm倒斜角至厚度15 mm,其中一個內(nèi)澆口正對三排孔中間圓形凸臺,加設(shè)直徑為80 mm、高度為40 mm的澆口窩,可以消除三排孔區(qū)域的縮松缺陷。