劉 祥，林 波，唐建敏

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學院汽車工程學院，重慶 永川 402160)

隨著鑄造技術(shù)的快速發(fā)展，為提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，企業(yè)采用計算機仿真模擬的應用越來越多，模擬鑄造成型過程正在成為國家汽車鑄造關(guān)注的前沿領(lǐng)域之一[1-3]。清華大學、日本新東工業(yè)都進行過濕型砂鑄造過程模擬，德國亞琛工業(yè)大學進行過對射芯數(shù)據(jù)模擬。國內(nèi)汽車鑄造業(yè)使用模擬軟件在鑄件充型模擬、鑄造凝固模擬、凝固溫度場模擬以及鑄造缺陷預測與分析方面，已經(jīng)逐步在行業(yè)、企業(yè)內(nèi)開展應用。本文以企業(yè)真實的變速箱殼體零件鑄造為例，使用軟件對零件進行仿真模擬及實物對比分析，排除和改進多項鑄件可能的缺陷點及工藝參數(shù)，其創(chuàng)新點為：通過將模擬結(jié)果和試制結(jié)果相結(jié)合，可快捷地找到可能的缺陷點并得到可量化的數(shù)值，同時檢測試制件還可修正軟件模擬的誤差，為調(diào)整工藝參數(shù)提供可靠、合理的依據(jù)，軟件模擬還可顯著減少企業(yè)鑄件試制的次數(shù)，成本明顯減少。

變速箱殼體是變速箱重要的外部保護裝置，同時其還承擔著內(nèi)部零件的安裝、潤滑及散熱等多項功能，屬于高強度、高韌性、耐腐蝕的大型薄壁復雜零件[4-7]。由于變速箱殼體結(jié)構(gòu)復雜力學性能要求高，企業(yè)在進行鋁合金鑄造時往往廢品率很高，急需采用先進的技術(shù)手段來預測鑄造缺陷的產(chǎn)生，以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本[8]。在鑄造企業(yè)，常用的缺陷預測方法是鑄造軟件的壓鑄充型模擬，結(jié)合試件的鑄造對比分析，其缺陷預測準確性可達90%以上[9]。本文利用三維軟件創(chuàng)建的汽車變速箱殼體模型，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后將其導入Magma軟件中進行充型模擬分析。模擬及實驗的最終目的為：①觀察分析鑄造方案的充型流態(tài)是否正常；②分析鑄造方案中的吸氣和縮孔狀況是否嚴重；③找到最佳模擬效果，選取合適的鑄造工藝參數(shù)。

1 變速箱殼體鑄造工藝參數(shù)設(shè)置

首先通過三維軟件設(shè)計鑄造件的數(shù)值模型，其模型包括：①汽車變速箱殼體模型；②壓鑄用熔杯模型；③主流道與分流道模型；④鑄造冒口模型；⑤排氣槽模型等。再將鑄造件的數(shù)值模型導入模具設(shè)計軟件中，生成模具的模腔，設(shè)計冷卻水水道，分模并形成定模和動模。圖1為鑄件在模具中的安放位置，圖2為鑄件的冷卻水道設(shè)置。

圖1 鑄件在模具中的位置Fig.1 Position of the casting in mold

變速箱殼體零件的壓鑄分析需經(jīng)過仿真模擬和產(chǎn)品試驗兩個環(huán)節(jié)，仿真模擬和產(chǎn)品試驗均可按照相同的工藝參數(shù)進行。經(jīng)過多次試驗和改進，本零件的壓鑄工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 鑄件冷卻水道設(shè)置Fig.2 Casting channel setting

表1 工藝參數(shù)設(shè)置

2 變速箱殼體模擬充型效果

為了使鑄件充型精確并盡可能減少空氣卷入，鑄造時需各流道充填速率基本一致，充填速率的測試可通過軟件中的流速測試模塊得到。圖3為鑄造時主流道與各分流道的充型速度圖，其中主流道流速為52-57 m/s，各分流道流速為42-59 m/s，各部位充型速率基本一致，可以保證鑄件充填的準確性。

圖4為模擬充填完成后的充型效果圖。從效果圖中可以發(fā)現(xiàn)鑄件充型完整，整體流速均勻，未發(fā)現(xiàn)有流速異常及鑄造死角的部位。

3 填充缺陷預測與質(zhì)量狀況分析

采用鑄造方法制造的零件普遍存在鑄造缺陷多，潛在缺陷不易察覺等現(xiàn)象?？傮w來說，鑄造缺陷主要有填充缺陷和凝固缺陷兩類[10]。鑄件的填充缺陷主要有：①局部溫度過低，易出現(xiàn)氣孔；②最后充填部位易形成裹氣；③產(chǎn)品尾端或拐角處，易侵入氣體等。

圖3 模擬充型速度Fig.3 Filling simulation velocity

圖4 模擬充型效果Fig.4 Filling simulation outcome

圖5紅色標記處為模擬充填中的局部溫度較低的位置，此處鋁液溫度約為625 ℃，比周圍鋁液溫度要低，同時此處在鑄造完成后需進行二次加工，容易出現(xiàn)鑄造缺陷。圖6為殼體加工后相同位置的對比圖，經(jīng)實物檢驗后發(fā)現(xiàn)此處材料并未出現(xiàn)鑄造缺陷問題，其原因是局部降溫并不明顯，未影響到加工區(qū)域。

鋁液充填溫度為650 ℃左右，在進入鑄造流道后逐漸開始降溫，因此鑄件充填的最后位置往往是鋁液溫度最低的位置。鋁液溫度過低易出現(xiàn)冷隔、氣孔等現(xiàn)象。本鋁合金液相線為578 ℃，圖7紅色標記處為鑄件充填的最后位置，鋁液溫度為595 ℃，比周圍鋁液溫度要低，而且接近液相線，此處易出現(xiàn)鑄造缺陷。圖8為殼體加工后相同位置的對比圖，經(jīng)鉆孔后并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，分析原因為鑄件表面溫度略低，內(nèi)部溫度合適，將表層不良組織切削后，內(nèi)孔并未出現(xiàn)問題。

圖5 填充溫度較敏感處Fig.5 Filling temperature of product

圖6 殼體加工后對照圖Fig.6 Physical contrast

圖7 填充溫度較敏感處Fig.7 Filling temperature of product

鑄件的另一種常見的缺陷是氣體侵入，氣體侵入主要是由于流體的劇烈攪動以及空氣的排出不暢等原因造成，故這類缺陷常常出現(xiàn)在鑄件的尾端或拐角處。圖9中三處位置為氣體侵入較嚴重的區(qū)域，這三個區(qū)域空氣卷入指數(shù)分別達到了10.13%、8.44%和11.82%，此處最常見的鑄造缺陷是形成皮下氣孔。圖10為零件相同位置的外形對比圖，由于這三個區(qū)域不是加工的重點部位，經(jīng)外觀檢查并無缺陷，滿足零件要求。

圖8 殼體加工后對照圖Fig.8 Physical contrast

圖9 氣體侵入敏感處Fig.9 Air entrainment rate

圖11中為另兩處氣體侵入較嚴重的區(qū)域，一個區(qū)域為零件拐角較大的位置，另一個區(qū)域處于充型的最末端，同時此處還是充型溫度較低的位置。這兩個區(qū)域空氣卷入指數(shù)分別達到了11.82%和13.51%，尤其是后一個區(qū)域空氣卷入明顯。圖12為殼體零件相同位置的外形對比圖，經(jīng)實物加工后未發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔缺陷，其原因同樣是加工切除了表面不良組織。

4 凝固缺陷預測與質(zhì)量狀況分析

鑄件在凝固過程中也容易出現(xiàn)一些缺陷，主要有：①局部材料受熱時間過長，易造成材料組織粗大；②材料降溫速度不一致，冷卻較慢的部位易出現(xiàn)縮孔或縮松；③鑄件中材料較多的部位易出現(xiàn)熱節(jié)，造成內(nèi)部孔洞或應力集中。圖13中為材料受熱時間過長造成材料老化的部位。圖14為相同位置的對比圖，經(jīng)加工后發(fā)現(xiàn)其老化程度在可加工范圍內(nèi)。圖15、16為另兩處材料老化區(qū)域，因不在重點加工部位可忽略。

圖10 殼體外形對照圖Fig.10 Physical contrast

圖11 氣體侵入敏感處Fig.11 Air entrainment rate

圖12 殼體外形對照圖Fig.12 Physical contrast

圖13 材料老化區(qū)域一Fig.13 Material age 1

圖14 外形對照圖Fig.14 Physical contrast

圖15 材料老化區(qū)域二Fig.15 Material age 2

鑄造材料在凝固時由于降溫速度不一致，在局部形成液相孤島易出現(xiàn)縮孔。圖17為模擬出的四個縮孔偏大的區(qū)域。分析發(fā)現(xiàn)位置1至位置4縮孔量分別為77.327、93.008、97.817和76.771，經(jīng)實物測試縮孔量在技術(shù)要求控制范圍內(nèi)，相關(guān)數(shù)值見圖18所示。

圖16 材料老化區(qū)域三Fig.16 Material age 3

圖17 材料縮孔Fig.17 Material shrinkage cavity

圖18 縮孔量數(shù)值Fig.18 Shrinkage cavity numerical

熱節(jié)也是造成鑄件形成缺陷的重要原因，鑄件中熱節(jié)均為壓鑄過程中溫度較高的區(qū)域，在箱殼零件中這樣的熱節(jié)非常多，其中較嚴重的熱節(jié)有兩個。圖19為箱殼零件中所有熱節(jié)的具體位置。圖20為鑄件中較大的兩個熱節(jié)的數(shù)值22.534 s和19.838 s，這兩處較易形成縮孔。在實際生產(chǎn)中通過加大冷卻水循環(huán)速度，進行實時控制等方法促使材料同步凝固，將溫度控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

圖19 熱節(jié)Fig.19 Hot spot

圖20 熱節(jié)數(shù)值Fig.20 Hot spot numerical

5 結(jié)論

鑄造軟件模擬共經(jīng)過15次循環(huán)模擬實驗，同時經(jīng)過多次實物對比分析，排除了多項變速箱殼零件可能的鑄造缺陷點，同時進行了一項控制熱節(jié)的工藝改進。實驗對鑄件中可能出現(xiàn)的氣孔、縮孔和熱節(jié)有了定量及定性的分析，對改進鑄造工藝參數(shù)提供了可靠的數(shù)據(jù)。將軟件中模擬的工藝參數(shù)復制到壓鑄機上，通過調(diào)整得到理想的控制參數(shù)，改進鑄件壓鑄的質(zhì)量。通過軟件的模擬還可了解到整個壓鑄過程的溫度動態(tài)變化，為溫度的實時控制提供可能。