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        變矩器渦輪低壓鑄造充型能力研究

        2020-11-25 04:27:46肖一
        金屬加工(熱加工) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:充型鑄型鑄件

        肖一

        陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院 陜西寶雞 722409

        1 序言

        液力變矩器是液力自動(dòng)變速器總成(AT)中,安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的裝置,是以液壓油為工作介質(zhì)的一種非剛性扭矩變換器,起傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合的作用,對(duì)整車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響。

        渦輪是液力變矩器三元件中的核心元件之一,主要起動(dòng)力輸出的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪帶動(dòng)相連的泵輪,液壓油在離心力作用下從泵輪流出沖向渦輪,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),動(dòng)力通過(guò)與渦輪連接的輸出軸傳至變速器。

        渦輪按制造方法主要可分為鈑金沖焊型和鑄造型,鈑金沖焊型廣泛應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域,鑄造型多用于大型商用車及工程機(jī)械行業(yè)。

        2 工藝設(shè)計(jì)

        某渦輪鑄件如圖1所示,為環(huán)形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),外形尺寸φ456mm×98mm,重量約10kg,材質(zhì)為A356合金。鑄件上有25片導(dǎo)流葉片與內(nèi)外環(huán)一起構(gòu)成液壓流道,流道出口側(cè)約15mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的葉片壁厚小于3mm,最窄處為葉片前端的圓角,只有R0.5mm左右(見圖2)。

        圖1 渦輪鑄件結(jié)構(gòu)

        圖2 葉片薄壁區(qū)域

        考慮到環(huán)形鑄件適合中心澆口進(jìn)料,且葉片細(xì)薄部分對(duì)澆注充型的要求較高,而低壓鑄造工藝的金屬液是在壓力下充型及凝固,充型能力優(yōu)于重力鑄造,鑄件的組織致密,力學(xué)性能較高,鑄件無(wú)或少冒口,出品率高,因此確定采用低壓鑄造工藝澆注渦輪鑄件[1]。

        葉片流道部分因結(jié)構(gòu)限制采用砂芯成形,其余部分為金屬型成形。澆道如圖3所示,設(shè)置到鑄件整體壁厚較厚的一側(cè),以十字形澆口完成充型及補(bǔ)縮功能。按澆注溫度710℃、充型時(shí)間8s(充型速度約為27mm/s),試制了一批鑄件。

        圖3 渦輪鑄件澆注系統(tǒng)

        對(duì)鑄件進(jìn)行剖切及射線檢測(cè),其內(nèi)部質(zhì)量良好,組織致密,無(wú)任何縮孔、縮松類缺陷,說(shuō)明澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,鑄件的凝固順序符合工藝要求,澆道補(bǔ)縮能力可以保證鑄件質(zhì)量要求。

        鑄件外觀質(zhì)量方面,約70%的鑄件其葉片前端都有不同程度的缺損,嚴(yán)重的葉片缺損如圖4所示,葉片成形質(zhì)量有待提高。

        圖4 葉片缺損

        3 缺陷分析

        3.1 缺陷判斷

        觀察各葉片的缺陷部位,有些為葉片局部缺損,有些為穿透或未穿透的縫隙,且兩者的邊緣均呈圓弧形,判斷應(yīng)為未澆足缺陷或冷隔缺陷。

        3.2 原因分析

        未澆足及冷隔缺陷一般是在金屬液充填鑄型過(guò)程中產(chǎn)生的,與液態(tài)金屬的充型能力聯(lián)系密切。液態(tài)金屬的充型能力是指其充滿鑄型型腔,獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力,是保證鑄件成形質(zhì)量的關(guān)鍵要素[2]。

        影響液態(tài)金屬充型能力的因素有很多,包括液態(tài)金屬的流動(dòng)性、鑄型的熱交換強(qiáng)度及阻力、澆注條件及鑄件的結(jié)構(gòu)等。前兩個(gè)因素從工藝角度來(lái)說(shuō)相對(duì)固定,在此我們主要對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)及變量較多的澆注條件進(jìn)行分析。

        經(jīng)統(tǒng)計(jì),缺陷產(chǎn)生的部位全部為距葉片前端約6mm范圍內(nèi),壁厚在0.5~1.5mm,而且越靠近邊緣也就是越薄的部位缺陷越嚴(yán)重。因?yàn)楸”趨^(qū)域與鑄型的接觸表面積較大,熱量散失較快,且表面張力產(chǎn)生的充型阻力也大,容易出現(xiàn)未澆足缺陷,此處區(qū)域的壁厚范圍已遠(yuǎn)低于一般低壓金屬型鑄造能達(dá)到的最小壁厚范圍,所以常規(guī)的澆注條件無(wú)法滿足渦輪鑄件葉片的充型能力要求。

        澆注條件方面,主要有以下幾個(gè)影響因素:

        (1)澆注溫度 在一定溫度范圍內(nèi),充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升,但越過(guò)某界限后,由于吸氣氧化嚴(yán)重,充型能力的提高幅度會(huì)大幅減小。

        (2)充型壓頭 液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大,充型能力就越好,但當(dāng)靜壓頭過(guò)大或充型速度過(guò)高時(shí),金屬液噴射或飛濺產(chǎn)生二次氧化,且型腔氣體來(lái)不及排出,增加反壓力,反而會(huì)形成未澆足缺陷。

        (3)澆注系統(tǒng) 一是鑄件上遠(yuǎn)離澆口的部位金屬液流程比較長(zhǎng),溫度散失大;二是內(nèi)澆道截面積過(guò)小,通過(guò)流量不足,易形成未澆足缺陷。理論上調(diào)整澆注系統(tǒng)可以減少上述缺陷發(fā)生的幾率,但此方法往往受到鑄件結(jié)構(gòu)或鑄型脫開的限制。

        針對(duì)渦輪葉片未澆足缺陷,需從以上澆注條件方面的因素考慮解決,為提高試制效率、降低成本,我們引入了德國(guó)MAGMA鑄造過(guò)程模擬軟件進(jìn)行輔助分析。圖5是初始方案的模擬結(jié)果,溫度場(chǎng)顯示,葉片前端的薄壁區(qū)域充型時(shí)的溫度已接近液相線溫度,發(fā)生未澆足缺陷的幾率較大,與實(shí)際情況基本吻合,流量曲線顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為2550cm3/s。

        圖5 初始方案充型階段的溫度場(chǎng)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線

        4 改進(jìn)方案

        4.1 調(diào)整澆注系統(tǒng),提高澆注溫度

        第一種改進(jìn)方案,適當(dāng)增大直澆道的直徑,并將內(nèi)澆道由十字形分布改為環(huán)形分布,即增大內(nèi)澆道截面積和通過(guò)流量,使每個(gè)葉片的充型分布更均勻,并將澆注溫度提高到720℃。

        圖6的模擬結(jié)果顯示,葉片薄壁區(qū)域仍有較高的缺陷產(chǎn)生幾率,問(wèn)題沒(méi)能得到根本解決,流量曲線顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為3000cm3/s。

        圖6 改進(jìn)方案1充型階段的液相態(tài)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線

        4.2 提高充型速度和澆注溫度

        第二種改進(jìn)方案,提高金屬液的充型速度,將充型時(shí)間縮短為5s(充型速度約為43mm/s),并將澆注溫度提高至730℃。

        圖7 改進(jìn)方案2充型階段的溫度場(chǎng)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線

        圖7 的模擬結(jié)果顯示,葉片薄壁區(qū)域的溫度場(chǎng)有較大提升,液相態(tài)分布顯示發(fā)生未澆足缺陷的幾率較低,流量曲線顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為3500cm3/s,圖8表明在此速度范圍內(nèi)鑄件發(fā)生卷氣類缺陷的可能性也較低。

        圖8 改進(jìn)方案2的卷氣狀態(tài)分布

        5 驗(yàn)證結(jié)果

        參照過(guò)程模擬分析的結(jié)果,采用改進(jìn)方案2進(jìn)行試制。實(shí)際澆注時(shí),澆注溫度設(shè)置為725℃,其余工藝參數(shù)均按第二種改進(jìn)方案,試制出的渦輪葉片輪廓清晰完整(見圖9),葉片合格率達(dá)到95%以上,其余部位的外觀及內(nèi)部質(zhì)量均符合質(zhì)量要求。

        圖9 改進(jìn)后的葉片輪廓清晰完整

        6 結(jié)束語(yǔ)

        以上改進(jìn)過(guò)程表明,充型速度及澆注溫度是提高低壓鑄造充型能力的關(guān)鍵因素,對(duì)于壁厚<3mm的葉輪類鑄件,必須保證有較高的充型速度和澆注溫度。此外金屬型的排氣也至關(guān)重要,良好的排氣系統(tǒng)可以最大程度地降低充型時(shí)的背壓阻力。

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