陳濤
摘? 要:東風(fēng)鼎新動力系統(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,這兩個殼體由高壓鑄造方法生產(chǎn),在產(chǎn)品開發(fā)及量產(chǎn)過程中經(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)量問題;合格率
中圖分類號:U463? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? 文章編號: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)鼎新動力系統(tǒng)科技有限公司(以下簡稱DPT)的濕式雙離合器變速箱,它采用了創(chuàng)新的級聯(lián)齒輪組、電動機(jī)械式換擋驅(qū)動系統(tǒng)和新型電動液壓離合器執(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、潤滑液、冷卻管和外部冷卻系統(tǒng),對殼體綜合機(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)量問題的解決方式進(jìn)行說明。
1? ? 變形問題的解決
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)×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)計為1.0055%。
實際在壓鑄初始試模過程中在檢測時產(chǎn)品孔位位置度時,發(fā)現(xiàn)壓鑄出的產(chǎn)品位置度尺寸與設(shè)計要求差異較大(個別位置度超差30%以上),但排查檢查模具尺寸制造合格,收縮率與實際尺寸對比也符合收縮規(guī)律。為找到問題產(chǎn)生原因,采用3D掃描實物殼體與理論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)域為2.39mm,C區(qū)域為0.74mm。因產(chǎn)品是以毛坯A、B、C處的凸臺點(diǎn)為后續(xù)的加工定位基準(zhǔn)及測量基準(zhǔn),此變形導(dǎo)致在測量時,其他尺寸投影到以A、B、C為基準(zhǔn)的平面上時,各孔位位置度超差。
產(chǎn)生這一問題的原因分析:①高壓鑄造的模具設(shè)計原則之一是產(chǎn)品最終成型脫模后,產(chǎn)品留在動模上,這就要求作用在動模上的包緊力大于作用在定模上的包緊力,同時因為DCT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模上,產(chǎn)品脫模時必然受到向定模方向的拉力;②模具在左、下、右三個方向有滑塊,在脫模前有輔助夾緊的作用,在上方B處支撐力最小,在熱收縮過程中,有整體上向腔體內(nèi)凹的趨勢;以上兩個主要原因?qū)е翨處變形最大,C點(diǎn)次之。
解決此問題的改進(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個定模頂桿,在C處增加兩個定模頂桿,定模頂桿是靠復(fù)位桿頂出的,合模時動模平面把復(fù)位桿壓進(jìn)定模內(nèi),開模時來自動模的壓力消失,后面的推板彈簧再把頂桿頂出來,主動推動產(chǎn)品從定模上脫出,從而實現(xiàn)抵消脫模變形。
經(jīng)過模具的更改,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,滿足對毛坯輪廓度0.7mm的要求,得以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
2? ? 殼體氣縮孔及泄漏問題的解決
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,這些缺陷因會影響螺栓聯(lián)接強(qiáng)度、表面密封性等功能要求而報廢。
為解決這些問題,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,極易造成模具過熱,引起粘模拉傷、熱裂紋等缺陷。因此需要對深腔模具通點(diǎn)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,通過1.0~1.5Mpa高壓水,對直徑大于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)合模擬及實際產(chǎn)品的統(tǒng)計分析數(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)生的縮孔不能通過壓鑄工藝、增加冷卻方式等進(jìn)行預(yù)防,這時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,在最后凝固的厚壁處通過擠壓桿施加壓力以強(qiáng)制補(bǔ)縮來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單,但實際操作起來卻并不簡單,需要解決以下問題:
a.擠壓時間的確定:擠壓開始過早,金屬液還沒開始凝固,如果加壓則金屬液回流向其他部位,則加壓桿無法有效加壓;加壓開始過晚,金屬液已經(jīng)凝固,則加壓桿壓力無法傳遞到產(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0.8-2S或更多,應(yīng)逐步通過工藝試驗確定最終的擠壓時間;
b.加壓壓力的確定:加壓壓力過小則起不到應(yīng)有的作用,無法突破表層對內(nèi)部施加補(bǔ)縮;加壓壓力過大,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.加壓長度及擠壓體積的確定:加壓長度過短,無法消除縮孔缺陷,加壓長度過長,則造成能量浪費(fèi)。在確定加壓長度之前,我們需明確實際需要的壓縮體積。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)。
則加壓桿長度:L=4Vmax/πD2且L/D<1.5。
2.3? ?二級擠壓
二級擠壓是設(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,再啟動二次擠壓動作,最終實現(xiàn)預(yù)鑄及擠壓的雙重效果。以變速箱殼體為例,項目初期變速箱殼體氣密測試合格率不足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)主要的實施方法為使用二級擠壓,具體實施方案如下:
1、擠壓行程:擠壓行程按局部收縮體積計算約為12mm。
2、擠壓延時:在通過CAE分析并結(jié)合實際壓鑄表現(xiàn)后,為充分驗證最合理的擠壓延時,我們從4.0-6.0秒,按間隔0.5秒,分別驗證5組擠壓延時的改善效果,以加工驗證60件的氣密檢測結(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。它們在引導(dǎo)金屬液填充型腔的過程中,對金屬液的流動狀態(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)計及最終定型必須采取理論與實踐相結(jié)合的方法。
對于雙離合變速器殼體模具的初始設(shè)計評審中,對澆排系統(tǒng)的評審重點(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)到各個分割的遠(yuǎn)離部位同時填滿和同時凝固;(3)盡量減少和避免金屬流過多的曲折和迂回,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?。?nèi)澆口與型腔連接處應(yīng)以圓弧或小圓角過渡連接,同時也可考慮增設(shè)小平臺方式防止去澆口時的崩缺。
改進(jìn)實例:
2017年12月DPT離殼毛坯共計生產(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)生原因為:電機(jī)孔120區(qū)域為澆口下方區(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,在填充開始時就對電機(jī)孔處填充,避免回流卷氣。方案實施后,通過加工4180件驗證,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)用并借助動力驅(qū)動獲得壓鑄件的熱加工工藝過程。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)、各種時間(充型時間、保壓時間、留模時間等)、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)實驗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題,經(jīng)過供需雙方確認(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體內(nèi)部,以解決局部收縮縮松的問題。
總結(jié):東風(fēng)鼎新動力系統(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DCT200兩個平臺系列共計十余種DCT雙離合變速箱產(chǎn)品,目前共計生產(chǎn)30余萬套,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)價值及社會價值。
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