基于AnyCasting的換擋塔壓鑄缺陷分析及工藝改進(jìn)

劉高劍，鄭偉剛，李 威，楊 寧

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

基于AnyCasting的換擋塔壓鑄缺陷分析及工藝改進(jìn)

劉高劍，鄭偉剛*，李 威，楊 寧

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

換擋塔原壓鑄工藝易出現(xiàn)縮松縮孔缺陷，本文對(duì)原壓鑄工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)澆注系統(tǒng)，利用Anycasting模擬壓鑄成形工藝中金屬液充型和凝固過(guò)程。分析表明，金屬液能夠平穩(wěn)充型，鑄件形狀比較完整，鑄件凝固過(guò)程比較合理，整體上實(shí)現(xiàn)了順序充型和順序凝固。壓鑄工藝改進(jìn)后，鑄件縮松縮孔缺陷明顯改善，質(zhì)量大幅提升，鑄件的成品率和生產(chǎn)效率得到了較大的提高。

換擋塔；壓鑄工藝；Anycasting

壓力鑄造是在高壓下將金屬液快速充填模具型腔內(nèi)，獲得的鑄件具有強(qiáng)度高、表面硬度高等較好力學(xué)性能的特種成形工藝[1]。壓鑄現(xiàn)在已成為成形鋁合金零件的重要方式。在充型過(guò)程中，由于壓鑄工藝的高速充型及高壓凝固特點(diǎn)，不能完全消除裹氣現(xiàn)象，易產(chǎn)生氣孔、冷隔等缺陷。另由于鑄件壁厚不均勻，金屬熔體在型腔內(nèi)不易做到順序凝固，壓鑄件在成形中會(huì)出現(xiàn)縮松、縮孔。鑄件一旦產(chǎn)生明顯缺陷，將導(dǎo)致零件的氣密性下降，在使用過(guò)程中易出現(xiàn)泄漏，產(chǎn)品報(bào)廢率明顯上升[2]。運(yùn)用鑄造模擬軟件仿真分析鑄件的充型及凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)的縮孔、縮松等缺陷，提高了鑄件的設(shè)計(jì)質(zhì)量，且節(jié)約了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)試制周期。

本文利用鑄造軟件Anycasting，模擬分析換擋塔鑄造過(guò)程，根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)澆注系統(tǒng)及優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 壓鑄分析數(shù)學(xué)模型

在充型過(guò)程中，金屬液以紊流方式流動(dòng)，因而鑄造模擬過(guò)程中多采用k-ε雙方程紊流模型。在直角坐標(biāo)系下，將紊流的對(duì)流換熱控制方程、紊流模型中的動(dòng)能、耗散率以及處理自由表面的體積函數(shù)方程用統(tǒng)一傳輸方程表示為：

(1)

式中：Xi為坐標(biāo)分量，i=1，2，3；ρ為金屬液密度；φ為通量；ui為向上的速度分量；Sφ為源項(xiàng)；Γφ為傳輸系數(shù)；t為時(shí)間。

目前主要采用經(jīng)驗(yàn)性公式和判據(jù)進(jìn)行鑄件縮孔、縮松缺陷預(yù)測(cè)。常用的是新山英輔判據(jù)(Niyama)：

(2)

式中：GSC為溫度梯度；RSC為冷卻速度；kc為常數(shù)。

2 原工藝方案

2.1 工藝特點(diǎn)分析

換擋塔屬于汽車換擋系統(tǒng)，是汽車換擋機(jī)構(gòu)的重要部件之一。其是整個(gè)汽車變速器的骨架，內(nèi)外安裝換擋機(jī)構(gòu)的各種零部件。換擋塔內(nèi)裝有機(jī)油，其主要作用是潤(rùn)滑和傳遞力矩。因此該產(chǎn)品須滿足一定的密封要求，在使用中不允許發(fā)生泄漏。外形尺寸為：164 mm×80 mm×140 mm，鑄件最厚處尺寸為17 mm，最薄處尺寸為2.5 mm，平均壁厚尺寸為4.8 mm。鑒于換擋塔殼體壁厚均勻性差，局部太厚，鑄造成形過(guò)程中容易產(chǎn)生冷隔、縮孔、縮松等缺陷。鑄件材料采用ADC12鋁合金，其物理性能參數(shù)：固相線溫度為515 ℃，液相線溫度為580 ℃，熱傳導(dǎo)率為92 W·m-1·K-1，熱焓為389 kJ·kg-1，體積收縮率為7.14%，模具材料采用SKD61模具鋼。

2.2 原生產(chǎn)工藝

原壓鑄工藝的溢流槽及澆注系統(tǒng)見圖1。初始參數(shù)見表1。

圖1 原幾何模型

參數(shù)項(xiàng)參數(shù)值金屬澆注溫度/℃620模具初始溫度/℃180慢壓射速度/(m·s-1)0．1快壓射速度/(m·s-1)5

2.3 產(chǎn)品缺陷及分析

在鑄件的充型和凝固過(guò)程中，澆注溫度、充型速度、模具預(yù)熱溫度是影響鑄件品質(zhì)的關(guān)鍵工藝因素。金屬液的澆注溫度過(guò)低，其流動(dòng)性會(huì)下降，造成澆不足、冷隔等缺陷。澆注溫度過(guò)高，金屬液凝固的收縮量會(huì)變大，易產(chǎn)生縮孔、縮松。金屬液充型的速度慢會(huì)降低組織致密度。充型的速度太快易使內(nèi)部氣孔率增加；模具預(yù)熱溫度過(guò)高，會(huì)使金屬液冷卻速度變慢，晶粒較大；模溫過(guò)低會(huì)使進(jìn)入模具的金屬液因激冷而無(wú)法成形。

原工藝生產(chǎn)的壓鑄件的缺陷有冷隔、縮孔、縮松。產(chǎn)生上述缺陷的原因經(jīng)過(guò)理論分析有：①澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，金屬液不能快速充填模型，會(huì)使鑄件出現(xiàn)冷隔。②模具的預(yù)熱溫度低，使得金屬液流動(dòng)性差，易造成冷隔缺陷。③鑄件壁厚不均勻，局部壁厚太厚，存在較大的溫度梯度，是產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷原因。

3 優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化工藝

通過(guò)理論分析和做正交模擬實(shí)驗(yàn)，提出解決鑄件存在的缺陷措施改善澆注系統(tǒng)，且優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)。在澆注系統(tǒng)方面，增加澆道的數(shù)量，在殼體壓鑄模下方的換擋塔后殼體長(zhǎng)邊肋板處增設(shè)一條橫澆道作為主澆道，其截面形狀采用扁梯形，金屬液充型時(shí)散熱慢，流動(dòng)平穩(wěn)；另為獲得較好表面質(zhì)量及較高致密度的壓鑄件，保證最終靜壓力的傳遞作用[3]，增加了內(nèi)澆口的數(shù)量及厚度，可使充型時(shí)間變短。運(yùn)用三維CAD軟件完成換擋塔殼體、澆注及排溢系統(tǒng)的實(shí)體建模，并導(dǎo)入到鑄造軟件的前處理模塊中，完成裝配，見圖2。

圖2 3D幾何模型

由于鑄件的不規(guī)則性，為了保證模擬精度，減少計(jì)算時(shí)間，采用可變網(wǎng)格劃分鑄件，網(wǎng)格數(shù)量為2465580。優(yōu)化工藝參數(shù)，見表2。

表2 優(yōu)化的工藝參數(shù)

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1 充型過(guò)程

通過(guò)軟件后處理模塊可查看金屬液充填型腔的流動(dòng)過(guò)程，并未出現(xiàn)卷氣等不良現(xiàn)象。

圖3是鑄件充型開始和將要結(jié)束的充型狀態(tài)。從圖上看出，整個(gè)型腔的充型時(shí)間約為0.015 s。從整體來(lái)說(shuō)，金屬液由直澆道進(jìn)入橫澆道，分流成兩股，由主副澆道共同充填型腔，金屬液在主副澆道交匯的位置易產(chǎn)生卷氣，需注意[4]。金屬液經(jīng)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔后，平穩(wěn)地向換擋塔的遠(yuǎn)端流動(dòng)，直到完成型腔充填，整個(gè)換擋塔基本實(shí)現(xiàn)了順序充型，金屬液流動(dòng)較為平穩(wěn)，能夠有效地排出型腔內(nèi)的氣體，減少了卷氣缺陷，符合全壁厚充填理論[5]，能夠滿足生產(chǎn)要求。

(a)t=0.1216 s (b)t=0.1363 s圖3 鑄件的充型狀態(tài)

3.2.2 凝固過(guò)程

充型完成后整個(gè)型腔及澆注系統(tǒng)的凝固狀態(tài)如圖4所示，可以看出整個(gè)系統(tǒng)完全凝固時(shí)所用時(shí)間約為40.5 s。

(a)t=2.7791 s (b)t=20.8565 s

(c)t=15.6341 s圖4 凝固狀態(tài)

從鑄件的凝固次序圖4可以看出，由于鑄件壁厚相差較大，導(dǎo)致凝固時(shí)的溫度場(chǎng)未能作同速下降，內(nèi)澆口及鑄件薄壁由于凝固過(guò)早，壁厚較大的位置凝固時(shí)不能得到有效的補(bǔ)縮，因而形成了圓圈位置的孤立液相區(qū)(圖4(c))，縮孔、縮松缺陷極易出現(xiàn)在孤立液相區(qū)[6]。因此在模具設(shè)計(jì)中要加大這些地方的冷卻。

3.2.3 模擬驗(yàn)證

在AnyCasting中采用Niyama1進(jìn)行缺陷分析，結(jié)果見圖5。圖中圓圈位置殘余熔體模數(shù)最高大于0.9，鑄件可能出現(xiàn)缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的鑄件缺陷，與測(cè)試的結(jié)果相吻合。根據(jù)以上模擬結(jié)果正確指導(dǎo)換擋塔鑄件鑄造工藝方案及模具設(shè)計(jì)，為了消除局部壁厚引起的縮孔、縮松缺陷，我們可采用超點(diǎn)冷工藝[7]，這樣可使換擋塔鑄件質(zhì)量更符合性能要求，減少了原鑄件中縮孔、縮松缺陷，提高了鑄件質(zhì)量(圖6)。

圖5 鑄件的缺陷概率

圖6 實(shí)體模型

4 結(jié)論

(1)利用軟件AnyCasting動(dòng)態(tài)模擬壓鑄過(guò)程，有效地預(yù)測(cè)出鑄件中縮孔、縮松等缺陷及位置。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果，改進(jìn)澆注系統(tǒng)，優(yōu)化工藝參數(shù)，可縮短工藝試制周期、降低試驗(yàn)成本和提高鑄件的質(zhì)量。

(3)改進(jìn)后所得換擋塔，縮孔、縮松現(xiàn)象明顯減少，但無(wú)法消除上述缺陷，這是壓鑄工藝特點(diǎn)所決定的，考慮采用擠壓鑄造工藝進(jìn)行改善。

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[2] 李智運(yùn).基于MAGMA的鋁合金閥體壓鑄缺陷分析及優(yōu)化[J]．特種鑄造及有色合金，2014,34(11):1148-1150.

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[4] 王大鵬，王超，喬士平．基于ProCAST對(duì)汽車附件支架壓鑄過(guò)程的數(shù)值模擬分析[J]．熱加工工藝，2015,44(11):114-116.

[5] 齊衛(wèi)東.壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[6] 羅繼相，蔡超群，黃穎斌，等．摩托車鉗體件間接擠壓鑄造技術(shù)研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(15):104-107.

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(責(zé)任編輯：周曉南)

Die- casting Defect Analysis and Process Improvement of Shift Tower Based on AnyCasting

LIU Gaojian, ZHENG Weigang*, LI Wei, YANG Ning

(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The original die casting process of the shift tower is prone to shrinkage porosity defects. In this paper, the die casting process was improved, the original gating system was improved, the metal liquid filling and solidification process of the die casting process was simulated by using Anycasting. The analysis shows that the metal fluid can be smoothly filled, the Casting shape is complete,the solidification process of castings is reasonable, the sequence filling and solidification sequence were achieved in whole. Shrinkage cavity defects of castings are improved obviously, significantly enhancing the quality, the finished product rate and production efficiency were greatly improved.

shift tower; die casting; Anycasting

1000-5269(2016)06-0026-03

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.07

2016-05-04

貴州省科學(xué)技術(shù)廳、貴州大學(xué)聯(lián)合資金項(xiàng)目(黔科合LH字[2014]7622號(hào))

劉高劍(1988-)，男，在讀碩士，研究方向：現(xiàn)代制造工藝及裝配，Email：way682@163.com.

*通訊作者： 鄭偉剛，Email：weigangzheng@163.com.

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