自動變速箱殼體壓鑄模設計

周承廣，勾長海，吳樹森，張 琦

（1.一汽鑄造有限公司鑄造模具設備廠，吉林長春 l30062；2.長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林 長春 l30033；3.華中科技大學，武漢 43004l；4.西安交通大學，西安 7l0049）

·鑄造模具·

自動變速箱殼體壓鑄模設計

周承廣l，勾長海2，吳樹森3，張 琦4

（1.一汽鑄造有限公司鑄造模具設備廠，吉林長春 l30062；2.長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林 長春 l30033；3.華中科技大學，武漢 43004l；4.西安交通大學，西安 7l0049）

本文系統(tǒng)地闡述了大型復雜壓鑄件自動變速箱殼體的工藝開發(fā)、模具設計、調(diào)試生產(chǎn)的整個過程，重點介紹了模具設計過程理論數(shù)據(jù)的分析和模具結(jié)構設計。模具三維設計及二維設計應用PTC/Creo，整套模具設計全部實現(xiàn)參數(shù)化，確保了工程更改的前后一致性，三維結(jié)構運用模擬裝配和干涉檢查，確保設計間隙，鑄造工藝過程采用MAGMA進行CAE分析，不斷完善優(yōu)化充型和凝固過程。該模具為超大型復雜模具，采用四個對角方向定位，避免高溫高壓下模具受熱變形引起定位不準，同時改用方導柱代替圓導柱導向，避免合模拉傷；采用水冷方式和油溫加熱方式控制模具溫度，提高鑄件質(zhì)量，保證壓鑄生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性；對金屬液末端及最后凝固的厚大部分采用局部擠壓技術，降低縮孔缺陷，提高組織致密性；采用真空壓鑄的方式減少鑄件內(nèi)部氣孔；同時采用復合式感應液壓缸抽芯，提高生產(chǎn)效率。

變速箱殼體；壓鑄機；CAE（計算機輔助工程）；局部擠壓；真空壓鑄

變速箱殼體壓鑄件是壓鑄產(chǎn)品中較為復雜，技術含量較高的鑄件，隨著汽車輕量化的推進和模塊化生產(chǎn)，國內(nèi)外先進的汽車集團已經(jīng)開始采用壓鑄工藝生產(chǎn)7速以上的變速箱殼體，甚至在跑車上應用l0速自動變速箱，變速箱壓鑄模具作為生產(chǎn)變速箱的最重要裝備，其模具設計、制造水平直接影響鑄件質(zhì)量的提高。由于其制造難度大，國內(nèi)目前只有極少數(shù)汽車廠家能夠自己開發(fā)7速自動變速箱產(chǎn)品，本文介紹的變速箱殼體為國內(nèi)開發(fā)的第一臺7速自動變速箱，鑄件結(jié)構如圖l所示。鑄件外形尺寸為：430×4l0×403 mm，鑄件材料為鋁合金Al-Si9Cu4，鑄件毛坯重量l2.5 kg，平均壁厚大約4 mm，鑄件尺寸較大，型腔比較復雜，充型困難，鑄件技術要求如下：

（l）內(nèi)腔密封性能要求在0.1 Mpa壓力下不能泄漏；

（2）由于裝配總成均為密封件，所以加工表面不允許有大于0.3 mm的氣孔.

l 模具方案設計

1.1 對模具結(jié)構的初步分析

根據(jù)鑄件的結(jié)構與技術要求，對鑄件進行工藝分析，確定主分型面，模具結(jié)構為四面?zhèn)瘸樾?，在下滑塊的一側(cè)布置澆道，澆道對側(cè)及左側(cè)設置溢流槽，工藝布置如圖2所示。為保證鑄件有較高的內(nèi)外質(zhì)量，模具內(nèi)必須設置一套合理的冷卻、加熱通道，保證在壓鑄過程中處于合理的熱平衡狀態(tài)，必要時可以考慮采用抽真空及局部擠壓技術。

1.2 壓鑄機的選擇

1.2.1計算主脹型力

主脹型力：F主=A×p/l0

式中：F主—主脹型力，kN；

A—液態(tài)金屬在分型面上的總投影面積：l 664 cm2（其中鑄件l 280 cm2，另加30%澆注系統(tǒng)的面積）；

p—壓室壓力，耐壓薄壁件取90 MPa；

F主=A×p=l 664×90/l0=l4 976 kN.

1.2.2 計算分脹型力

由于此模具四周形狀幾乎完全由側(cè)抽滑塊成型，側(cè)面分力很大，因此分脹型力不能忽略。

F分=A芯×p×tgα/l0

式中：F分—分脹型力，kN；

A芯—鑄件側(cè)抽滑塊成型處總投影面積：A右+A左+A上+A下=l000+500+800+400=2 700cm2；α-楔緊角，取l5°；

F分=A芯×p×tgα /l0=2 700×90×tgl5°/l0=6 5ll kN.

1.2.3 壓鑄機所需鎖模力

鎖模力 F鎖≥ 1.25（F主+F分）=1.25×（l4 976+6 5ll）=26 859 kN.

因此，結(jié)合生產(chǎn)廠家的現(xiàn)有設備，選用設備為布勒2 700 T臥式壓鑄機，機床鎖模力為2 700 kN，沖頭直徑￠l20 mm.該設備性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好，有較強的增壓能力，沖頭具備實時跟蹤功能，適合生產(chǎn)該類零件。

2 澆注系統(tǒng)和溢流、排氣系統(tǒng)設計

內(nèi)澆口截面積Ag=G/（ρvt）.

式中：G為通過內(nèi)澆口的金屬液質(zhì)量l3 600 g；

ρ為液態(tài)鋁合金密度，取2.4 g/cm3；v為填充速度取4.5 m/s；t填充時間取0.l5 s.

Ag=G/（ρvt）=l3 600/（2.4×45×0.l2）=944 mm2.

變速箱零件形狀復雜，并且極其不規(guī)則，有深腔及端面法蘭，非常不利于填充，而且壁厚不均，局部壁厚有2.5 mm，也有壁厚達l5 mm的厚大部位，零件近似于筒形，從產(chǎn)品形狀、質(zhì)量要求及模具結(jié)構布置方面綜合考慮，選擇下方滑塊設計澆注系統(tǒng)為最佳方案，內(nèi)澆道設計在外壁橫筋處，為了增加內(nèi)澆道的面積，利于充型，在不影響產(chǎn)品性能的前提下增加該筋的厚度，由原來的5mm增加到8mm.從左到右，內(nèi)澆口的寬度×厚度為40mm×4.0mm、64mm×4.0 mm、60 mm×4.0 mm，60 mm×4.0 mm，30 mm×4.0 mm.在左側(cè)、右側(cè)、上方難于充型和最后充型的部位設計溢流槽，便于排氣和充型。在排氣波板上預留抽真空的位置，設計抽真空安裝孔，后期調(diào)試如果需要，可以隨時采用抽真空工藝，如圖2所示。

經(jīng)過反復計算，采用CAE鑄造模擬軟件多次對澆注系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)進行模擬、分析、優(yōu)化，設計出最終澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 壓鑄工藝簡圖

圖3 優(yōu)化后的工藝方案簡圖

3 熱平衡系統(tǒng)設計

熱平衡系統(tǒng)主要控制模具溫度，對于大型復雜模具非常重要，如果熱平衡系統(tǒng)設計不合理，不僅會導致鑄件質(zhì)量缺陷和生產(chǎn)節(jié)拍不匹配，嚴重的會導致模具變形而無法生產(chǎn)。通過軟件熱平衡模擬分析，預見型腔部分熱分布情況及熱疲勞部位，對設計的冷卻、加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，確保模具在生產(chǎn)過程中保持良好的熱平衡，提高鑄件質(zhì)量及模具使用壽命。

3.1 冷卻系統(tǒng)設計

冷卻系統(tǒng)主要設計在成型部分的襯模與鑲塊上，起到模具冷卻的作用，控制模具在工作過程中的溫度平衡，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證模具連續(xù)生產(chǎn)，冷卻系統(tǒng)如圖4所示。圖4中淺色為冷卻水路，在局部深腔設計點冷。設計時，將型腔部分的冷卻系統(tǒng)通過管路連接到模架外側(cè)，每一個管路設計了單獨控制調(diào)節(jié)流量的開關，可以根據(jù)生產(chǎn)的實際情況調(diào)節(jié)流量、控制模具溫度，在模架外側(cè)設計集中冷卻器，所有冷卻水道集中到這里與設備冷卻裝置連接，方便拆卸。

3.2 加熱系統(tǒng)設計

采用模框油溫加熱。為提高模具使用壽命，減小模具試模時間，正式生產(chǎn)前需要對模具進行加熱，使模具達到正常生產(chǎn)的溫度，在?？蚶镌O計了加熱油道，由設備模溫機對模具進行加熱，在正常壓鑄前模具溫度達到200℃以上。這樣大大減少了試模次數(shù)，提高質(zhì)量，節(jié)約成本。圖4、圖5中深色管道為加熱油路。

3.3 模具型腔部分的熱平衡溫度場及熱疲勞模擬結(jié)果分析

圖4 熱平衡系統(tǒng)的布置

圖5 加熱系統(tǒng)的布置

用MAGMA模擬軟件對模具型腔部分的熱平衡溫度場及熱疲勞進行模擬，模擬結(jié)果如圖6、圖7.

由圖6可以看出靜襯模區(qū)域l溫度偏低，區(qū)域2溫度略微偏高；動襯模區(qū)域3明顯較周圍溫度偏低；型芯l上區(qū)域4溫度偏高；型芯4總體溫度分布較均勻；型芯2上的區(qū)域5爪形鑲塊溫度偏高；區(qū)域6與鑄件中間部位接觸，溫度也偏高；區(qū)域7與鑄件開口部位配合，溫度偏高。

圖6 模具型腔部分的熱平衡溫度場模擬

圖7 模具型腔部分的熱疲勞模擬

根據(jù)溫度分布情況及熱疲勞分布情況，在設計階段進行優(yōu)化設計，增加冷卻水道和局部點冷，對熱結(jié)部位及溫度低的部位對冷卻及加熱流道進行調(diào)整，同時，根據(jù)熱平衡模擬分析報告，調(diào)節(jié)壓鑄設備上進水溫度及流量控制，既保證了正常生產(chǎn)的溫度，也避免了局部過熱導致模具壽命降低，提高了模具設計質(zhì)量。

4 模具結(jié)構設計

4.1 型腔部分

型腔部分由六部分組成：動襯模，靜襯模，上滑塊，下滑塊，左滑塊，右滑塊。有效配合面（封鋁面）保證在l20 mm～l50 mm，滑塊與動襯?；瑒优浜蟽蓚?cè)做出斜度，防止拉傷，型腔凸起較高部位或易損部位做成鑲塊，更換方便，提高整個模具的使用壽命，見圖8和圖9.

圖8 右滑塊局部鑲塊示意圖

圖9 襯?；瑝K整體位置示意圖

4.2模架設計

模架一般包括動、靜?？蚝湍０澹鹬С心＞呒斑B接設備的作用。針對大型模架的設計要充分考慮強度和剛性，防止模具在生產(chǎn)過程中受力變形失效，模架尺寸設計要滿足其受力要求。靜模框底面緊貼壓鑄機安裝板，受力相對較小，厚度取l20 mm，四個滑塊受力面大，閉鎖面到四周距離為250 mm，確保閉鎖強度。動?？蛞惺軟_頭壓射力及4個滑塊抽芯合模的摩擦力，受力非常大，強度及剛性要求尤為重要，設計底面厚度為l80 mm，外側(cè)壁厚在200 mm左右，見圖l0.

圖l0 模架示意圖

利用ANSYS軟件對模具在壓鑄過程中的受力情況與變形量進行分析，分析部分結(jié)果如圖ll，發(fā)現(xiàn)在動模底面有產(chǎn)生凹陷變形的趨勢（圖llc）），在模架支撐設計時，加大支撐面，同時在動襯模背面增加了ll個圓支柱，防止動模變形失效；在模架的四周，由于設計過于保守，出現(xiàn)了一些多余材料可以去除（圖 lla）、b）），減小模架尺寸，可以降低模具成本。加支撐柱后經(jīng)變形量分析，在最大載荷條件下模具的最大變形量為0.5 mm，滿足模架在使用過程中變形量小于0.5%的設計要求。

4.3.側(cè)抽液壓缸的設計

圖ll 壓鑄生產(chǎn)過程受力情況與變形分析

圖l2 靜模

上、下、左、右四個滑塊及局部擠壓裝置采用普通液壓油缸抽芯，由行程開關控制，而不是采用感應油缸，原因一是為了降低成本，同種缸徑的感應油缸要比普通油缸貴l/3以上；二是便于維修，感應油缸一旦損壞，難于維修。根據(jù)滑塊抽芯力的計算，確定左、右、上側(cè)滑塊抽芯液壓缸直徑為φ200 mm，行程分別為290 mm，350 mm，200 mm，（包括l5 mm的安全量），下側(cè)滑塊抽芯液壓缸直徑為φl80 mm，行程80 mm.

4.4 頂出單元設計

頂出裝置由安裝在頂出板上的頂針在設備頂出桿與模具復位機構帶動下完成頂出制件的動作，頂出行程為l20 mm，頂出后由取件機器人抓住料柄取件，頂出單元設計有復位桿、導向柱、圓支柱及后限位等。頂針采用直徑為φl2 mm的標準件，便于更換維修。

圖l3 動模及滑塊頂出機構

圖l4 模具整體結(jié)構

4.5 模具整體結(jié)構布局

整個模具分為靜模部分，動模部分，上滑塊部分，下滑塊部分，左滑塊部分，右滑塊部分，頂出部分。模具總重30 t，其中靜模部分重l0 t，天車載重20 t，模具安裝調(diào)試時，動、靜模分開安裝。天車完全能起吊，保證生產(chǎn)順利進行。圖l2為靜模部分，圖l3為動模及滑塊頂出部分，圖l4為整體結(jié)構。

5 模具材料及熱處理

模具鑲塊及側(cè)抽滑塊等成型零件采用優(yōu)質(zhì)模具鋼PHl3，采用真空淬火處理，硬度HRC42-44；型芯、推桿采用優(yōu)質(zhì)模具鋼SKD6l，淬火硬度HRC42-44；方導柱、導板、滑道及耐磨板采用Hl3，淬火硬度HRC44-46，表面氮化處理，氮化深度0.2 mm～0.3 mm，避免壓鑄過程中拉傷及卡死；模板采用50#鋼，調(diào)質(zhì)HRC28-32，推板、推桿固定板采用45#鋼，調(diào)質(zhì)HRC28-32.

6 加工制造

模架尺寸非常大，單件重達l0 t～l5 t，需要專用設備方能加工，故動、靜模框采用外購，型腔零件和其他部件均為自制，分為熱處理前粗加工，熱處理后半精加工和精加工部件加工，成型部分全部采用CNC加工，局部深腔及筋槽采用電火花加工，加工完畢經(jīng)檢測合格后進行裝配，裝配時需要研配所有配合面，確保間隙均勻，對于靜止不動的配合面間隙控制在0.05 mm以內(nèi)，對于滑動配合面，要充分考慮模具受熱膨脹的因素，既要確保生產(chǎn)時不因間隙過小而拉傷，也要考慮不因間隙過大而鉆鋁，因此間隙控制在0.05 mm～0.1 mm，裝配過程見圖l5.

7 試模及結(jié)論

7.1 第一次試模

圖l5 模具裝配

根據(jù)模擬時的參數(shù)設置和實際生產(chǎn)情況，調(diào)整壓鑄參數(shù)，整體鑄件充型順利，表面質(zhì)量比較好，沒有明顯缺陷，僅僅在左側(cè)上方離澆口遠端位置有輕微冷隔，提交了試加工的樣件，見圖l6.

圖l6 第l次試件

7.2 完善設計及第二次試模

第一次試模發(fā)現(xiàn)左端的冷隔，機加工發(fā)現(xiàn)左側(cè)油泵孔有卷氣現(xiàn)象，仔細分析原因，查看初始設計的模擬情況，決定加大左側(cè)第二道澆道（圖l7中l(wèi)），同時在鑄件左側(cè)增加集渣包和排氣道（圖l7中2），鑄件中間增加過橋（圖l7中3）.加快該區(qū)域的充型速度并且加大排氣，經(jīng)過重新模擬，結(jié)果該區(qū)域缺陷完全消失。

圖l7 改進后工藝

經(jīng)試模，更改后的鑄件有較大改善，但是上滑塊右側(cè)筋充型不好，表面有缺陷；經(jīng)過打壓試驗，與油底殼相通的三個油孔漏油（該孔壓鑄沒有預留出底孔，機加工而成）。

7.3 完善設計及第三次試模

在2次試模的基礎上經(jīng)過分析，決定采取如下方案：右側(cè)上方集渣包加大，開設排氣（圖l8a））；把右側(cè)滑塊的三個油孔做出預留底孔，避免氣孔和縮松（見圖l8 b））.改進工藝后經(jīng)試模生產(chǎn)出合格的制件，滿足了一汽轎車的質(zhì)量要求（如果采用真空壓鑄，產(chǎn)品質(zhì)量會更佳，但壓鑄成本可能會上升）。

7.4結(jié)論

一個產(chǎn)品的成功開發(fā)，產(chǎn)品設計是基礎，產(chǎn)品設計首先應滿足產(chǎn)品使用特性要求，確保產(chǎn)品使用功能，同時也應該滿足模具設計及生產(chǎn)工藝要求；接下來的模具設計環(huán)節(jié)要針對產(chǎn)品使用特性制定相關的解決方案，利用CAE手段分析模擬實際生產(chǎn)情況，在設計階段把生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的問題及風險提前解決，減少后期生產(chǎn)調(diào)試周期，縮短合格產(chǎn)品的提交周期；在模具加工制造環(huán)節(jié)，要充分理解產(chǎn)品特性及模具特性，制定合理的加工方案，確保模具各種尺寸符合模具設計公差要求，從而達到產(chǎn)品使用特性的要求；模具調(diào)試過程是對前期產(chǎn)品設計、模具設計、制造的驗證，把理想設計轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品的過程，理論和實際還是有一定的差別，需要通過調(diào)試，不斷完善設計，摸索總結(jié)符合實際生產(chǎn)的參數(shù)，為將來正式生產(chǎn)提供依據(jù)。所以一個完整的模具設計應該從產(chǎn)品設計開始，一直到提供合格樣件后才算完成。

8 后續(xù)完善

隨著第一臺自動變速箱的成功開發(fā)，后續(xù)經(jīng)過不斷完善，從產(chǎn)品和模具兩個方面進行了優(yōu)化，最大限度地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了廢品。8.1 產(chǎn)品設計優(yōu)化完善

l）鑄件上中間的筋加厚到l0 mm，不僅可以作為鑄件與澆口的搭接，而且還提高了產(chǎn)品的強度，見圖l9部分。

2）在鑄件的內(nèi)腔及外部加筋，便于合金流動，避免應力集中，如圖20所示。

3）優(yōu)化產(chǎn)品的加工工藝，將鑄件中一些孔直接壓鑄出來，不加工，既降低了加工成本，同時也提高了毛坯質(zhì)量，避免機加工廢品。

圖l9 鑄件設計加厚中間筋

圖20 鑄件內(nèi)腔及外部加筋結(jié)構

8.2 鑄造工藝改進及模具改進。

l）澆注系統(tǒng)：將內(nèi)澆口改為整體直沖式，見圖2l，減少金屬液相互沖擊，避免卷氣，使充型更趨于平穩(wěn)。

2）優(yōu)化模具結(jié)構，將澆口遠端容易有縮孔的位置，設計局部擠壓裝置，避免缺陷，見圖22.

圖2l 改進后的澆注系統(tǒng)

圖22 局部設計擠壓裝置

3）優(yōu)化壓鑄工藝，應用抽真空系統(tǒng)，降低產(chǎn)品的內(nèi)部氣孔。

［l］潘憲曾.壓鑄模設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］盧晨，趙誠.壓鑄模具的溫度控制［G］//第五屆中國國際壓鑄會議論文集.沈陽：中國機械工程學會鑄造分會，2006.

［3］張俊杰，曹鳳江，譚建波.壓鑄數(shù)值模擬及研究現(xiàn)狀［J］.鑄造設備與工藝，20ll（02）：44-48.

Die Design of Automatic Gearbox Shell

ZHOU Cheng-guangl，GOU Chang-hai2，WU Shu-sen3，ZHANG Qi4
（1.Foundry Die and Equipment Plant，F(xiàn)AW FOUNDRY CO.，LTD.，Changchun Jilin l30062，China；2.Changchun Faway Adient Automotive Trim System CO.，LTD.，Changchun Jilin l30033，China；3.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China；4.Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shanxi 7l0049，China）

The process development，mold design and production of the large-scale complex die-casting automatic gearbox shell were introduced.Special emphasis was on the analysis of theoretical datas and the design of mold structure in the process of die design.The Pro/E5.0 software was used in the 3D die design and 2D die design.The parametrical design of the die was realized to ensure the consistency of the engineering changes.To insure the design gap，the assembly simulation and interference checking of were used in the 3D die structure.To constantly improve and optimize the filling and solidifying process，the MAGMA software was used to analyzed the casting process.Due to the oversized and complex gearbox shell die casting mold，the four diagonal direction positioning was used to avoid inaccurate positioning caused by mold deformation at high temperature and pressure.Meanwhile，the square guide pillar was used to avoid drawing damage during die closing instead of circular guide pillar guide.The mold temperature was controlled using water cooling and oil heating method to improve the quality of castings and ensure the continuity and stability of die-casting production.The local extrusion technology was used at the end of metal liquid and the heavy section of final solidification to reduce shrinkage defect and improve the density.The vacuum die-casting was used to reduce the internal porosity of the casting.At the same time，the compound induction hydraulic cylinder core pulling was used to enhance the productivity.

gearbox shell，die-casting machine，CAE（computer aided engineering），local extrusion，vacuum die-casting

TG249.2

A

l674-6694（20l7）05-0027-07

20l7-09-l3

周承廣（l979-），男，貴州省天柱縣人，高級工程師，主要從事鑄造工藝開發(fā)、模具設計、制造及生產(chǎn)管理工作。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.007