萬里揚(yáng)“WLY5”系列變速器箱殼的鑄造仿真分析

劉 祥 ，魏良慶 ，呂國芳 ，任 飛 ，3

鑄造工藝由于具有適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸精度高、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在汽車零部件生產(chǎn)中占有重要地位[1]。現(xiàn)在，微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其變速箱部件雖已采用輕合金鑄造成形，但在客車及中、重型卡車上，受制于材料性能、力學(xué)強(qiáng)度和成本因素的影響，其重要部件依然以鑄鐵的重力鑄造為主。其中，灰鑄鐵作為一種傳統(tǒng)、常用且經(jīng)濟(jì)性的多元、多相結(jié)構(gòu)材料，極具開發(fā)潛力,其組織和性能可隨其凝固方式的不同發(fā)生很大的變化，配合其固有的良好的鑄造性、潤滑性、導(dǎo)熱性和阻尼減震等性能，一直以來在鑄造生產(chǎn)中都占有非常重要的地位。

本次鑄造分析對象為萬里揚(yáng)“WLY5”系列變速器，其中“WLY5T80”變速器總重量185kg，檔位數(shù)為5檔，最大扭矩為850N·m，其變速器箱殼重量約51.34 kg，外形尺寸 404mm×385mm×376mm，平均壁厚約15mm，鑄造材料為灰鐵HT250，材料密度為7.35g/cm3。變速器箱殼屬于高強(qiáng)度、耐沖擊、耐腐蝕的大型復(fù)雜零件，其力學(xué)性能指標(biāo)為：鑄件本體抗拉強(qiáng)度≥240MPa，屈服強(qiáng)度≥145MPa，伸長率＜6%[2]?！癢LY5T80”型變速器及其箱殼的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 WLY5T80型變速器的外形

圖2 WLY5T80型變速器箱殼的外形及尺寸

灰鐵HT250材料的抗拉強(qiáng)度為250MPa，硬度為209HB，材料的密度為7350kg/m3，完全滿足零件的力學(xué)性能要求，可作為零件的鑄件材料。對灰鑄鐵材料進(jìn)行鑄造時(shí)，常采用傳統(tǒng)的液態(tài)澆鑄法成型[3]，本文通過模擬三種液態(tài)成型方式，采用數(shù)據(jù)對比法來評價(jià)各方案的優(yōu)劣，對變速箱殼的鑄造工藝提出優(yōu)化和改進(jìn)的措施。

變速箱殼的模型及兩種澆鑄方案如圖3、4所示?；阼T件壁厚、重量以及MFT法的設(shè)計(jì)思路，計(jì)算出變速箱殼的內(nèi)澆口截面積，然后根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，方案一為底部平行澆道方案設(shè)計(jì)（見圖 3），方案二為上、下兩層澆道方案設(shè)計(jì)（見圖4）。采用Flow3D軟件分別對其進(jìn)行了流動(dòng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)方案二的充填形態(tài)較方案一平穩(wěn)，流動(dòng)前沿的封閉交匯、紊流現(xiàn)象少。最終選擇方案二進(jìn)行溢流槽、排氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖3 變速箱殼模擬充型方案一

圖4 變速箱殼模擬充型方案二

1 澆鑄時(shí)間參數(shù)計(jì)算

灰鑄鐵常用的澆注時(shí)間計(jì)算公式及適用范圍如下：

根據(jù)上表計(jì)算出灰鑄鐵常用的澆注時(shí)間為：

其中：G澆=86.9kg（包括主箱重量51.34kg和澆冒口重量 35.56kg），S=2.2。

經(jīng)過計(jì)算，鑄造時(shí)間應(yīng)保持在14～19s之間較為合適。

2 數(shù)值充填模擬過程

2.1 模擬充填方案一設(shè)計(jì)

變速箱殼液態(tài)充填參數(shù)為：充填材料初始溫度設(shè)置為1700K，高于灰鐵HT250材料的液相線溫度1409K，模具初始溫度設(shè)置為473K[5]。為提高充填效率和減少成型件表面缺陷，鑄件設(shè)計(jì)有四組平行分流道，同時(shí)為了使各部位充型時(shí)間基本一致并盡可能減少空氣的卷入量，需按鑄造要求將鑄造澆口設(shè)置在箱殼底部，將鑄件冒口設(shè)置在箱殼頂部。模擬充填結(jié)果如圖5所示。

液態(tài)充填結(jié)果為：充填率達(dá)到100%時(shí)總用時(shí)16s，主流道材料溫度為1700K，箱殼材料表面最高溫度為1676K，箱殼材料表面最低溫度為1571K，均遠(yuǎn)高于材料的固相線溫度1338K，所有材料均處于液相區(qū)，需降溫冷卻233℃可達(dá)到材料固相線溫度，這種鑄造方案的優(yōu)點(diǎn)是開模后材料組織均勻，缺點(diǎn)是兩側(cè)安裝孔補(bǔ)縮困難，箱殼零件表面溫差有105℃，溫差較大。

2.2 模擬充填方案二設(shè)計(jì)

變速箱殼充填方案二參數(shù)設(shè)置為：充填材料初始溫度同樣設(shè)置為1700K，模具初始溫度設(shè)置為473K。為改善箱殼零件兩側(cè)安裝孔的材料缺陷，將原設(shè)計(jì)的四組底部平行分流道改為兩組，同時(shí)在箱殼兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)分流道，將鑄件冒口設(shè)置在箱殼頂部。模擬充填結(jié)果如圖6所示。

液態(tài)充填結(jié)果為：充填率達(dá)到100%時(shí)總用時(shí)14s，主流道材料溫度為1700K，箱殼材料表面最高溫度為1676K，箱殼材料表面最低溫度為1630K，箱殼零件表面溫差僅有46℃，所有材料均處于液相區(qū)，需降溫冷卻233℃可達(dá)到材料固相線溫度，這種鑄造方案的優(yōu)點(diǎn)是充型總用時(shí)縮短，箱殼零件表面溫差大幅下降，同時(shí)解決了兩側(cè)安裝孔補(bǔ)縮困難的問題，缺點(diǎn)是箱殼零件兩側(cè)面材料易產(chǎn)生組織缺陷。

表1 灰鑄鐵件常用的澆注時(shí)間計(jì)算公式及其適用范圍[4]

圖5 模擬充填方案一的充填時(shí)間圖

圖6 模擬充填方案二的充填時(shí)間圖

3 凝固過程對比分析

4 結(jié)論

從材料凝固后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，充填方案一凝固后溫度場分布雖然較為均勻，但液態(tài)充填后的組織溫度呈階梯狀由上至下分布，影響了整體材料冷卻時(shí)間。充填方案二凝固后溫度場分布為兩側(cè)溫度較高，這有利于兩側(cè)面的材料補(bǔ)縮，組織材料的整體溫度分布效果較好，加快了整體材料冷卻時(shí)間。

綜合比較后發(fā)現(xiàn)，鑄件采用第二種充填方案明顯比第一種方案在相關(guān)溫度和時(shí)間的控制方面要優(yōu)化很多，減少鑄造時(shí)間的效果明顯，這對結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的提高也起到了一定的作用。通過企業(yè)的應(yīng)用證明，相關(guān)工藝方案效果理想，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足零件使用要求。同時(shí)相關(guān)工藝的改進(jìn)可以使企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)率明顯提升，產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能相應(yīng)提高，并具有一定的行業(yè)推廣價(jià)值。

圖7 凝固過程對比圖

[1] 虞康,萬里.大型變速箱殼體壓鑄模具的溫度場數(shù)值分析[J].熱加工工藝，2011（07）:174-176．

[2] 汪琴.變速箱箱體的鑄造工藝研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 柳百成,荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012：56-81.

[4] 郭慶.鑄件凝固過程的溫度場模擬及縮孔、變形和熱裂缺陷預(yù)測[D].天津:河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 王有超，黃帥，歷長云，等.鉻鉬銅合金灰鑄鐵氣缸套的鑄造工藝及力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝，2016，45（05）:78-80+83.