基于鑄造軟件的變速箱殼缺陷預(yù)測(cè)與質(zhì)量分析

劉 祥，林 波，唐建敏

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著鑄造技術(shù)的快速發(fā)展，為提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，企業(yè)采用計(jì)算機(jī)仿真模擬的應(yīng)用越來(lái)越多，模擬鑄造成型過(guò)程正在成為國(guó)家汽車(chē)鑄造關(guān)注的前沿領(lǐng)域之一[1-3]。清華大學(xué)、日本新東工業(yè)都進(jìn)行過(guò)濕型砂鑄造過(guò)程模擬，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)進(jìn)行過(guò)對(duì)射芯數(shù)據(jù)模擬。國(guó)內(nèi)汽車(chē)鑄造業(yè)使用模擬軟件在鑄件充型模擬、鑄造凝固模擬、凝固溫度場(chǎng)模擬以及鑄造缺陷預(yù)測(cè)與分析方面，已經(jīng)逐步在行業(yè)、企業(yè)內(nèi)開(kāi)展應(yīng)用。本文以企業(yè)真實(shí)的變速箱殼體零件鑄造為例，使用軟件對(duì)零件進(jìn)行仿真模擬及實(shí)物對(duì)比分析，排除和改進(jìn)多項(xiàng)鑄件可能的缺陷點(diǎn)及工藝參數(shù)，其創(chuàng)新點(diǎn)為：通過(guò)將模擬結(jié)果和試制結(jié)果相結(jié)合，可快捷地找到可能的缺陷點(diǎn)并得到可量化的數(shù)值，同時(shí)檢測(cè)試制件還可修正軟件模擬的誤差，為調(diào)整工藝參數(shù)提供可靠、合理的依據(jù)，軟件模擬還可顯著減少企業(yè)鑄件試制的次數(shù)，成本明顯減少。

變速箱殼體是變速箱重要的外部保護(hù)裝置，同時(shí)其還承擔(dān)著內(nèi)部零件的安裝、潤(rùn)滑及散熱等多項(xiàng)功能，屬于高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕的大型薄壁復(fù)雜零件[4-7]。由于變速箱殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜力學(xué)性能要求高，企業(yè)在進(jìn)行鋁合金鑄造時(shí)往往廢品率很高，急需采用先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)預(yù)測(cè)鑄造缺陷的產(chǎn)生，以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本[8]。在鑄造企業(yè)，常用的缺陷預(yù)測(cè)方法是鑄造軟件的壓鑄充型模擬，結(jié)合試件的鑄造對(duì)比分析，其缺陷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性可達(dá)90%以上[9]。本文利用三維軟件創(chuàng)建的汽車(chē)變速箱殼體模型，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后將其導(dǎo)入Magma軟件中進(jìn)行充型模擬分析。模擬及實(shí)驗(yàn)的最終目的為：①觀察分析鑄造方案的充型流態(tài)是否正常；②分析鑄造方案中的吸氣和縮孔狀況是否嚴(yán)重；③找到最佳模擬效果，選取合適的鑄造工藝參數(shù)。

1 變速箱殼體鑄造工藝參數(shù)設(shè)置

首先通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)鑄造件的數(shù)值模型，其模型包括：①汽車(chē)變速箱殼體模型；②壓鑄用熔杯模型；③主流道與分流道模型；④鑄造冒口模型；⑤排氣槽模型等。再將鑄造件的數(shù)值模型導(dǎo)入模具設(shè)計(jì)軟件中，生成模具的模腔，設(shè)計(jì)冷卻水水道，分模并形成定模和動(dòng)模。圖1為鑄件在模具中的安放位置，圖2為鑄件的冷卻水道設(shè)置。

圖1 鑄件在模具中的位置Fig.1 Position of the casting in mold

變速箱殼體零件的壓鑄分析需經(jīng)過(guò)仿真模擬和產(chǎn)品試驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)，仿真模擬和產(chǎn)品試驗(yàn)均可按照相同的工藝參數(shù)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，本零件的壓鑄工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 鑄件冷卻水道設(shè)置Fig.2 Casting channel setting

表1 工藝參數(shù)設(shè)置

2 變速箱殼體模擬充型效果

為了使鑄件充型精確并盡可能減少空氣卷入，鑄造時(shí)需各流道充填速率基本一致，充填速率的測(cè)試可通過(guò)軟件中的流速測(cè)試模塊得到。圖3為鑄造時(shí)主流道與各分流道的充型速度圖，其中主流道流速為52-57 m/s，各分流道流速為42-59 m/s，各部位充型速率基本一致，可以保證鑄件充填的準(zhǔn)確性。

圖4為模擬充填完成后的充型效果圖。從效果圖中可以發(fā)現(xiàn)鑄件充型完整，整體流速均勻，未發(fā)現(xiàn)有流速異常及鑄造死角的部位。

3 填充缺陷預(yù)測(cè)與質(zhì)量狀況分析

采用鑄造方法制造的零件普遍存在鑄造缺陷多，潛在缺陷不易察覺(jué)等現(xiàn)象?？傮w來(lái)說(shuō)，鑄造缺陷主要有填充缺陷和凝固缺陷兩類(lèi)[10]。鑄件的填充缺陷主要有：①局部溫度過(guò)低，易出現(xiàn)氣孔；②最后充填部位易形成裹氣；③產(chǎn)品尾端或拐角處，易侵入氣體等。

圖3 模擬充型速度Fig.3 Filling simulation velocity

圖4 模擬充型效果Fig.4 Filling simulation outcome

圖5紅色標(biāo)記處為模擬充填中的局部溫度較低的位置，此處鋁液溫度約為625 ℃，比周?chē)X液溫度要低，同時(shí)此處在鑄造完成后需進(jìn)行二次加工，容易出現(xiàn)鑄造缺陷。圖6為殼體加工后相同位置的對(duì)比圖，經(jīng)實(shí)物檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)此處材料并未出現(xiàn)鑄造缺陷問(wèn)題，其原因是局部降溫并不明顯，未影響到加工區(qū)域。

鋁液充填溫度為650 ℃左右，在進(jìn)入鑄造流道后逐漸開(kāi)始降溫，因此鑄件充填的最后位置往往是鋁液溫度最低的位置。鋁液溫度過(guò)低易出現(xiàn)冷隔、氣孔等現(xiàn)象。本鋁合金液相線為578 ℃，圖7紅色標(biāo)記處為鑄件充填的最后位置，鋁液溫度為595 ℃，比周?chē)X液溫度要低，而且接近液相線，此處易出現(xiàn)鑄造缺陷。圖8為殼體加工后相同位置的對(duì)比圖，經(jīng)鉆孔后并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，分析原因?yàn)殍T件表面溫度略低，內(nèi)部溫度合適，將表層不良組織切削后，內(nèi)孔并未出現(xiàn)問(wèn)題。

圖5 填充溫度較敏感處Fig.5 Filling temperature of product

圖6 殼體加工后對(duì)照?qǐng)DFig.6 Physical contrast

圖7 填充溫度較敏感處Fig.7 Filling temperature of product

鑄件的另一種常見(jiàn)的缺陷是氣體侵入，氣體侵入主要是由于流體的劇烈攪動(dòng)以及空氣的排出不暢等原因造成，故這類(lèi)缺陷常常出現(xiàn)在鑄件的尾端或拐角處。圖9中三處位置為氣體侵入較嚴(yán)重的區(qū)域，這三個(gè)區(qū)域空氣卷入指數(shù)分別達(dá)到了10.13%、8.44%和11.82%，此處最常見(jiàn)的鑄造缺陷是形成皮下氣孔。圖10為零件相同位置的外形對(duì)比圖，由于這三個(gè)區(qū)域不是加工的重點(diǎn)部位，經(jīng)外觀檢查并無(wú)缺陷，滿足零件要求。

圖8 殼體加工后對(duì)照?qǐng)DFig.8 Physical contrast

圖9 氣體侵入敏感處Fig.9 Air entrainment rate

圖11中為另兩處氣體侵入較嚴(yán)重的區(qū)域，一個(gè)區(qū)域?yàn)榱慵战禽^大的位置，另一個(gè)區(qū)域處于充型的最末端，同時(shí)此處還是充型溫度較低的位置。這兩個(gè)區(qū)域空氣卷入指數(shù)分別達(dá)到了11.82%和13.51%，尤其是后一個(gè)區(qū)域空氣卷入明顯。圖12為殼體零件相同位置的外形對(duì)比圖，經(jīng)實(shí)物加工后未發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔缺陷，其原因同樣是加工切除了表面不良組織。

4 凝固缺陷預(yù)測(cè)與質(zhì)量狀況分析

鑄件在凝固過(guò)程中也容易出現(xiàn)一些缺陷，主要有：①局部材料受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易造成材料組織粗大；②材料降溫速度不一致，冷卻較慢的部位易出現(xiàn)縮孔或縮松；③鑄件中材料較多的部位易出現(xiàn)熱節(jié)，造成內(nèi)部孔洞或應(yīng)力集中。圖13中為材料受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成材料老化的部位。圖14為相同位置的對(duì)比圖，經(jīng)加工后發(fā)現(xiàn)其老化程度在可加工范圍內(nèi)。圖15、16為另兩處材料老化區(qū)域，因不在重點(diǎn)加工部位可忽略。

圖10 殼體外形對(duì)照?qǐng)DFig.10 Physical contrast

圖11 氣體侵入敏感處Fig.11 Air entrainment rate

圖12 殼體外形對(duì)照?qǐng)DFig.12 Physical contrast

圖13 材料老化區(qū)域一Fig.13 Material age 1

圖14 外形對(duì)照?qǐng)DFig.14 Physical contrast

圖15 材料老化區(qū)域二Fig.15 Material age 2

鑄造材料在凝固時(shí)由于降溫速度不一致，在局部形成液相孤島易出現(xiàn)縮孔。圖17為模擬出的四個(gè)縮孔偏大的區(qū)域。分析發(fā)現(xiàn)位置1至位置4縮孔量分別為77.327、93.008、97.817和76.771，經(jīng)實(shí)物測(cè)試縮孔量在技術(shù)要求控制范圍內(nèi)，相關(guān)數(shù)值見(jiàn)圖18所示。

圖16 材料老化區(qū)域三Fig.16 Material age 3

圖17 材料縮孔Fig.17 Material shrinkage cavity

圖18 縮孔量數(shù)值Fig.18 Shrinkage cavity numerical

熱節(jié)也是造成鑄件形成缺陷的重要原因，鑄件中熱節(jié)均為壓鑄過(guò)程中溫度較高的區(qū)域，在箱殼零件中這樣的熱節(jié)非常多，其中較嚴(yán)重的熱節(jié)有兩個(gè)。圖19為箱殼零件中所有熱節(jié)的具體位置。圖20為鑄件中較大的兩個(gè)熱節(jié)的數(shù)值22.534 s和19.838 s，這兩處較易形成縮孔。在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)加大冷卻水循環(huán)速度，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制等方法促使材料同步凝固，將溫度控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

圖19 熱節(jié)Fig.19 Hot spot

圖20 熱節(jié)數(shù)值Fig.20 Hot spot numerical

5 結(jié)論

鑄造軟件模擬共經(jīng)過(guò)15次循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過(guò)多次實(shí)物對(duì)比分析，排除了多項(xiàng)變速箱殼零件可能的鑄造缺陷點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行了一項(xiàng)控制熱節(jié)的工藝改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)鑄件中可能出現(xiàn)的氣孔、縮孔和熱節(jié)有了定量及定性的分析，對(duì)改進(jìn)鑄造工藝參數(shù)提供了可靠的數(shù)據(jù)。將軟件中模擬的工藝參數(shù)復(fù)制到壓鑄機(jī)上，通過(guò)調(diào)整得到理想的控制參數(shù)，改進(jìn)鑄件壓鑄的質(zhì)量。通過(guò)軟件的模擬還可了解到整個(gè)壓鑄過(guò)程的溫度動(dòng)態(tài)變化，為溫度的實(shí)時(shí)控制提供可能。