變矩器渦輪低壓鑄造充型能力研究

肖一

陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院 陜西寶雞 722409

1 序言

液力變矩器是液力自動(dòng)變速器總成（AT）中，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的裝置，是以液壓油為工作介質(zhì)的一種非剛性扭矩變換器，起傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合的作用，對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響。

渦輪是液力變矩器三元件中的核心元件之一，主要起動(dòng)力輸出的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪帶動(dòng)相連的泵輪，液壓油在離心力作用下從泵輪流出沖向渦輪，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力通過(guò)與渦輪連接的輸出軸傳至變速器。

渦輪按制造方法主要可分為鈑金沖焊型和鑄造型，鈑金沖焊型廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)領(lǐng)域，鑄造型多用于大型商用車(chē)及工程機(jī)械行業(yè)。

2 工藝設(shè)計(jì)

某渦輪鑄件如圖1所示，為環(huán)形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，外形尺寸φ456mm×98mm，重量約10kg，材質(zhì)為A356合金。鑄件上有25片導(dǎo)流葉片與內(nèi)外環(huán)一起構(gòu)成液壓流道，流道出口側(cè)約15mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的葉片壁厚小于3mm，最窄處為葉片前端的圓角，只有R0.5mm左右（見(jiàn)圖2）。

圖1 渦輪鑄件結(jié)構(gòu)

圖2 葉片薄壁區(qū)域

考慮到環(huán)形鑄件適合中心澆口進(jìn)料，且葉片細(xì)薄部分對(duì)澆注充型的要求較高，而低壓鑄造工藝的金屬液是在壓力下充型及凝固，充型能力優(yōu)于重力鑄造，鑄件的組織致密，力學(xué)性能較高，鑄件無(wú)或少冒口，出品率高，因此確定采用低壓鑄造工藝澆注渦輪鑄件[1]。

葉片流道部分因結(jié)構(gòu)限制采用砂芯成形，其余部分為金屬型成形。澆道如圖3所示，設(shè)置到鑄件整體壁厚較厚的一側(cè)，以十字形澆口完成充型及補(bǔ)縮功能。按澆注溫度710℃、充型時(shí)間8s（充型速度約為27mm/s），試制了一批鑄件。

圖3 渦輪鑄件澆注系統(tǒng)

對(duì)鑄件進(jìn)行剖切及射線(xiàn)檢測(cè)，其內(nèi)部質(zhì)量良好，組織致密，無(wú)任何縮孔、縮松類(lèi)缺陷，說(shuō)明澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，鑄件的凝固順序符合工藝要求，澆道補(bǔ)縮能力可以保證鑄件質(zhì)量要求。

鑄件外觀質(zhì)量方面，約70%的鑄件其葉片前端都有不同程度的缺損，嚴(yán)重的葉片缺損如圖4所示，葉片成形質(zhì)量有待提高。

圖4 葉片缺損

3 缺陷分析

3.1 缺陷判斷

觀察各葉片的缺陷部位，有些為葉片局部缺損，有些為穿透或未穿透的縫隙，且兩者的邊緣均呈圓弧形，判斷應(yīng)為未澆足缺陷或冷隔缺陷。

3.2 原因分析

未澆足及冷隔缺陷一般是在金屬液充填鑄型過(guò)程中產(chǎn)生的，與液態(tài)金屬的充型能力聯(lián)系密切。液態(tài)金屬的充型能力是指其充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，是保證鑄件成形質(zhì)量的關(guān)鍵要素[2]。

影響液態(tài)金屬充型能力的因素有很多，包括液態(tài)金屬的流動(dòng)性、鑄型的熱交換強(qiáng)度及阻力、澆注條件及鑄件的結(jié)構(gòu)等。前兩個(gè)因素從工藝角度來(lái)說(shuō)相對(duì)固定，在此我們主要對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)及變量較多的澆注條件進(jìn)行分析。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，缺陷產(chǎn)生的部位全部為距葉片前端約6mm范圍內(nèi)，壁厚在0.5～1.5mm，而且越靠近邊緣也就是越薄的部位缺陷越嚴(yán)重。因?yàn)楸”趨^(qū)域與鑄型的接觸表面積較大，熱量散失較快，且表面張力產(chǎn)生的充型阻力也大，容易出現(xiàn)未澆足缺陷，此處區(qū)域的壁厚范圍已遠(yuǎn)低于一般低壓金屬型鑄造能達(dá)到的最小壁厚范圍，所以常規(guī)的澆注條件無(wú)法滿(mǎn)足渦輪鑄件葉片的充型能力要求。

澆注條件方面，主要有以下幾個(gè)影響因素：

（1）澆注溫度 在一定溫度范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度的提高而直線(xiàn)上升，但越過(guò)某界限后，由于吸氣氧化嚴(yán)重，充型能力的提高幅度會(huì)大幅減小。

（2）充型壓頭 液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力就越好，但當(dāng)靜壓頭過(guò)大或充型速度過(guò)高時(shí)，金屬液噴射或飛濺產(chǎn)生二次氧化，且型腔氣體來(lái)不及排出，增加反壓力，反而會(huì)形成未澆足缺陷。

（3）澆注系統(tǒng) 一是鑄件上遠(yuǎn)離澆口的部位金屬液流程比較長(zhǎng)，溫度散失大；二是內(nèi)澆道截面積過(guò)小，通過(guò)流量不足，易形成未澆足缺陷。理論上調(diào)整澆注系統(tǒng)可以減少上述缺陷發(fā)生的幾率，但此方法往往受到鑄件結(jié)構(gòu)或鑄型脫開(kāi)的限制。

針對(duì)渦輪葉片未澆足缺陷，需從以上澆注條件方面的因素考慮解決，為提高試制效率、降低成本，我們引入了德國(guó)MAGMA鑄造過(guò)程模擬軟件進(jìn)行輔助分析。圖5是初始方案的模擬結(jié)果，溫度場(chǎng)顯示，葉片前端的薄壁區(qū)域充型時(shí)的溫度已接近液相線(xiàn)溫度，發(fā)生未澆足缺陷的幾率較大，與實(shí)際情況基本吻合，流量曲線(xiàn)顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為2550cm3/s。

圖5 初始方案充型階段的溫度場(chǎng)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線(xiàn)

4 改進(jìn)方案

4.1 調(diào)整澆注系統(tǒng)，提高澆注溫度

第一種改進(jìn)方案，適當(dāng)增大直澆道的直徑，并將內(nèi)澆道由十字形分布改為環(huán)形分布，即增大內(nèi)澆道截面積和通過(guò)流量，使每個(gè)葉片的充型分布更均勻，并將澆注溫度提高到720℃。

圖6的模擬結(jié)果顯示，葉片薄壁區(qū)域仍有較高的缺陷產(chǎn)生幾率，問(wèn)題沒(méi)能得到根本解決，流量曲線(xiàn)顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為3000cm3/s。

圖6 改進(jìn)方案1充型階段的液相態(tài)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線(xiàn)

4.2 提高充型速度和澆注溫度

第二種改進(jìn)方案，提高金屬液的充型速度，將充型時(shí)間縮短為5s（充型速度約為43mm/s），并將澆注溫度提高至730℃。

圖7 改進(jìn)方案2充型階段的溫度場(chǎng)分布及內(nèi)澆道通過(guò)流量曲線(xiàn)

圖7 的模擬結(jié)果顯示，葉片薄壁區(qū)域的溫度場(chǎng)有較大提升，液相態(tài)分布顯示發(fā)生未澆足缺陷的幾率較低，流量曲線(xiàn)顯示通過(guò)內(nèi)澆道的流量最大峰值約為3500cm3/s，圖8表明在此速度范圍內(nèi)鑄件發(fā)生卷氣類(lèi)缺陷的可能性也較低。

圖8 改進(jìn)方案2的卷氣狀態(tài)分布

5 驗(yàn)證結(jié)果

參照過(guò)程模擬分析的結(jié)果，采用改進(jìn)方案2進(jìn)行試制。實(shí)際澆注時(shí)，澆注溫度設(shè)置為725℃，其余工藝參數(shù)均按第二種改進(jìn)方案，試制出的渦輪葉片輪廓清晰完整（見(jiàn)圖9），葉片合格率達(dá)到95%以上，其余部位的外觀及內(nèi)部質(zhì)量均符合質(zhì)量要求。

圖9 改進(jìn)后的葉片輪廓清晰完整

6 結(jié)束語(yǔ)

以上改進(jìn)過(guò)程表明，充型速度及澆注溫度是提高低壓鑄造充型能力的關(guān)鍵因素，對(duì)于壁厚＜3mm的葉輪類(lèi)鑄件，必須保證有較高的充型速度和澆注溫度。此外金屬型的排氣也至關(guān)重要，良好的排氣系統(tǒng)可以最大程度地降低充型時(shí)的背壓阻力。