液力變矩器葉輪重力鑄造和低壓鑄造工藝對比與驗證

沙 宇, 閆清東,2, 劉 城,3, 魏 巍,4

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081; 2.北京理工大學(xué) 濟(jì)南前沿技術(shù)研究院, 山東 濟(jì)南 250300;3.北京理工大學(xué) 車輛傳動重點(diǎn)實驗室, 北京 100081; 4.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心, 重慶 401122)

引言

液力變矩器是利用液體動能傳遞和轉(zhuǎn)換能量的液力元件,是液力傳動的基本單元,其在實現(xiàn)柔性傳動的同時又獲得無級變速、變矩、隔振等多種優(yōu)異特性[1-3],因而廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、軍工裝備、汽車工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域[4-5]。液力變矩器核心部件是3個葉輪——泵輪、渦輪和導(dǎo)輪。這些葉輪內(nèi)均布著一系列空間扭曲的復(fù)雜葉片,葉輪強(qiáng)度和制造精度極大影響了液力變矩器的功率密度及液力性能。

國內(nèi)鑄造型液力變矩器傳統(tǒng)的鑄造工藝為重力鑄造,為進(jìn)一步提高鑄造葉輪強(qiáng)度和制造精度,不少研究人員對鑄造方法、鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化研究。在液力變矩器不同鑄造方法對比上,馬永超等[6]通過理論分析和實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn),與重力鑄造相比,低壓鑄造泵輪顯微組織更加致密,出現(xiàn)顯微縮松傾向更小,可保證泵輪的性能穩(wěn)定性。閆秋實[7]將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)輪重力鑄造、離心鑄造對比發(fā)現(xiàn),離心鑄造對鑄型、型芯的熱沖擊更大,加劇了易造成卷氣、夾渣、沖砂等缺陷。鄧洪超等[8]通過數(shù)值分析了導(dǎo)輪重力鑄造和低壓鑄造,結(jié)果表明,低壓鑄造縮松縮孔規(guī)律性明顯且分布減少,最大等效應(yīng)力值較大。席志星[9]通過流場仿真分析對比鑄造型和沖焊型液力變矩器的性能,進(jìn)而得出鑄造型變矩器性能更優(yōu)的結(jié)論。

在工藝參數(shù)分析優(yōu)化上,楊卓祥等[10]采用AnyCasting對泵輪低壓鑄造充型凝固及應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬分析,從工藝方案和工藝控制驗證并優(yōu)化。朱慶宇等[11]發(fā)現(xiàn)對于一些結(jié)構(gòu)比較特殊的導(dǎo)輪,整體鑄造葉片拔模困難,最終設(shè)計出分模鑄造方法。王赫[12]通過數(shù)值仿真分析了重力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等不同工藝參數(shù)對液力變矩器的鑄造過程及成型質(zhì)量的影響。XU Wenbo等[13]論述了低壓鑄造工藝的特點(diǎn)及其澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案,大大縮短了實際生產(chǎn)周期,而且保證了葉輪鑄件的質(zhì)量。

隨著功率密度的提升,葉輪強(qiáng)度指標(biāo)要求越來越高[14],因此需要對傳統(tǒng)的重力鑄造工藝升級優(yōu)化,本研究首先建立不同鑄造工藝下鑄造過程仿真模型,對重力鑄造、低壓鑄造進(jìn)行對比研究,并利用仿真確定的鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行葉輪澆鑄和探傷,最后與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

1 液力變矩器鑄造仿真模型

1.1 液力變矩器葉輪鑄造模型

葉輪的鑄造模具如圖1所示,包括外模體、砂芯、澆道、冒口等。液力變矩器泵輪和渦輪重力鑄造和低壓鑄造的澆注系統(tǒng)均設(shè)有1個直澆道和6個橫澆道,導(dǎo)輪為1個直澆道和4個橫澆道。直澆道有2°的斜度,起到撇渣作用。鑄造時排氣的設(shè)計相當(dāng)重要,兩者的金屬液均是自下而上逐步充型,所以氣孔設(shè)置在上方,并且針對泵輪壁面厚度較大的情況,在外環(huán)上端設(shè)置了較大的冒口以便補(bǔ)縮。

圖1 重力與低壓鑄造模具

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格對鑄造仿真結(jié)果影響較大,因此對不同網(wǎng)格大小的模型進(jìn)行仿真,結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格精度及結(jié)果

由表可知,仿真計算偏差隨著網(wǎng)格數(shù)量的提高而降低,在網(wǎng)格尺寸為鑄件5、模具15后,進(jìn)一步增加網(wǎng)格精度, 其差異在3%以內(nèi),但網(wǎng)格數(shù)急劇增加, 計算時間急劇增加。故選取鑄件5、模具15的網(wǎng)格尺寸作為最終的網(wǎng)格精度進(jìn)行分析。

1.3 鑄造仿真模型材料及參數(shù)

1) 材料設(shè)置

重力鑄造使用ZL101A鋁合金。該合金是在ZL101的基礎(chǔ)上,將雜質(zhì)含量降低,并且利用微量元素細(xì)化組織,使其力學(xué)性能提高。重力鑄造中,金屬模具采用H13鋼,砂芯采用覆膜砂。

為了控制變量進(jìn)而對重力鑄造和低壓鑄造的工藝進(jìn)行對比,低壓鑄造的材料、金屬模具以及砂芯和重力鑄造保持一致。

2) 界面換熱系數(shù)設(shè)置

鑄造中不同材料的界面換熱系數(shù)參考值如表2所示[12]。

表2 界面換熱系數(shù)的數(shù)值范圍

澆鑄過程中主要涉及到模具、砂芯、鑄型、空氣四者之間的熱交換。模具、鑄型材料為金屬,砂芯材料為砂,空氣為常溫下的空氣,仿真模型中,模具和鑄型之間界面換熱系數(shù)取1000 W·(m2·K)-1,模具和砂芯之間界面換熱系數(shù)取300 W·(m2·K)-1,砂芯和鑄件之間界面換熱系數(shù)取500 W·(m2·K)-1。與外界空氣的熱交換為冷卻條件,空氣處于室溫,界面換熱系數(shù)取10 W·(m2·K)-1。

3) 鑄型的預(yù)熱

鑄造時鋁合金溫度一般在700 ℃附近,高溫鋁液和室溫下的鑄型接觸容易產(chǎn)生激冷而局部快速凝固,這樣既造成凝固處無法補(bǔ)縮,也容易堵塞澆道,產(chǎn)生澆不足等缺陷。為避免這一情況,一般會對鑄型進(jìn)行預(yù)熱處理,使得金屬液不會激冷而快速凝固,從而保證了其流動性。重力鑄造為金屬模具和樹脂砂砂芯,采用模具預(yù)熱而砂芯不預(yù)熱的方式。低壓鑄造為金屬模具和覆膜砂,對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁多的渦輪增大預(yù)熱溫度,具體預(yù)熱溫度如表3所示。

表3 低壓鑄造預(yù)熱溫度

4) 澆注參數(shù)

重力鑄造在重力作用下充型,無需進(jìn)行澆鑄壓力設(shè)置,設(shè)澆注溫度為700 ℃、澆注速度為0.5 m/s。低壓鑄造澆注溫度均設(shè)為700 ℃,澆口壓力曲線具體如圖2所示。低壓鑄造的充型速度是靠壓力來控制的。根據(jù)帕斯卡定律,施加的一定壓力使得金屬液從升液管中向上運(yùn)動到一定位置。那么只要控制充液時壓力曲線的增速和壓力大小,使得達(dá)到鑄型被充滿時壓力的時間變長,就可以減緩充型金屬液流速。

圖2 低壓鑄造壓力曲線

此次觀察的重點(diǎn)是充型及凝固過程,因此對金屬液開始充型進(jìn)行壓力曲線設(shè)計。根據(jù)變矩器的高度及體積預(yù)估充液時間,然后在仿真中觀察充液動態(tài),對截面突變導(dǎo)致流速劇變的時段(如圖2b渦輪)可以局部放緩壓力增速,以達(dá)到整體的充型平穩(wěn)。保壓壓力則是根據(jù)設(shè)備及實際情況,一般可取0.15～0.18 MPa。

2 重力鑄造和低壓鑄造的充型、凝固對比分析

2.1 充型速度場對比

對澆鑄充型流動過程進(jìn)行仿真得知, 重力鑄造充型很快,泵輪、渦輪、導(dǎo)輪充型時間分別需要2.73 s、2.48 s和1.53 s,圖3是葉輪鑄造充型過程中速度場分布圖。

圖3 鑄造充型速度場

從圖3可以看到,重力鑄造當(dāng)金屬液流從橫澆道流出后,金屬液流不再是單方向充型,出現(xiàn)了回流現(xiàn)象,容易形成澆注的空洞,這種現(xiàn)象在泵輪和渦輪中極為明顯,澆注空洞若不能被及時填充就可能出現(xiàn)澆不足等孔洞類缺陷。即使被回流充填,由于該處液流紊亂,極易產(chǎn)生鑄造缺陷,組織也不夠致密,力學(xué)性能下降。

由于回流以及充液空洞現(xiàn)象的存在導(dǎo)致重力鑄造容易出現(xiàn)缺陷,同時,重力鑄造的充型速度是無法直接控制的,液流在重力作用下充型,無法準(zhǔn)確對澆鑄過程的速度進(jìn)行控制,因此流道的變化會導(dǎo)致充型速度出現(xiàn)較大變化,使得液流不平穩(wěn),同樣容易出現(xiàn)缺陷。

低壓鑄造可以通過壓力曲線的設(shè)計控制充型過程,泵輪、導(dǎo)輪、渦輪的充型時間分別延長到31.94 s、30.15 s和37.71 s。由圖3可見,由于低壓鑄造的充型階段設(shè)置的壓力曲線增長速度較慢,金屬液流速度大致在0.18 m/s以下,而重力鑄造局部流速可達(dá)0.9 m/s。這使得低壓鑄造平穩(wěn)緩慢充型,金屬液在流出橫澆道開始合流時速度很低,平穩(wěn)的液流不會往上充型而是平緩地合流,因此不會出現(xiàn)空洞區(qū)域,而是從橫澆道流出后繼續(xù)向側(cè)邊流動。

對比兩種工藝,低壓鑄造的金屬液流充型平緩,充型在壓力作用下自下而上進(jìn)行,全過程的充型速度可通過壓力曲線來控制,在液流從橫澆道流出即將合流的時候?qū)崿F(xiàn)了平穩(wěn)充型,避免了缺陷的產(chǎn)生。

2.2 凝固時間對比

凝固過程對鑄件質(zhì)量也有較大影響,利用仿真模型對凝固時間進(jìn)行對比分析,如圖4所示。

圖4 鑄造凝固時間

重力鑄造在凝固過程中,溫度的分布在壁厚變化較大的外環(huán)區(qū)域容易局部突變,導(dǎo)致出現(xiàn)非順序凝固情況。重力鑄造凝固時間結(jié)果可以看到在通道較為狹窄的部位往往更容易率先凝固,這樣會阻礙補(bǔ)縮通道,使得遠(yuǎn)端得不到金屬液的補(bǔ)縮。對重力鑄造來說,補(bǔ)縮動力主要來源是重力,補(bǔ)縮動力不足,澆道的局部非順序凝固使得補(bǔ)縮更為困難,導(dǎo)致易出現(xiàn)組織疏松、針孔類缺陷。

低壓鑄造充型平穩(wěn),其溫度分布也更為順序平滑,少有局部突變而導(dǎo)致局部率先凝固的情況。葉輪凝固是從遠(yuǎn)端到澆口順次進(jìn)行,不會阻礙補(bǔ)縮通道。低壓鑄造的補(bǔ)縮動力主要依靠施加的壓力,補(bǔ)縮動力足,組織致密性好。

2.3 缺陷判定及對比

本研究主要利用鑄造收縮率和Niyama判據(jù)來進(jìn)行不同澆鑄工藝缺陷的對比,如圖5所示。鑄造收縮率又稱鑄造線收縮率,在鑄件凝固過程中,金屬液會冷卻并縮小體積,縮小的百分比即收縮率。由于凝固時得不到金屬液補(bǔ)縮,重力鑄造在最后充型泵輪外環(huán)上有較大收縮,整體收縮率在1%附近,容易出現(xiàn)針孔缺陷。

圖5 泵輪收縮率及Niyama

低壓鑄造的泵輪主要收縮部位位于葉片與外環(huán)相交處的出流邊區(qū)域。該區(qū)域的缺陷主要是因為壁厚變化較大,存在較大熱節(jié),凝固、補(bǔ)縮受到影響。從縱截面看,其內(nèi)部成型較好,主要收縮都位于澆道部位,不影響本體質(zhì)量。

Niyama判據(jù)利用凝固時鑄件的溫度梯度和凝固速率來分析出現(xiàn)縮松的可能性,該值越小則越容易出現(xiàn)縮松缺陷[15]。重力鑄造的泵輪在外環(huán)、葉片區(qū)域的Niyama數(shù)值較小,表明外環(huán)和葉片極可能出現(xiàn)縮松。而低壓鑄造的泵輪在葉片區(qū)域的Niyama數(shù)值明顯提高,葉片成型質(zhì)量要優(yōu)于重力鑄造。

重力鑄造的渦輪主要缺陷有兩處,如圖6所示,第一處分布在葉片與內(nèi)環(huán)相交處,第二處分布在橫澆道出口,該處的液流復(fù)雜,導(dǎo)致組織致密性較差。低壓鑄造的渦輪成型質(zhì)量很好,本體上幾乎沒有明顯的收縮區(qū)域。在Niyama判據(jù)上,重力鑄造的渦輪在葉片區(qū)域的數(shù)值同樣明顯低于低壓鑄造的葉片。

圖6 渦輪收縮率及Niyama

如圖7所示,重力鑄造的導(dǎo)輪主要缺陷在葉片與外環(huán)上端相交處。該處缺陷的產(chǎn)生主要是由于外環(huán)底部先凝固后阻礙補(bǔ)縮通道,導(dǎo)致上端得不到有效的補(bǔ)縮。低壓鑄造的導(dǎo)輪缺陷明顯減少,僅在葉片上偶見局部低收縮率的情況。

圖7 導(dǎo)輪收縮率及Niyama

在Niyama判據(jù)上,重力鑄造的導(dǎo)輪外環(huán)上端Niyama數(shù)值較低,該處容易出現(xiàn)微觀縮松。低壓鑄造在該區(qū)域的Niyama數(shù)值從2提高到15,減小縮松出現(xiàn)。

2.4 重力和低壓鑄造結(jié)果對比

經(jīng)過對充型凝固過程進(jìn)行分析,并利用不同判據(jù)對缺陷進(jìn)行評價后,得到兩種工藝的主要對比結(jié)論如表4所示。

表4 重力鑄造和低壓鑄造評價

由表可知,低壓鑄造由于充型過程可控,流動平穩(wěn),順次凝固且補(bǔ)縮性強(qiáng),因此其成型質(zhì)量要明顯優(yōu)于重力鑄造,本研究采用低壓鑄造工藝對某液力變矩器葉輪進(jìn)行澆鑄,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

3 鑄造仿真模型驗證

低壓鑄造葉輪采用金屬外模和覆膜砂砂芯,利用熱芯盒進(jìn)行砂芯的快速成型(如圖8所示),澆鑄時主要工藝參數(shù)如第2節(jié)所示,觀察表面質(zhì)量并利用X射線實時成像檢測儀進(jìn)行探傷。如圖9所示, 低壓澆鑄表面光整,沒有針孔澆不足等缺陷。

圖8 砂芯

圖9 鑄件表面質(zhì)量

如圖5所示,在低壓鑄造仿真中,泵輪的主要缺陷集中在葉片與外環(huán)相交壁面,尤其是葉片出流邊附近。圖10為探傷結(jié)果,可以看到在葉片頂部與外環(huán)相交的一圈出現(xiàn)密集的黑色斑點(diǎn),這就是縮孔,這與仿真結(jié)果較吻合。

圖10 泵輪主要缺陷部位

圖11是渦輪缺陷圖,渦輪整體成型質(zhì)量較好,內(nèi)外環(huán)沒有明顯縮孔,與仿真結(jié)果吻合。

圖11 渦輪主要缺陷部位

圖12是導(dǎo)輪的探傷圖,圖中黑色代表實心區(qū)域,白色代表空心區(qū)域,黑色區(qū)域中的白點(diǎn)即代表了縮孔缺陷。可以看到澆口區(qū)域存在嚴(yán)重的縮孔存在。在內(nèi)外環(huán)其他區(qū)域并沒有明顯的針孔類缺陷出現(xiàn),與仿真結(jié)果吻合度較高。

圖12 導(dǎo)輪主要缺陷部位

4 結(jié)論

本研究建立了液力變矩器葉輪的鑄造仿真模型,對重力鑄造和低壓鑄造工藝進(jìn)行對比分析,并進(jìn)行了試鑄及驗證,主要結(jié)論如下:

(1) 低壓鑄造的液力變矩器葉輪鑄造質(zhì)量要明顯優(yōu)于重力鑄造。相比于重力鑄造,低壓鑄造受到可控充型壓力作用,充型過程更平穩(wěn),且金屬液補(bǔ)縮性好,同時,低壓鑄造整體上按照“后充型先凝固”原則順序凝固,不易出現(xiàn)“液體孤島”,整體上收縮率較小,縮松縮孔出現(xiàn)概率大大降低,組織致密性提升,力學(xué)性能較優(yōu);

(2) 數(shù)值模擬技術(shù)可以有效預(yù)測鑄造過程,為設(shè)計、優(yōu)化和分析提供依據(jù)。ProCAST鑄造仿真軟件可以預(yù)測實際澆鑄過程的具體狀況,預(yù)測結(jié)果與實際澆鑄結(jié)果吻合度高,具有較高的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。ProCAST可以方便地看到充型凝固過程的液流狀態(tài),預(yù)測缺陷并且為缺陷原因分析和改進(jìn)提供指導(dǎo);

(3) 泵輪低壓鑄造存在的缺陷位置主要集中在葉片與外環(huán)相交壁面,尤其是葉片出流邊附近。這個部位的泵輪外環(huán)為了與外界裝配而厚度激增,因此導(dǎo)致該部位容易存在熱節(jié)而出現(xiàn)收縮等缺陷。針對該缺陷,可以對泵輪外環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計,適當(dāng)增大外環(huán)厚度變化部位的過渡圓角,以避免厚度突變導(dǎo)致的縮松等缺陷。也可以在該部位增設(shè)冷鐵,以加快冷卻。