離合器殼體砂型低壓鑄造工藝的研究

吉 宏，于 濤

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

本次開發(fā)的變速箱上的鋁合金離合器殼體，在試制階段要求在45天內(nèi)交付60件合格毛坯，費(fèi)用控制在20萬(wàn)以下。為滿足高質(zhì)量、短周期、低成本的試制要求，選擇合適的鑄造工藝非常關(guān)鍵。

鋁合金離合器殼體毛坯在量產(chǎn)階段通常采用金屬型高壓鑄造工藝，模具成本高、制造周期長(zhǎng)，不能滿足試制階段項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度和成本要求。公司在以往的試制階段一般采用砂型重力鑄造工藝，模具成本低、試制周期短，但是對(duì)于離合器殼體這種外形尺寸大、壁厚不均勻的薄壁件，其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、造型難度高、工藝出品率較低；另外，由于砂型溫度低，在澆注過(guò)程中鋁液降溫幅度大，在薄壁部位容易產(chǎn)生澆注不足或冷隔缺陷，在厚大部位，即使采用冒口補(bǔ)縮，其作用也比較有限，易產(chǎn)生縮松缺陷。而為此提高澆注溫度又會(huì)帶來(lái)熔體含氣量高，容易產(chǎn)生縮孔等缺陷的問(wèn)題，其毛坯質(zhì)量不能滿足試制要求。

低壓鑄造也是汽車零部件生產(chǎn)中常用的鑄造工藝，一般采用金屬型結(jié)合砂芯的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。低壓鑄造相對(duì)重力鑄造而言，金屬液在壓力下充型和結(jié)晶，具有充型平穩(wěn)、澆注過(guò)程及工藝參數(shù)可自動(dòng)控制等特點(diǎn)，用低壓鑄造工藝生產(chǎn)鑄件具有合格率高、質(zhì)量穩(wěn)定及出品率高等特點(diǎn)，但是金屬型低壓鑄造的模具費(fèi)用和制造周期還是不能滿足試制要求。

本文提出采用樹脂砂型低壓鑄造工藝的設(shè)想，將低成本的樹脂砂型和低壓鑄造工藝有機(jī)的結(jié)合，達(dá)到低成本、高質(zhì)量、短周期的試制目的，通過(guò)對(duì)離合器殼體鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合砂型低壓鑄造工藝原理，設(shè)計(jì)鑄件低壓鑄造澆注系統(tǒng)和低壓鑄造工藝方案。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鑄件進(jìn)行充型、凝固、缺陷模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，修正鑄件澆注系統(tǒng)和工藝方案。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

離合器殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 產(chǎn)品技術(shù)要求

鑄件定義材料：AlSi8Cu3Mg，硬化處理200±10°、保溫3小時(shí)，鑄件的抗拉強(qiáng)度≥200 MPa、延伸率0.5～1.5%、布氏硬度≥80 HB，不得有氣孔、夾渣、縮孔、裂紋、縮松等缺陷；1個(gè)大氣壓、20℃情況下，每分鐘不超過(guò)20 ml泄漏量。

殼體最大外形尺寸 X×Y×Z=410×364×206 mm，基本壁厚4 mm，凸臺(tái)最厚40 mm，筋條最高54 mm，鑄件重量9.2 kg。

1.2 工藝可行性分析

鑄件材料AlSi8Cu3Mg中Si含量為7.5%～8.5%、Cu含量為 2.8%～3.5%、Fe含量為≤3.5%，Si的成分含量高，容易形成硬點(diǎn)，切削性變差；Cu的成分含量高，容易發(fā)生熱裂；Fe的成分含量高降低了合金的流動(dòng)性。因此材料更改為ZL101A（即AlSi7MgA）［5］， 該合金主要是采用高純度原材料，降低各種雜質(zhì)含量，其中Cu≤0.1%，F(xiàn)e≤0.2%，鑄造性能優(yōu)良。熱處理的方式更改為T6熱處理，即固溶處理8小時(shí)，人工時(shí)效5小時(shí)，ZL101A經(jīng)T6熱處理后抗拉強(qiáng)度、延伸率、硬度可滿足設(shè)計(jì)需求。

該殼體的鑄造難點(diǎn)是外形尺寸大、薄壁且壁厚不均勻。采用金屬型壓鑄工藝完全能夠滿足生產(chǎn)要求，而對(duì)于砂型鑄造而言，由于鑄型在常溫下澆注，鑄型溫度低，4 mm的壁厚相對(duì)過(guò)薄，在常規(guī)重力澆注下很難保證鑄件成型完整。而一些厚大部位，特別是螺栓連接部位，在壓鑄時(shí)可以用型芯保證不至于壁厚過(guò)厚，同時(shí)壓鑄工藝上可以采用布置冷卻通道的手段進(jìn)行規(guī)避，而砂型鑄造時(shí)這些孔難以成型，一般采用填平后續(xù)加工的方法完成，這就人為加大了鑄件壁厚的不均勻性。鋁合金屬于低密度合金，在重力作用下的補(bǔ)縮作用有限，因此在厚大部位產(chǎn)生縮松缺陷很難避免。而采用低壓澆鑄工藝，合金液澆注時(shí)在可控的壓力作用下充型，大大提高了金屬液的充型能力和補(bǔ)縮能力，輔之以冒口進(jìn)行補(bǔ)充，有效地減少或避免縮孔縮松等鑄造缺陷，提高鑄件質(zhì)量。

2 低壓鑄造原理

低壓鑄造是指液態(tài)金屬在壓力作用下，自下而上地充填型腔，并在壓力下結(jié)晶、凝固、成形的一種鑄造工藝方法。由于所加的壓力較低（22～70 kPa），所以稱之為低壓鑄造［2］［3］。 低壓鑄造屬于反重力鑄造工藝中的一種，圖2是低壓鑄造的基本原理示意圖。

如圖2所示，在裝有合金液的密封坩堝內(nèi)，通入干燥的壓縮空氣，其作用在保持一定溫度的合金液面上，使得坩堝和型腔之間產(chǎn)生壓力差，合金液沿升液管經(jīng)澆道自下而上充滿型腔，待型腔充滿后，增大坩堝內(nèi)氣壓，并保壓至鑄件完全凝固成形，然后卸除坩堝內(nèi)壓力，使升液管和澆道中未凝固的合金液回流到坩堝中，即完成了一個(gè)低壓鑄造工藝過(guò)程，冷卻后脫模獲得所需鑄件。

本次試制采用樹脂砂型低壓鑄造工藝，樹脂砂固化后強(qiáng)度高，完全能夠滿足壓力下成型的要求［4］。樹脂砂經(jīng)充分混合后在鋁質(zhì)模具中造型固化，脫模后再進(jìn)行組芯合模，由于鑄型內(nèi)腔要承受一定壓力，鋁液極易從分型面流出或射出，因此要采用夾具將鑄型固定牢固。

3 低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)

為保證鑄件符合質(zhì)量要求，經(jīng)過(guò)詳細(xì)技術(shù)分析后，采用樹脂砂造型和開放式澆注系統(tǒng)，在進(jìn)行低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)低壓鑄造理論曲線確定工藝參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果修正工藝參數(shù)，確定澆注工藝。

3.1 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)是金屬液流入鑄型型腔的通道，是控制鑄件質(zhì)量關(guān)鍵因素之一，冒口的主要作用是補(bǔ)縮鑄件，通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)、使用要求分析，設(shè)計(jì)鑄件澆注系統(tǒng)及冒口見圖3所示。

由于離合器殼體基本壁薄只有4 mm，為防止飛濺，要在保證速度不高的情況下（防止噴濺）在短時(shí)間內(nèi)完整充型，就要布設(shè)更多的內(nèi)澆口，澆口的位置在鑄件整體的最大壁厚部位，即在殼體大端面，如圖3（左）。

按低壓鑄造特點(diǎn)鑄件總體保持自上而下的順序凝固，具體凝固順序?yàn)椋鸿T件—內(nèi)澆道—橫澆道—直澆道—升液管，由于該鑄件中間部分壁厚薄而上下法蘭面的厚度厚，很難做到在壓力下順序凝固。為此在鑄件的小端面（即上表面）設(shè)置若干冒口，如圖3（右）。

3.2 砂芯造型

根據(jù)鑄件形狀和澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)，按造型合格率高、組芯精度高的原則，將鑄型設(shè)計(jì)為下型、上型、頂芯和五個(gè)側(cè)芯。砂型（芯）采用樹脂砂造型，成型模具采用鋁合金模具。鋁合金模具的優(yōu)點(diǎn)是：尺寸精度高、容易起模、表面光潔、耐腐蝕，模具壽命滿足試制以及小批量要求而成本低廉。樹脂砂澆注時(shí)發(fā)氣量小，可減少鑄件中的氣孔和氧化夾渣等缺陷，提高鑄件合格率，圖4給出了部分砂型、砂芯、側(cè)芯及合箱后狀態(tài)。

3.3 確定低壓澆注工藝參數(shù)

3.3.1 澆注溫度

由于合金液在壓力作用下充型，其充型能力高于重力澆注，合金液在密封狀態(tài)下澆注，散熱慢，其澆注溫度可比一般鑄造方法低 10℃～20℃［6］。澆注溫度根據(jù)鑄型條件、鑄件壁厚、鑄件結(jié)構(gòu)及合金種類等條件確定，在保證鑄件成形的條件下，溫度較低為宜，因?yàn)闈沧囟鹊涂梢詼p少合金液的吸氣和收縮，使鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力、裂紋等缺陷的概率減少，本鑄件的澆注溫度取730℃左右。

3.3.2 充型、凝固壓力與時(shí)間

砂型低壓澆注理論曲線見圖5，整個(gè)低壓澆注過(guò)程包括四個(gè)階段［1-3］。

（1）加壓充型階段

充型壓力和充型速度是低壓鑄造的主要工藝參數(shù)，直接影響鑄件質(zhì)量。根據(jù)巴斯葛原理P=ρgH可以計(jì)算出充型壓力，P=密度×重力加速度×高度差，ρ為鋁液的密度2 400 kg/m3，g為重力加速度9.8 m/s2，H高度差，是鑄件高度、澆道高度、升液管高度之和為1.47 m，計(jì)算出充型壓力P1為34.6 kPa。充型時(shí)間是鑄件高度除以充型速度得到，充型速度根據(jù)鑄型種類和鑄件結(jié)構(gòu)初步確定為40 mm/s，鑄件高度為206 mm，理論計(jì)算充型時(shí)間為5.1 s。

（2）保壓結(jié)殼階段

保持充型壓力一段時(shí)間，使鑄件表層形成一定厚度殼，在增壓結(jié)晶時(shí)可以避免合金液滲入砂型中，減少機(jī)械粘砂機(jī)會(huì)［6］。在不產(chǎn)生粘砂和跑火的前提下結(jié)殼時(shí)間越短越好。

（3）加壓凝固階段

鑄件結(jié)殼后在充型壓力P1的基礎(chǔ)上增加壓力至結(jié)晶壓力P2，使鑄件在壓力下結(jié)晶凝固。結(jié)晶壓力越高鑄件組織越致密，但受砂型強(qiáng)度的限制，壓力不能太高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取凝固壓力45 kPa。

（4）保壓凝固階段

保持結(jié)晶壓力P2一段時(shí)間使鑄件完全凝固。保壓時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率有明顯影響。保壓時(shí)間與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型條件等有關(guān)，通常取鑄件凝固后，殘留澆道長(zhǎng)度一般控制在20～50 mm為宜。到目前為止，保壓時(shí)間的確定沒有較方便實(shí)用的計(jì)算公式，在鑄件凝固模擬時(shí)可以通過(guò)模擬凝固狀態(tài)，初步得到鑄件保壓時(shí)間。

3.4 充型、凝固過(guò)程模擬

利用國(guó)際上著名的Magmasoft鑄造CAE軟件，對(duì)離合器殼體鑄件進(jìn)行低壓鑄造充型、凝固模擬，根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測(cè)鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔、疏松缺陷的部位及大小，從而對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行修正同時(shí)判斷理論工藝參數(shù)的合理性。

3.4.1 充型過(guò)程溫度場(chǎng)模擬

充型過(guò)程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，見圖6。

從圖6可以看出，充型初期，溫度分布較為均衡，底部法蘭面的溫度下降較少，鋁水到達(dá)中部薄壁部位后，溫度下降較快，有近百度的降低，但是并沒有達(dá)到固相線以下，不會(huì)形成冷隔等缺陷。因此，在制定充型工藝時(shí)，保壓結(jié)殼階段無(wú)法實(shí)施，在實(shí)際生產(chǎn)中取消保壓結(jié)殼階段，即充型滿后，直接加壓至結(jié)晶壓力。

3.4.2 充型過(guò)程速度模擬

充型過(guò)程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，見圖7。

從圖7可以看出，鋁液在整個(gè)充型過(guò)程的速度基本保持在50 cm/s以下。充型較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)液面上下起伏和噴濺現(xiàn)象，如果出現(xiàn)液面起伏和噴濺現(xiàn)象，將會(huì)形成分層以及冷豆的缺陷。因此整個(gè)充型階段的壓力控制較為理想。

3.4.3 凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬

凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，見圖8。

從凝固過(guò)程可以清楚的看到，由于鑄件中間部分壁厚薄而上下法蘭面的厚度厚的原因，很難做到在壓力下順序凝固。從t=250.120 s溫度場(chǎng)可以看到，中間部分凝固后上面的法蘭處還有液相存在，該液相將會(huì)在凝固過(guò)程中出現(xiàn)縮松。因此，在該部位布置冒口是必要的手段。

t=382.480 s時(shí)，鑄件本體已經(jīng)完全凝固，此時(shí)保壓已經(jīng)沒有任何效果。而在t=323.480 s時(shí)，鑄件本體仍然有液相存在。因此，t=383 s左右理論上是最好的泄壓時(shí)間，但是在此時(shí)泄壓，將會(huì)導(dǎo)致橫澆道以及直澆道被抽空，鋁水在該部位形成空殼，不是很好清理，而在下次加壓時(shí)，前次形成的空殼會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾雜缺陷。

在t=414 s時(shí)，澆道幾乎全部凝固，此時(shí)泄壓，澆道形狀飽滿，不至于對(duì)下次加壓產(chǎn)生影響。

3.5 模擬后修正工藝參數(shù)

3.5.1 澆注系統(tǒng)修正

參照凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果在小端面法蘭處有液相存在，須在該部位布置冒口，避免出現(xiàn)縮松缺陷。

3.5.2 澆注過(guò)程工藝曲線修正

參照充型過(guò)程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，保壓結(jié)殼階段無(wú)法實(shí)施，取消保壓結(jié)殼階段，修正后的澆鑄過(guò)程工藝曲線如圖9所示。

3.5.3 澆注工藝參數(shù)對(duì)比

從充型、凝固過(guò)程模擬結(jié)果可以得到修正后的工藝參數(shù)，對(duì)比如表1所示。

按照模擬結(jié)果確定的工藝參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，得到的鑄件表面光潔，無(wú)氣孔、澆不足、冷隔缺陷，也沒有因?yàn)閴毫^(guò)大出現(xiàn)粘砂現(xiàn)象。圖10為零件需要加工的面的橫切照片及機(jī)加工后的成品件，可以看出鑄件內(nèi)部沒有出現(xiàn)氣孔、縮孔、疏松、夾渣和針孔等缺陷。

表1 修正前后的工藝參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

離合器殼體采用樹脂砂造型，低壓澆注工藝成型，輔之以鑄造CAE手段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)指導(dǎo)及缺陷預(yù)測(cè)，能夠快速生產(chǎn)出表面光潔，內(nèi)部無(wú)缺陷的高質(zhì)量鑄件，鑄件的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求而且成本低廉。這種工藝方法對(duì)其他薄壁鑄件的快速試制具有極大指導(dǎo)意義和推廣價(jià)值。

［1］邱孟書，王小平，等.低壓鑄造實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］鑄造手冊(cè) 第三版編委.特種鑄造分冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］田榮璋.鑄造鋁合金［M］.湖南：中南大學(xué)出版社，2006.

［4］約翰·坎貝爾.鑄造原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［5］胡忠，張啟勛，高以熹，等.鋁鎂合金鑄造工藝及質(zhì)量控制［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1990.

［6］羅庚生，張志忠，呂有綱等.低壓鑄造［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1989.

［7］鑄造手冊(cè) 第三版編委.造型材料分冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版，2011.