基于鑄造軟件的變速箱殼缺陷預測與質量分析

劉 祥，林 波，唐建敏

(重慶科創職業學院汽車工程學院，重慶 永川 402160)

隨著鑄造技術的快速發展，為提高鑄件生產質量和降低生產成本，企業采用計算機仿真模擬的應用越來越多，模擬鑄造成型過程正在成為國家汽車鑄造關注的前沿領域之一[1-3]。清華大學、日本新東工業都進行過濕型砂鑄造過程模擬，德國亞琛工業大學進行過對射芯數據模擬。國內汽車鑄造業使用模擬軟件在鑄件充型模擬、鑄造凝固模擬、凝固溫度場模擬以及鑄造缺陷預測與分析方面，已經逐步在行業、企業內開展應用。本文以企業真實的變速箱殼體零件鑄造為例，使用軟件對零件進行仿真模擬及實物對比分析，排除和改進多項鑄件可能的缺陷點及工藝參數，其創新點為：通過將模擬結果和試制結果相結合，可快捷地找到可能的缺陷點并得到可量化的數值，同時檢測試制件還可修正軟件模擬的誤差，為調整工藝參數提供可靠、合理的依據，軟件模擬還可顯著減少企業鑄件試制的次數，成本明顯減少。

變速箱殼體是變速箱重要的外部保護裝置，同時其還承擔著內部零件的安裝、潤滑及散熱等多項功能，屬于高強度、高韌性、耐腐蝕的大型薄壁復雜零件[4-7]。由于變速箱殼體結構復雜力學性能要求高，企業在進行鋁合金鑄造時往往廢品率很高，急需采用先進的技術手段來預測鑄造缺陷的產生，以減少企業的生產成本[8]。在鑄造企業，常用的缺陷預測方法是鑄造軟件的壓鑄充型模擬，結合試件的鑄造對比分析，其缺陷預測準確性可達90%以上[9]。本文利用三維軟件創建的汽車變速箱殼體模型，經格式轉換后將其導入Magma軟件中進行充型模擬分析。模擬及實驗的最終目的為：①觀察分析鑄造方案的充型流態是否正常；②分析鑄造方案中的吸氣和縮孔狀況是否嚴重；③找到最佳模擬效果，選取合適的鑄造工藝參數。

1 變速箱殼體鑄造工藝參數設置

首先通過三維軟件設計鑄造件的數值模型，其模型包括：①汽車變速箱殼體模型；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。再將鑄造件的數值模型導入模具設計軟件中，生成模具的模腔，設計冷卻水水道，分模并形成定模和動模。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過仿真模擬和產品試驗兩個環節，仿真模擬和產品試驗均可按照相同的工藝參數進行。經過多次試驗和改進，本零件的壓鑄工藝參數設置如表1所示。

圖2 鑄件冷卻水道設置Fig.2 Casting channel setting

表1 工藝參數設置

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，鑄造時需各流道充填速率基本一致，充填速率的測試可通過軟件中的流速測試模塊得到。圖3為鑄造時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。從效果圖中可以發現鑄件充型完整，整體流速均勻，未發現有流速異常及鑄造死角的部位。

3 填充缺陷預測與質量狀況分析

采用鑄造方法制造的零件普遍存在鑄造缺陷多，潛在缺陷不易察覺等現象。總體來說，鑄造缺陷主要有填充缺陷和凝固缺陷兩類[10]。鑄件的填充缺陷主要有：①局部溫度過低，易出現氣孔；②最后充填部位易形成裹氣；③產品尾端或拐角處，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 ℃，比周圍鋁液溫度要低，同時此處在鑄造完成后需進行二次加工，容易出現鑄造缺陷。圖6為殼體加工后相同位置的對比圖，經實物檢驗后發現此處材料并未出現鑄造缺陷問題，其原因是局部降溫并不明顯，未影響到加工區域。

鋁液充填溫度為650 ℃左右，在進入鑄造流道后逐漸開始降溫，因此鑄件充填的最后位置往往是鋁液溫度最低的位置。鋁液溫度過低易出現冷隔、氣孔等現象。本鋁合金液相線為578 ℃，圖7紅色標記處為鑄件充填的最后位置，鋁液溫度為595 ℃，比周圍鋁液溫度要低，而且接近液相線，此處易出現鑄造缺陷。圖8為殼體加工后相同位置的對比圖，經鉆孔后并未發現明顯缺陷，分析原因為鑄件表面溫度略低，內部溫度合適，將表層不良組織切削后，內孔并未出現問題。

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

圖6 殼體加工后對照圖Fig.6 Physical contrast

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

鑄件的另一種常見的缺陷是氣體侵入，氣體侵入主要是由于流體的劇烈攪動以及空氣的排出不暢等原因造成，故這類缺陷常常出現在鑄件的尾端或拐角處。圖9中三處位置為氣體侵入較嚴重的區域，這三個區域空氣卷入指數分別達到了10.13%、8.44%和11.82%，此處最常見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比圖，由于這三個區域不是加工的重點部位，經外觀檢查并無缺陷，滿足零件要求。

圖8 殼體加工后對照圖Fig.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重的區域，一個區域為零件拐角較大的位置，另一個區域處于充型的最末端，同時此處還是充型溫度較低的位置。這兩個區域空氣卷入指數分別達到了11.82%和13.51%，尤其是后一個區域空氣卷入明顯。圖12為殼體零件相同位置的外形對比圖，經實物加工后未發現內孔缺陷，其原因同樣是加工切除了表面不良組織。

4 凝固缺陷預測與質量狀況分析

鑄件在凝固過程中也容易出現一些缺陷，主要有：①局部材料受熱時間過長，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縮孔或縮松；③鑄件中材料較多的部位易出現熱節，造成內部孔洞或應力集中。圖13中為材料受熱時間過長造成材料老化的部位。圖14為相同位置的對比圖，經加工后發現其老化程度在可加工范圍內。圖15、16為另兩處材料老化區域，因不在重點加工部位可忽略。

圖10 殼體外形對照圖Fig.10 Physical contrast

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

圖12 殼體外形對照圖Fig.12 Physical contrast

圖13 材料老化區域一Fig.13 Material age 1

圖14 外形對照圖Fig.14 Physical contrast

圖15 材料老化區域二Fig.15 Material age 2

鑄造材料在凝固時由于降溫速度不一致，在局部形成液相孤島易出現縮孔。圖17為模擬出的四個縮孔偏大的區域。分析發現位置1至位置4縮孔量分別為77.327、93.008、97.817和76.771，經實物測試縮孔量在技術要求控制范圍內，相關數值見圖18所示。

圖16 材料老化區域三Fig.16 Material age 3

圖17 材料縮孔Fig.17 Material shrinkage cavity

圖18 縮孔量數值Fig.18 Shrinkage cavity numerical

熱節也是造成鑄件形成缺陷的重要原因，鑄件中熱節均為壓鑄過程中溫度較高的區域，在箱殼零件中這樣的熱節非常多，其中較嚴重的熱節有兩個。圖19為箱殼零件中所有熱節的具體位置。圖20為鑄件中較大的兩個熱節的數值22.534 s和19.838 s，這兩處較易形成縮孔。在實際生產中通過加大冷卻水循環速度，進行實時控制等方法促使材料同步凝固，將溫度控制在技術要求范圍內。

圖19 熱節Fig.19 Hot spot

圖20 熱節數值Fig.20 Hot spot numerical

5 結論

鑄造軟件模擬共經過15次循環模擬實驗，同時經過多次實物對比分析，排除了多項變速箱殼零件可能的鑄造缺陷點，同時進行了一項控制熱節的工藝改進。實驗對鑄件中可能出現的氣孔、縮孔和熱節有了定量及定性的分析，對改進鑄造工藝參數提供了可靠的數據。將軟件中模擬的工藝參數復制到壓鑄機上，通過調整得到理想的控制參數，改進鑄件壓鑄的質量。通過軟件的模擬還可了解到整個壓鑄過程的溫度動態變化，為溫度的實時控制提供可能。