變矩器渦輪低壓鑄造充型能力研究

肖一

陜西法士特汽車傳動工程研究院 陜西寶雞 722409

1 序言

液力變矩器是液力自動變速器總成（AT）中，安裝在發動機與變速器之間的裝置，是以液壓油為工作介質的一種非剛性扭矩變換器，起傳遞轉矩、變矩、變速及離合的作用，對整車的動力性及燃油經濟性有很大影響。

渦輪是液力變矩器三元件中的核心元件之一，主要起動力輸出的作用。發動機起動后，發動機飛輪帶動相連的泵輪，液壓油在離心力作用下從泵輪流出沖向渦輪，推動渦輪旋轉，動力通過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，鈑金沖焊型廣泛應用于乘用車領域，鑄造型多用于大型商用車及工程機械行業。

2 工藝設計

某渦輪鑄件如圖1所示，為環形回轉體結構，外形尺寸φ456mm×98mm，重量約10kg，材質為A356合金。鑄件上有25片導流葉片與內外環一起構成液壓流道，流道出口側約15mm長度范圍內的葉片壁厚小于3mm，最窄處為葉片前端的圓角，只有R0.5mm左右（見圖2）。

圖1 渦輪鑄件結構

圖2 葉片薄壁區域

考慮到環形鑄件適合中心澆口進料，且葉片細薄部分對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，充型能力優于重力鑄造，鑄件的組織致密，力學性能較高，鑄件無或少冒口，出品率高，因此確定采用低壓鑄造工藝澆注渦輪鑄件[1]。

葉片流道部分因結構限制采用砂芯成形，其余部分為金屬型成形。澆道如圖3所示，設置到鑄件整體壁厚較厚的一側，以十字形澆口完成充型及補縮功能。按澆注溫度710℃、充型時間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

對鑄件進行剖切及射線檢測，其內部質量良好，組織致密，無任何縮孔、縮松類缺陷，說明澆注系統設計合理，鑄件的凝固順序符合工藝要求，澆道補縮能力可以保證鑄件質量要求。

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

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程中產生的，與液態金屬的充型能力聯系密切。液態金屬的充型能力是指其充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，是保證鑄件成形質量的關鍵要素[2]。

影響液態金屬充型能力的因素有很多，包括液態金屬的流動性、鑄型的熱交換強度及阻力、澆注條件及鑄件的結構等。前兩個因素從工藝角度來說相對固定，在此我們主要對鑄件結構及變量較多的澆注條件進行分析。

經統計，缺陷產生的部位全部為距葉片前端約6mm范圍內，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重。因為薄壁區域與鑄型的接觸表面積較大，熱量散失較快，且表面張力產生的充型阻力也大，容易出現未澆足缺陷，此處區域的壁厚范圍已遠低于一般低壓金屬型鑄造能達到的最小壁厚范圍，所以常規的澆注條件無法滿足渦輪鑄件葉片的充型能力要求。

澆注條件方面，主要有以下幾個影響因素：

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

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

（3）澆注系統 一是鑄件上遠離澆口的部位金屬液流程比較長，溫度散失大；二是內澆道截面積過小，通過流量不足，易形成未澆足缺陷。理論上調整澆注系統可以減少上述缺陷發生的幾率，但此方法往往受到鑄件結構或鑄型脫開的限制。

針對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MAGMA鑄造過程模擬軟件進行輔助分析。圖5是初始方案的模擬結果，溫度場顯示，葉片前端的薄壁區域充型時的溫度已接近液相線溫度，發生未澆足缺陷的幾率較大，與實際情況基本吻合，流量曲線顯示通過內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分布及內澆道通過流量曲線

4 改進方案

4.1 調整澆注系統，提高澆注溫度

第一種改進方案，適當增大直澆道的直徑，并將內澆道由十字形分布改為環形分布，即增大內澆道截面積和通過流量，使每個葉片的充型分布更均勻，并將澆注溫度提高到720℃。

圖6的模擬結果顯示，葉片薄壁區域仍有較高的缺陷產生幾率，問題沒能得到根本解決，流量曲線顯示通過內澆道的流量最大峰值約為3000cm3/s。

圖6 改進方案1充型階段的液相態分布及內澆道通過流量曲線

4.2 提高充型速度和澆注溫度

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

圖7 改進方案2充型階段的溫度場分布及內澆道通過流量曲線

圖7 的模擬結果顯示，葉片薄壁區域的溫度場有較大提升，液相態分布顯示發生未澆足缺陷的幾率較低，流量曲線顯示通過內澆道的流量最大峰值約為3500cm3/s，圖8表明在此速度范圍內鑄件發生卷氣類缺陷的可能性也較低。

圖8 改進方案2的卷氣狀態分布

5 驗證結果

參照過程模擬分析的結果，采用改進方案2進行試制。實際澆注時，澆注溫度設置為725℃，其余工藝參數均按第二種改進方案，試制出的渦輪葉片輪廓清晰完整（見圖9），葉片合格率達到95%以上，其余部位的外觀及內部質量均符合質量要求。

圖9 改進后的葉片輪廓清晰完整

6 結束語

以上改進過程表明，充型速度及澆注溫度是提高低壓鑄造充型能力的關鍵因素，對于壁厚＜3mm的葉輪類鑄件，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重要，良好的排氣系統可以最大程度地降低充型時的背壓阻力。