幾種消失模鋁合金鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李 娟，趙江恒，張瑤瑤，白忠軍

（陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西寶雞 722409）

消失模鑄造工藝具有設(shè)計(jì)靈活、無需傳統(tǒng)制芯工藝、得到的鑄件精度高、生產(chǎn)成本低、清潔度高等優(yōu)異特性，因此被稱為21 世紀(jì)的“新型”和“綠色”鑄造工藝。而鋁合金材料憑借其低密度、高比強(qiáng)度和比剛度，且流動(dòng)性好，充型壓力小等優(yōu)異性，成為各類鑄造生產(chǎn)中普遍采用的金屬材料，同時(shí)也是我公司澆鑄客車類、重輕卡類和新能源類等變速器殼體普遍使用的輕金屬材料。

1 鋁合金變速器殼體的消失模生產(chǎn)

近年來汽車輕量化成為一種趨勢(shì)，而變速箱作為汽車的主要零部件之一，對(duì)其殼體材料的選用變得尤為重要。目前，我公司已引進(jìn)相對(duì)成熟的消失模富康生產(chǎn)線并配備專用設(shè)備，可大批量生產(chǎn)各種類型鋁合金變速器殼體。采用消失模鑄造生產(chǎn)這些種類殼體，主要生產(chǎn)流程是：制型—造型—澆注—檢驗(yàn)—后處理；使用鋁合金模具（ZL103）可將消失模鑄件所需的模型成型出來，這些模型達(dá)到熟化時(shí)間后通過模型粘接、涂層涂覆并烘干，則白區(qū)消失模生產(chǎn)的模型簇完成，符合要求的模型簇通過傳送裝置運(yùn)送到黑區(qū)進(jìn)行造型澆注，澆注時(shí)需保證鋁液的澆注溫度在750～770℃之間，且鋁合金澆注無需抽負(fù)壓，即可獲得尺寸精度高、表面無飛邊毛刺的鋁合金變速器殼體鑄件，具體流程見圖1。

圖1 消失模生產(chǎn)流程圖

在消失模鑄造過程中，當(dāng)鋁液充型取代模型形成鋁合金鑄件時(shí)，由于模型受熱裂解發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成的產(chǎn)物積聚在金屬液面不能順利排出，就會(huì)使鑄件形成冷隔、皮下氣孔等缺陷，并且由于模樣裂解吸熱導(dǎo)致的鋁液溫度降低，將會(huì)造成金屬鋁液流動(dòng)性差、充型能力下降，從而容易產(chǎn)生澆不足等缺陷。此外，模樣氣化易使鋁液吸氫，從而增多鑄件內(nèi)部的氣孔。

因此，我車間在生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鋁合金變速器殼體時(shí)，就需要從各個(gè)方面考慮設(shè)計(jì)不同類型的澆注系統(tǒng)，以保證在充型過程中不因模型產(chǎn)物積聚、鋁液溫度梯度過大等原因而出現(xiàn)冷隔、氣孔、澆不足、縮松等缺陷影響鑄件的成品率。

2 澆注位置及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

澆注系統(tǒng)是將熔融態(tài)金屬液引導(dǎo)進(jìn)入鑄型型腔形成完整鑄件的所有通道合稱。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是否合理會(huì)嚴(yán)重影響工藝出品率和鑄件的成品率，因?yàn)椴缓侠淼臐沧⑾到y(tǒng)會(huì)導(dǎo)致缺陷類型和缺陷數(shù)量的增多。消失模鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以參照傳統(tǒng)砂型鑄造的基礎(chǔ)理論，同時(shí)還要考慮自身的一些特點(diǎn)，根據(jù)F直澆道：F橫澆道：F內(nèi)澆道（F 表示截面積）的比例不同，澆注系統(tǒng)可以分為以下4種類型，如表1 所示。

表1 澆注系統(tǒng)類型介紹

2.2 澆注位置選擇與澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注位置是澆注過程中鑄件在鑄型中所處的位置，選擇澆注位置至關(guān)重要。與傳統(tǒng)鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，根據(jù)金屬液引入型腔的位置不同，消失模鑄造的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)有底注、頂注、中間側(cè)注或幾種方式共用等多種澆注方式，我公司生產(chǎn)的鋁合金變速器殼體結(jié)構(gòu)多樣，品種復(fù)雜，在生產(chǎn)時(shí)，澆注系統(tǒng)會(huì)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和消失模鑄造工藝進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計(jì)。

同時(shí)，由于鋁液流動(dòng)過程中溫度下降快，造成鋁液溫度較低，且鋁液極易氧化和吸氣，進(jìn)而進(jìn)入鑄件中，導(dǎo)致鑄件易出現(xiàn)氣孔、冷隔的缺陷，為保證鑄件不出現(xiàn)這些缺陷，除適當(dāng)提高澆注溫度外，還要考慮澆注系統(tǒng)。對(duì)于鋁合金消失模鑄件的澆注系統(tǒng)應(yīng)保證鋁液的順暢、平穩(wěn)充型，并保證泡沫模裂解和燃燒后氣體產(chǎn)物及殘?jiān)樌懦觯覂?nèi)澆道尺寸的設(shè)定及位置的選擇還要滿足對(duì)鑄件關(guān)鍵部位有凝固補(bǔ)縮效果。下面以幾類不同結(jié)構(gòu)類型的鋁合金產(chǎn)品為例來介紹三種澆注系統(tǒng)的選用和設(shè)計(jì)。

2.2.1 底注工藝

該法一般將澆注系統(tǒng)設(shè)置在模樣簇的底部，進(jìn)而澆注時(shí)鋁液會(huì)順著直澆道流入底部，然后從底部引入模型中，澆注過程中鋁液平穩(wěn)充型，鑄件自下而上凝固，可將泡沫燃燒產(chǎn)生的氣體及時(shí)排除，同時(shí)將一些鑄造缺陷集中到鑄件上表面，之后鑄件在機(jī)加工時(shí)會(huì)將上表面的缺陷加工掉。目前對(duì)于較大鑄件采用底注工藝。

如2 圖所示，根據(jù)12 檔鋁合金變速器殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（總體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，帶有副箱），其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成山字形半封閉式底注工藝，為了保證模樣簇的整體強(qiáng)度，直澆道上端與懸掛臺(tái)位置以小拉筋相連，此拉筋在澆注前會(huì)被割掉。目前設(shè)計(jì)的該類澆注系統(tǒng)，12 檔鋁合金變速器殼體的探傷合格率可達(dá)到97%以上。

圖2 底注式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.2.2 中注工藝

該方法一般將內(nèi)澆口設(shè)置在模樣簇的中部某一高度上，一般選擇模型的最大投影面部位。澆注時(shí)鋁液從模型簇的中部位置引入，可適當(dāng)縮短鋁液引入內(nèi)澆口的距離進(jìn)而充型時(shí)可適當(dāng)縮短充型時(shí)間。對(duì)于一些薄壁、質(zhì)量小、形狀較復(fù)雜的殼體，采用中注法工藝，成品率可以滿足生產(chǎn)需要。

如圖3 所示，以AMT 新能源類變速器殼體為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（整體壁薄），澆注系統(tǒng)采用十字花型內(nèi)澆道，可適當(dāng)增加鋁液的流動(dòng)方向，而直澆道的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和目前現(xiàn)有的設(shè)備狀況。運(yùn)用此類澆注系統(tǒng)，67116015 類新能源鋁合金變速器殼體的探傷合格率可達(dá)到95%以上。

圖3 中注式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.2.3 頂注工藝

該方法一般將內(nèi)澆道設(shè)置在模型的頂部位置，鋁液順著流入內(nèi)澆口后從模型上方引入型腔，充型速度相對(duì)較快，因而流動(dòng)過程中鋁液熱量散失少，有利于防止?jié)膊蛔愫屠涓羧毕荨ｍ斪⒎沧⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造型及清理方便，金屬液消耗少。對(duì)于一些薄壁、矮小的殼體，采用頂注法工藝，其出品率可以滿足生產(chǎn)需要。

如圖4 所示，分別以15626015 離合器殼體和65621016 蓋類殼體為例，設(shè)計(jì)壓邊式頂注工藝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于造型及清理方便，對(duì)于一些形狀和尺寸較小的蓋類小殼體，可以設(shè)計(jì)一注兩件，在生產(chǎn)時(shí)會(huì)節(jié)省資源（見圖4a、4b）。對(duì)于缺陷要求不高的工裝設(shè)計(jì)，采用頂注法可以高效率、低成本的用消失模鑄造完成（見圖4c）。關(guān)鍵要考慮壓邊尺寸，內(nèi)澆道橫截面積的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮殼體的口面薄壁尺寸，金屬液經(jīng)壓邊薄壁流入型腔，充型慢而平穩(wěn)，對(duì)型腔沖擊力小，邊澆注邊補(bǔ)縮，有利于順序凝固，直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道橫截面積比為F直:F橫:F內(nèi)=4:2.3:1，此種設(shè)計(jì)可滿足生產(chǎn)需要。

圖4 頂注式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

3 工藝設(shè)計(jì)合理性

我公司所生產(chǎn)的重輕卡類、新能源類等系列變速器箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，采用普通鑄造法需要制芯、下芯、組芯和合箱等步驟，使得其生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)，而且對(duì)于鑄件的成品率也難以控制。但是采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)這些變速器箱體，則可以避免傳統(tǒng)制芯等步驟，使得生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化很多，同時(shí)還可避免由型芯的尺寸誤差、位置誤差等因素所引起的鑄件缺陷和導(dǎo)致的鑄件廢品率。

消失模鑄造鋁合金變速器殼體過程中，針對(duì)不同產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)要保證澆注過程中鋁液充型平穩(wěn)，充型時(shí)間短，且擋渣能力要強(qiáng)。根據(jù)不同類型鋁合金變速器殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)冷隔、澆不足、渣孔、氣孔等鑄造缺陷，經(jīng)過多次試制和批量生產(chǎn)結(jié)合，采用消失模鑄造生產(chǎn)鋁合金變速器殼體時(shí)，傳統(tǒng)的10/12 檔殼體，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成底注型，新能源類離合器殼和中殼，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成中注型，DS 系列不帶副箱的鋁合金箱體，部分離合器殼體、后蓋類殼體，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成頂注型，且鋁合金的澆注系統(tǒng)采用實(shí)型泡沫。

4 結(jié)論

綜上所述，采用消失模鑄造生產(chǎn)鋁合金變速器殼體時(shí)，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)鋁合金殼體鑄件的成品率影響很大，設(shè)計(jì)不合理的澆注系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致缺陷類型和缺陷數(shù)量的增多。因此，不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鋁合金變速器殼體鑄件，需要設(shè)計(jì)不同類型的澆注系統(tǒng)。