原標題：鋁合金變速箱殼體低壓鑄造工藝優化

摘要

對鑄件某型號變速箱殼體原低壓鑄造工藝的充型、凝固過程進行數值模擬，觀察鑄件易產生卷氣、縮松等缺陷部位，并分析原因。根據模擬分析結果提出提高澆注溫度與澆注速度、增大頂部冒口尺寸、增加冷鐵數量的優化措施。通過對優化后的鑄造工藝進行數值模擬、生產試制和檢驗，驗證了優化措施的可行性，有效避免缺陷的產生，實現質量提升目標。

變速箱殼體是機械傳動系統的核心零件之一，結構復雜且不規則，通過它將傳動機構上的零部件聯結為一個整體。隨著我國軌道交通技術水平不斷提升，以鋁代鐵、代鋼進程大大加快，齒輪箱材料由傳統的球墨鑄鐵或灰鑄鐵向鋁合金轉變，可有效減小簧下質量，提高運行品質。雖然變速箱殼體的低壓鑄造工藝已被廣泛應用，但在鑄造過程中仍會不可避免地出現縮孔縮松等缺陷，原因在于鑄造過程中參數的選擇和調整。現階段計算機仿真技術已經十分成熟，可直觀有效地表現鑄件的充型凝固過程以及預測缺陷分布。如彭玲玲使用FLOW-3D對變速箱殼體充型過程進行模擬，預測了腔體的卷氣情況，并進行工藝改進。樸俊杰等人通過ProCAST模擬了汽車支架的充型和凝固過程，基于結果采取局部加壓優化措施，解決了鑄件縮孔縮松缺陷。馬運安等人通過Anycasting得到箱體鑄造過程的充型速度、充型溫度、凝固液相區及收縮缺陷分布情況，并進行相應工藝優化消除了內部缺陷。可見充分利用計算機仿真技術來開發鑄件，可有效發現鑄件缺陷產生的部位及形成原因，以便采取相應工藝改進措施。

本文以某型號鋁合金齒輪變速箱殼體為研究對象，運用仿真軟件對原低壓鑄造工藝充型及凝固過程進行數值模擬，觀察卷氣、縮松等缺陷易產生部位并分析原因，從而進行相應工藝改進，開發出高質量穩定生產的變速箱殼體工藝。

1變速箱殼體技術條件

殼體三維模型如圖1所示，其外觀尺寸為1457mm×601mm×411mm，單重66kg。性能方面要求抗拉強度≥297 MPa，屈服強度≥230 MPa，伸長率≥11%；射線探傷要求關鍵部位沒有孔洞類缺陷；鑄件表面不允許有氧化皮、冷隔、裂紋等缺陷。

圖1 鑄件三維圖

本型號鋁合金齒輪變速箱殼體材料選用A356鋁合金，鋁合金成分見表1。

表1 A356鋁合金化學成分 wB/%

2原始工藝數值模擬與分析

2.1 原始工藝方案

如圖2所示，鑄件結構復雜，壁厚分布不均，最小壁厚位置位于底部外沿，僅為4 mm，最大壁厚位置位于底部與側面凸臺以及表面筋條處，達到28 mm。由于鑄件力學性能、內部質量（尤其指定區域）要求高，表面不允許有夾渣、氧化皮等缺陷，需要嚴格控制充型過程的速度、排氣以及充型完成后各部位的凝固時間，達到平穩充型、順序凝固的目的，以此消除卷氣、夾渣、縮孔縮松等缺陷。

圖2 鑄件壁厚

鋁合金齒輪變速箱殼體采用低壓鑄造工藝方案（圖3），澆注系統為開放式，具有金屬液流動平穩、對砂型沖刷力小的優點，能夠有效減少氧化物產生。其中直澆道截面積為7 850 m㎡，橫澆道截面積為12 448 m㎡，內澆道截面積為60 660 m㎡。設計隨形冒口，其中頂部冒口為明冒口，其余為暗冒口，在冒口無法補縮到的厚壁部位放置冷鐵，冒口及鑄件型腔拐角處布置排氣通道，直澆道內置高硅氧玻璃纖維過濾網。

圖3 鑄造模型

2.2 模擬參數設置

鑄件本體與冷鐵材料選用A356鋁合金，砂型材料選用40~70目水洗海砂，基于仿真軟件對充型過程及凝固過程進行數值模擬。其中A356鋁合金熱物性參數見表2，水洗海砂熱物性參數見表3。

表2 A356鋁合金熱物性參數

表3 水洗海砂熱物性參數

采用總體平均網格劃分法，總網格數5 802 060，網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分

鑄件與砂型間的界面熱交換系數及鑄件與冷鐵之間的界面熱交換系數設置如圖5所示，冷鐵與砂型之間的界面熱交換系數為500 W/（㎡·K）；砂型與冷鐵初始溫度30 ℃；充型工藝參數如表4所示，鑄件冷卻方式為空冷。

表4 充型工藝參數

圖5 傳熱系數

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1 充型模擬分析

充型過程數值模擬結果如圖6所示，鑄件型腔充滿時間為31.56 s。由圖6（a）可以看出，當充型時間為7.96 s時，金屬液在氣體壓力作用下充滿內澆道，隨后開始充型鑄件型腔。如圖6（b）、6（c），金屬液通過內澆道后以層流形態緩慢向上填充，過程平穩有序、無明顯卷氣現象產生。如圖6（d），當充型時間為30.26 s時，金屬液前端已有部分區域溫度低于液相線，為保證金屬液在充型時具有較好的流動性，需適當提高澆注溫度與澆注速度。

圖6 充型過程數值模擬結果

2.3.2 凝固模擬分析

鑄件在不同凝固時間的溫度場如圖7所示，主體凝固完成整體用時2 242.42 s，凝固進程較慢。如圖7（a），首先凝固位置為冷鐵接觸部位及鑄件側面扇形區。如圖7（b），當凝固進程行進至277.77 s時，頂部冒口周圍金屬液已處于固相線，阻斷澆口對頂部的補縮作用，結合圖8殘余熔體體積可知，在鑄件筋條部位產生體積較大的孤立液相區，該部位凝固后容易出現縮孔縮松，直接影響到鑄件的最終成形質量與力學性能。如圖7（d），當凝固時間為2242.42s時，頂部冒口因補縮所剩余量過小，易使鑄件內部產生縮孔類缺陷。

圖7 凝固過程數值模擬結果

圖8 殘余熔體體積

3工藝優化方案及分析

3.1 工藝優化

針對缺陷位置及特點，進行工藝改進及優化，方案如下。

（1）原工藝充型完成時溫度偏低，提高澆注溫度至700 ℃，提高充型壓力至42 kPa、結殼壓力至44kPa。

（2）鑄件主體凝固速度相差較大，結合圖2發現，鑄型中冷鐵數量較少、布局分散、導致鑄件熱傳遞不均勻，存在局部過快或局部過慢凝固的問題，且頂部冒口余量過小，在壁厚差較大的拐角及厚壁位置易產生縮孔類缺陷。優化工藝采取加大頂部冒口尺寸與高度措施，同時在各冒口遠端及鑄件底部的厚壁位置增加隨形冷鐵，冷鐵厚度為接觸部位壁厚的2倍，加快主體凝固速度、縮短冒口補縮距離，減少或消除缺陷產生。優化后鑄件鑄造模型如圖9所示。

圖9 優化后鑄造模型

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 優化后充型模擬分析

從圖10中看出優化后鑄件充型過程和優化前基本保持一致，充型完成時間為16.26 s，過程平穩，無明顯卷氣現象產生。充型完成時金屬液溫度處于液相線以上，說明具有流動性良好。

圖10 優化后充型過程數值模擬結果

3.2.2　優化后凝固模擬分析

如圖11所示，優化后鑄件主體凝固時長縮短為1058.22s。結合圖12觀察鑄件凝固過程中金屬液的殘留情況，可以看出鑄件各部位凝固速度加快，過程中未產生與冒口或澆口斷開連接的孤立液相，凝固完成時各冒口余量正常，利于補縮，減小縮孔、縮松缺陷產生的概率。

圖11 優化后凝固過程數值模擬結果

圖12 優化后殘余熔體體積

4試制驗證

為進一步驗證優化工藝的可行性，使用優化后的工藝進行試制。將A356合金錠放入石墨粘土坩堝中，利用井式電阻爐加熱熔化并升溫至740 ℃；采用HGJ-3精煉劑進行精煉處理，撇去浮渣；隨后，將熔體降溫至720 ℃，以Al-10Sr中間合金的形式向熔體中加入Sr元素（0.02%）進行變質處理，攪拌并降溫至700 ℃保溫10 min后，除去表面浮渣；使用表5所示參數進行澆注。

表5 試制工藝參數

鑄件充型凝固后自然空冷，如圖13所示，外觀檢查無明顯鑄造缺陷；力學性能滿足抗拉強度≥297MPa，屈服強度≥230 MPa，伸長率≥11%；通過X射線探傷GB/T 5677—2018檢驗標準，如圖14所示，內部良好，未發現明顯縮松和縮孔現象。滿足規定技術要求。

圖13 鑄件外觀

圖14 X射線檢測

5結束語

通過CAE仿真軟件對變速箱殼體鑄件充型及凝固過程進行數值模擬，分析鑄件充型過程的流態以及凝固趨勢；預測卷氣夾雜、熱節以及孤立液相可能出現的部位，進行相應的工藝優化，減少縮孔縮松等缺陷
產生的概率，實現了預期效果。

適當提高澆注溫度至700~710 ℃，提高充型壓力至42kPa、結殼壓力至44kPa，保證金屬液充型過程的流動性，提高充型質量。通過加大冒口尺寸與增加冷鐵數量，有利于加快鑄件熱節處的冷卻速度，增強冒口的補縮作用，實現鑄件順序凝固，降低縮孔縮松及氣孔等缺陷產生的概率。通過實際試制生產，驗證了上述工藝改進的有效性及可行性。

作者：

王亮
洛陽市軌道交通集團有限責任公司
劉中令
鄭機所（鄭州）傳動科技有限公司

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作伙伴