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制动盘出现裂纹状孔洞

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[压铸] 技术天地:铝合金变速器壳体压铸工艺设计及优化

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发表于 2021-5-14 17:13:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
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摘 要 :以铝合金变速器壳体为研究对象,结合压力铸造和零件结构的特点,设计浇注系统,使用 Magma 软件对初始工艺进行数值模拟,结果表明充型不平稳,没有按照顺序凝固,产生缩松缩孔和热裂纹缺陷。根据模拟结果及缺陷产生原因改进浇注系统,增加冷却系统,最终得到消除缺陷、符合要求的工艺方案。
关键词: 变速器壳体;压铸工艺;数值模拟;工艺优化
变速器总成是汽车传动系统中的关键部件,而变速器壳体作为安装变速齿轮支撑轴承的零件,需要保证在各种复杂工况下,能够吸收齿轮在工作时所产生的作用力和力矩,且不会发生变形位移,保持轴与轴之间的精确相对位置[1] 。这就要求变速器壳体具有较高的强度、刚度,但是在变速器制造时,容易产生缩松、缩孔和热裂纹等缺陷,会大大影响零件性能[2]。压力铸造是将液态金属快速冲入型腔,并在高压下凝固的工艺,可以有效减少铸件缺陷[3]。为提高某国产乘用车品牌的变速器壳体的综合成品率,使用 Magma 软件对变速器壳压力铸造工艺进行可行性研究。先根据铸造手册和经验公式初步设计压铸方案,根据模拟结果改进得到优化方案,再通过试制验证该方案的可行性。
1 仿真模型与初始工艺设计

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变速器壳体及淺注系统模型如图1所示。壳体尺寸为230 mm x 300 mm x 120 mm ,质量为2.366 kg , 材料为 AlSi 9 Cu 3 , 压铸时的收缩率为0.5%~0.6%,采用一模两件的常规压力铸造工艺,压铸机类型为 DM 1500卧式冷室压铸机。壳体上部分布了一些肋板 ,中间为空心腔体,两个孔是用来安装支撑轴承,模型整体比较复杂,最大壁厚为26 mm , 位于图中4处 ,最小壁厚为7 mm , 位于图中 B 处 ,平均壁厚10 mm 。壳体底部较为平整,且与正投影方向平行,选取底部为分型面。由于采用一模两件工艺,且压铸浇道设计时,一般常采用单个内浇道,不宜过多改变方向,减少流程,所以选择侧浇口式浇注系统[4]。内浇口面积由公式(1 ) 计算得到[5],为 4.16 cm :; 直浇道的直径由压铸机类型决定,为100 mm 。

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2 初始工艺数值模拟分析
将模型 STL 格式导入到 Magma 中,进行网格划分,共生成网格数量为1 084 326,其中流体网格数量为513 722。铸件材料选择 AlSi 9 Cu 3 , 浇注温度660 模具材料选择 H 13,预热温度225 铸件和模具材料的热物性参数如表1所示[6]。压射比压为60 MPa , 充型速度0.5-2 m / s , 保压时间50 s ,进行模拟 。

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2 . 1 充型过程分析
整个铸件充型时间为0.06 s , 为了更好地观察充型过程中的金属液流动情况,使用示踪粒子查看充型过程 ,如图2所示。从图中可以看出, t =0.02 s 时 ,金属液已经注满整个浇注系统,金属液流动较为平稳,由侧面进入型腔并向另一侧流动。当户0.032 s 时 ,金属液处于高速充型阶段,浇道内发生了显著的分离回流(图2中圈出部位),影响整个流动的平稳性,容易造成卷气、夹渣现象,最终影响零件质量。

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2 . 2 凝固过程分析
凝固过程中的温度场变化如图3所示。当t=1.049 s时 ,变速器壳体上一些比较薄的肋板开始凝固;当t =5.625 s 时 ,凝固率达到50% , 铸件上一些壁厚较小的部位开始凝固,主要位于壳体上部和中心圆孔周围;当t=11.764 s 时 ,凝固率为8 5 % , 此时铸件大部分都凝固完成,主要是一些壁厚较大的部分,还未完全凝固。从整个凝固过程温度场变化来看,凝固时并没有实现顺序凝固,一些壁薄的地方先凝固,而壁厚的位置最后凝固,而且壁厚位置远离浇口,很容易在凝固时产生孤立液相,无法补缩,最终形成缩松缩孔缺陷 。在一些拐角处,由于凝固时间的不同导致收缩应变率过大,从而在表面产生热裂纹。

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2 . 3 铸造缺陷分析
根据充型过程和凝固过程的结果变化分析,对铸件缩松缩孔和热裂纹分布位置进行预测,结果如图4所可以看出,缩松缩孔可能产生的位置与之前分析的相接近,而热裂纹也位于厚壁与薄壁交界处图中圈出部位。

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3 优化工艺分析
3 . 1 确定优化方案
由于初始工艺无法得到符合要求的铸件,需要对其进行优化,主要包括两个方面: (1 ) 对浇注系统尺寸进行改进。初始浇注系统,金属液在进入浇道流向两侧时,浇道变窄,流速增加,容易产生喷射,发生紊流,进而导致分离回流,为了保证流动平稳,对浇道尺寸进行优化; (2 ) 增加冷却系统,调整凝固时温度场分布,实现顺序凝固,冷却系统采用水冷,冷却水温度20 1 。改进后的模型如图5所示,其他冷却工艺参数见表2。

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3 . 2 优化方案模拟
对优化后的工艺方案进行数值模拟,充型过程示踪粒子路径和凝固时的温度场变化如图6所示。可以看出 ,整个充型过程,浇道内金属液流动平稳,分离回流现象明显消除;凝固过程中,当 t = 1.209 s 时 ,除了薄壁肋板开始凝固外,施加冷却系统的壁厚处表面也开始慢慢凝固,当t=7.470 s 时 ,相较于未加冷却之前,壁厚区域基本完成凝固,主要是靠近浇口处一些区域还没有完全凝固,基本满足顺序凝固原则。

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对优化后的铸造缺陷进行预测,如图7所示。从图中看出,缩松缩孔和热裂纹缺陷都基本消除,说明优化方案可以明显提高铸件质量,满足要求。

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3 . 3 优化方案验证
为了进一步验证改进后方案的可行性,对改进后的方案进行试制,实际生产的变速器壳体如图8所示。经检验,铸件整体质量良好,未发现裂纹、缩孔 、缩松等铸造缺陷,与上述模拟缺陷预测结果相符合。

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4 结束语
运用成形过程数值模拟方法,以消除缩松缩孔、热裂纹为目的,对变速器壳体压铸工艺进行改进及优化。研究结果表明:改进的浇注系统能够有效解决充型不平稳问题,同时增加的冷却系统可以改善温度梯度,实现顺序凝固。通过实际生产验证,改进后的方案能够消除缩松缩孔和热裂纹缺陷,提高零件成形质量。
参考文献:
[ 1 ] 胡溧,唐森泉. 杨啟梁,等. 某重型商用车变速箱売体轻量化研究[J].机械传动 , 2020, 4 4( 4 ) : 26-31.
[ 2 ] 高东强. 翟彦青,朱小倩,等. 汽车减速器箱盖砂型铸造工艺模拟分析[J].铸造 , 2020, 69 ( 5 ) : 523-527.
[ 3 ] 周海军,陆建成,伍世添. 等.变速箱壳体压铸工艺分析及缺陷改善[J].特种铸造及有色合金 , 2019. 39(11) : 1216-1219.
[ 4 ] 张国强 , 赵占西,勾健,等. 壳体压铸工艺设计及优化[J].铸造 , 2020, 69( 5 ) : 501-505.
[ 5 ] 胡恰,汪东红,吴文云,等.复杂混流泵外壳铸造工艺设计与数值模拟[J].铸造 , 2019, 68 (9 ) : 1026-1030.
[6] 李燕霞.U 型支架铸造工艺设计[J].铸造 , 2020, 69 ( 1 ) : 89-92.
来源:南京工业大学机械与动力工程学院 作者:吴跃翔,苏小平
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