文：重庆科创职业学院 刘祥
摘 要：以汽车变速箱外壳零件为例，采用 Al Si9Cu3 铝合金作为铸造材料，制定压铸工艺方案，使用数值模拟方法完成对铸件的充型、凝固和温度场仿真测试。 针对压铸仿真中发现的潜在缺陷，使用正交试验方法分析了造成缺陷的影响因素。 对压铸仿真中的实验数据做了对比分析，阐述了进一步的研究思路和改进方法。 经实际验证，调整参数后的铸件压铸缺陷明显改善。
关键词：铝合金；变速箱外壳；高压铸造；数值模拟
在汽车零部件制造中，铝合金压铸件的应用更是日益增多。其中AlSi9Cu3 合金是一种具有优良综合性能的压铸铝合金材料，应用于欧美国家的汽车工业，在轿车车身，轿车、载重汽车零部件制造中广泛使用。变速箱外壳是变速箱重要的外部保护装置，同时其还承担着内部零件的安装、润滑及散热等多项功能，属于高强度、高韧性、耐腐蚀的大型薄壁复杂零件。
本文以上汽通用品牌某型号变速箱外壳上盖为研究对象，用铸造软件进行数值模拟分析，研究目的为：
①分析压铸工艺方案的参数设置是否恰当；
②分析压铸方案中的吸气和缩孔状况是否严重；
③评价模拟压铸温度场数据是否准确。
1、外壳压铸件工艺分析及浇注系统设计
汽车变速箱外壳轮廓尺寸为480mm×360mm×252mm，重约211.36kg，平均壁厚约3.5mm，最大壁厚14mm，最小壁厚3mm，最小铸出孔直径3mm，深度8mm， 铸件表面及内部有多条加强筋及工艺凸台。利用 UG 软件创建变速箱外壳上盖模型，经格式转换后导入软件中进行数值模拟分析。 变速箱外壳上盖三维模型如图1所示。
汽车变速箱外壳的技术要求严格：
①抗拉强度Rm>240MPa、布氏硬度>74HB、伸长率δ>1%；
②铸件表面无流痕、气泡、欠铸现象，不加工面粗糙度为Ra6.3；
③铸件内部无气孔、氧化夹渣、缩孔现象，组织成分符合 DIN ENl706-1998 技术标准。 故选择AlSi9Cu3 铸造铝合金较为合适，其化学成分如表1。
AlSi9Cu3 铝合金具有较大的硬度和强度、较好的流动性能和铸造性能，多应用于较大压铸件的生产。其物理性能如表2所示。根据外壳压铸件的特点，设计了如图2所示的浇注系统。系统设有3处横浇道，7处浇口，横浇道总横截面积1100mm2，料饼厚度40mm。 铸件的溢流系统共设置20处集渣包，设置2处排气槽，宽度15mm。 浇注系统总重6.2kg。
通过零件三维模型，导出铸件端面投影面积为51265mm2， 上下左右4个型芯成型端面的投影面积为38437mm2，楔紧块的楔紧角20°。根据变速箱壳体耐压要求，拟定压铸机增压比压为80MPa，安全系数取0.85，计算得出模具主胀型力为4101kN，分胀型力为1119kN，所需锁模力为6141kN。选择LK公司的DCC3000T大型卧式压铸机压铸，前期采用0.2 m/s 低速运行，随后切换5.5m/s 高速完成充型，铸造压力700×105Pa。根据铸件材料和尺寸特点，设定浇注温度为(660±10)℃，模具预热温度为170℃。
2、充型质量模拟分析
采用铸造方法制造的零件普遍存在铸造缺陷，即使外形充填完整，但潜在的缺陷却较难发现。图3-图6为铸件在充型完整的情况下，研究铸件充型过程中金属液卷气情况，铸件充型压力、材料分布情况，示踪粒子流动情况，以及所产生的潜在缺陷等相关信息。
由于高温压铸金属液在充型过程中会与周围的空气接触，根据金属液中空气滞留量，可判断铸件产生氧化皮缺陷的程度。根据图4铸件气体卷入情况得出：
①铸件大部分区域气体卷入指数在6.76%以内，基本可忽略空气的氧化作用；
②图中两处黄色区域气体卷入指数分别达到了13.51%和15.19%，是气体侵入较严重的区域，此处易产生氧化皮缺陷。
通过分析铸件充型完成后整体所受压力的分布，可得出金属液在充型过程中的压力传递情况。图4为铸件充型压力情况图，图中紫色区域铸造压力1643×105Pa，是所有区域中压力相对较小的部位，此处组织相对致密性低，易出现缩松缺陷。
图5图6为浇口材料分布及示踪粒子流动情况图，可以看出，铸件材料分布和粒子流动情况较为合理，但在金属液充型的末期有明显的紊流和反向充填现象，图中所示部位出现气孔、夹渣的可能性大。对照实际铸件此区域的剖切截面发现缺陷确实存在，充型模拟结果基本与实际铸件缺陷存在部位相吻合。
3、凝固质量模拟分析
铸件在凝固阶段常出现的缺陷是缩孔，其原因有以下两方面：
①铸件中材料较厚的热节区域无法使材料达到同步凝固；
②材料降温速度不一致，温度高凝固速度慢的区域，出现缩孔的几率较大。
铸件在凝固过程中会产生热节，原因是局部材料较厚温度无法有效散发所致，如不进行有效的冷却控制，容易产生缩孔缺陷。图7为铸件中热节的具体分布情况，图中所示部位是热节数值较大的区域。图8为两处热节剖面放大图。为有效控制热节的产生，需增加冷却水道的实时控制，加大周圈循环冷却水流速，促使材料凝固同步。
图9为凝固温度模拟图， 图中标示出两处温度高凝固速度慢的区域，此区域在凝固过程中会形成液相孤岛进而形成缩孔。
图10为缩孔模拟结果和实际铸件在此区域剖切截面对比图，模拟结果与实际检测结果相吻合。
4、温度场模拟分析
通过对模具动模和定模温度场的模拟，获取模具上相关坐标点的实时温度信息，为高压铸造的实时温度控制提供数值依据，以替代采用热成像仪开模采集温度的技术方式。图11、 图12为定模和动模的模拟温度场及温度信息采集。从温度场分布来看，模拟的温度较为理想，由于在实际铸造时模具表面温度很高，需要增加模具表面涂层喷涂量，以降低铸造时的模具表面温度。
表3为热成像数据与模拟数据对比表。从温度采集信息来看，各采集点的模拟温度与热成像仪的采集温度相比有一定误差，经计算得出总体误差范围在15%左右，模拟结果并不十分理想，由于热成像仪是手持式温度采集设备，不可能达到模拟时的确坐标定位，故实验时位置误差很难消除。为获得更准确的实时温度数据， 需在后续研究中改进热成像设备的定位精度，同时进一步测试与模拟温度场相关的参数设置，重点在调整模具表面涂层喷涂参数和喷涂位置参数两方面，使模拟数据最大程度接近真实数据，从而实现温度实时控制。
5、改进方案及结果
经初步分析，在压铸过程中冲头压射速度、材料浇注温度和模具预热温度对压铸质量影响明显。可利用正交试验方法对压铸工艺进行优化分析，找出最优工艺参数范围，改善原压铸过程中的缩孔缺陷，并进行实际生产验证。
表4为正交试验因素表。考虑到实验结果要有明确的对比性，冲头压射速度取值为3.5、4.5和5.5m/s，材料浇注温度取值为650、660和670℃，模具预热温度取值为170、200和230℃， 每组取值按 1、2、3 进行编号，其它工艺参数按原工艺方案设定。
实验结果表明：
①冲头压射速度对压铸缺陷的影响最大，随着压射速度的增加，铸件内部缺陷逐渐增大；
②浇注温度对压铸缺陷的影响次之，随着浇注温度的增加，铸件内部缺陷逐渐增加；
③模具预热温度对压铸缺陷的影响较小， 随着模具预热温度的增加，铸件内部缺陷基本保持不变。
图13为改进方案后铸件效果图，经验证，将冲头压射速度调整为4.5m/s、浇注温度调整为650℃后，图中所示部位铸造缺陷得到明显改善。
6、结 论
（1）对汽车变速箱外壳进行了压铸工艺方案设计，采用数值模拟方法对压铸件进行了充型、凝固和温度场模拟，发现了潜在缺陷和实验误差。
（2）以提高汽车变速箱外壳铸造质量，消除铸造缺陷为目的，将冲头压射速度调整为4.5m/s，浇注温度调整为650℃，经检测铸造缺陷明显降 低。
（3）针对压铸温度场模拟数据误差过大的问题，提出了以改进热成像设备定位精度，调整模具表面涂层喷涂参数为措施的进一步研究和改进方向。
