摘 要 ：以鋁合金變速器殼體為研究對象，結合壓力鑄造和零件結構的特點，設計澆注系統，使用 Magma 軟件對初始工藝進行數值模擬，結果表明充型不平穩，沒有按照順序凝固，產生縮松縮孔和熱裂紋缺陷。根據模擬結果及缺陷產生原因改進澆注系統，增加冷卻系統，最終得到消除缺陷、符合要求的工藝方案。

關鍵詞： 變速器殼體;壓鑄工藝;數值模擬;工藝優化

變速器總成是汽車傳動系統中的關鍵部件，而變速器殼體作為安裝變速齒輪支撐軸承的零件，需要保證在各種復雜工況下，能夠吸收齒輪在工作時所產生的作用力和力矩，且不會發生變形位移，保持軸與軸之間的確相對位置[1] 。這就要求變速器殼體具有較高的強度、剛度，但是在變速器制造時，容易產生縮松、縮孔和熱裂紋等缺陷，會大大影響零件性能[2]。壓力鑄造是將液態金屬快速沖入型腔，并在高壓下凝固的工藝，可以有效減少鑄件缺陷[3]。為提高某國產乘用車品牌的變速器殼體的綜合成品率，使用 Magma 軟件對變速器殼壓力鑄造工藝進行可行性研究。先根據鑄造手冊和經驗公式初步設計壓鑄方案，根據模擬結果改進得到優化方案，再通過試制驗證該方案的可行性。

1 仿真模型與初始工藝設計

變速器殼體及淺注系統模型如圖1所示。殼體尺寸為230 mm x 300 mm x 120 mm ,質量為2.366 kg , 材料為 AlSi 9 Cu 3 , 壓鑄時的收縮率為0.5%~0.6%,采用一模兩件的常規壓力鑄造工藝，壓鑄機類型為 DM 1500臥式冷室壓鑄機。殼體上部分布了一些肋板 ，中間為空心腔體，兩個孔是用來安裝支撐軸承，模型整體比較復雜，大壁厚為26 mm , 位于圖中4處 ，最小壁厚為7 mm , 位于圖中 B 處 ，平均壁厚10 mm 。殼體底部較為平整，且與正投影方向平行，選取底部為分型面。由于采用一模兩件工藝，且壓鑄澆道設計時，一般常采用單個內澆道，不宜過多改變方向，減少流程，所以選擇側澆口式澆注系統[4]。內澆口面積由公式(1 ) 計算得到[5],為 4.16 cm :; 直澆道的直徑由壓鑄機類型決定，為100 mm 。

2 初始工藝數值模擬分析

將模型 STL 格式導入到 Magma 中，進行網格劃分，共生成網格數量為1 084 326,其中流體網格數量為513 722。鑄件材料選擇 AlSi 9 Cu 3 , 澆注溫度660 模具材料選擇 H 13,預熱溫度225 鑄件和模具材料的熱物性參數如表1所示[6]。壓射比壓為60 MPa , 充型速度0.5-2 m / s , 保壓時間50 s ，進行模擬 。

2 . 1 充型過程分析

整個鑄件充型時間為0.06 s , 為了更好地觀察充型過程中的金屬液流動情況，使用示蹤粒子查看充型過程 ，如圖2所示。從圖中可以看出， t =0.02 s 時 ，金屬液已經注滿整個澆注系統，金屬液流動較為平穩，由側面進入型腔并向另一側流動。當戶0.032 s 時 ，金屬液處于高速充型階段，澆道內發生了顯著的分離回流(圖2中圈出部位)，影響整個流動的平穩性，容易造成卷氣、夾渣現象，最終影響零件質量。

2 . 2 凝固過程分析

凝固過程中的溫度場變化如圖3所示。當t=1.049 s時 ，變速器殼體上一些比較薄的肋板開始凝固;當t =5.625 s 時 ，凝固率達到50% , 鑄件上一些壁厚較小的部位開始凝固，主要位于殼體上部和中心圓孔周圍;當t=11.764 s 時 ，凝固率為8 5 % , 此時鑄件大部分都凝固完成，主要是一些壁厚較大的部分，還未完全凝固。從整個凝固過程溫度場變化來看，凝固時并沒有實現順序凝固，一些壁薄的地方先凝固，而壁厚的位置最后凝固，而且壁厚位置遠離澆口，很容易在凝固時產生孤立液相，無法補縮，最終形成縮松縮孔缺陷 。在一些拐角處，由于凝固時間的不同導致收縮應變率過大，從而在表面產生熱裂紋。

2 . 3 鑄造缺陷分析

根據充型過程和凝固過程的結果變化分析，對鑄件縮松縮孔和熱裂紋分布位置進行預測，結果如圖4所可以看出，縮松縮孔可能產生的位置與之前分析的相接近，而熱裂紋也位于厚壁與薄壁交界處圖中圈出部位。

3 優化工藝分析

3 . 1 確定優化方案

由于初始工藝無法得到符合要求的鑄件，需要對其進行優化，主要包括兩個方面： (1 ) 對澆注系統尺寸進行改進。初始澆注系統，金屬液在進入澆道流向兩側時，澆道變窄，流速增加，容易產生噴射，發生紊流，進而導致分離回流，為了保證流動平穩，對澆道尺寸進行優化; (2 ) 增加冷卻系統，調整凝固時溫度場分布，實現順序凝固，冷卻系統采用水冷，冷卻水溫度20 1 。改進后的模型如圖5所示，其他冷卻工藝參數見表2。

3 . 2 優化方案模擬

對優化后的工藝方案進行數值模擬，充型過程示蹤粒子路徑和凝固時的溫度場變化如圖6所示?？梢钥闯?，整個充型過程，澆道內金屬液流動平穩，分離回流現象明顯消除;凝固過程中，當 t = 1.209 s 時 ，除了薄壁肋板開始凝固外，施加冷卻系統的壁厚處表面也開始慢慢凝固，當t=7.470 s 時 ，相較于未加冷卻之前，壁厚區域基本完成凝固，主要是靠近澆口處一些區域還沒有完全凝固，基本滿足順序凝固原則。

對優化后的鑄造缺陷進行預測，如圖7所示。從圖中看出，縮松縮孔和熱裂紋缺陷都基本消除，說明優化方案可以明顯提高鑄件質量，滿足要求。

3 . 3 優化方案驗證

為了進一步驗證改進后方案的可行性，對改進后的方案進行試制，實際生產的變速器殼體如圖8所示。經檢驗，鑄件整體質量良好，未發現裂紋、縮孔 、縮松等鑄造缺陷，與上述模擬缺陷預測結果相符合。

4 結束語

運用成形過程數值模擬方法，以消除縮松縮孔、熱裂紋為目的，對變速器殼體壓鑄工藝進行改進及優化。研究結果表明：改進的澆注系統能夠有效解決充型不平穩問題，同時增加的冷卻系統可以改善溫度梯度，實現順序凝固。通過實際生產驗證，改進后的方案能夠消除縮松縮孔和熱裂紋缺陷，提高零件成形質量。