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。

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。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。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。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

变速器壳体及浇注系统模型如图1所示。壳体尺寸为230 mm×300 mm×120 mm，质量为2.366 kg，材料为AlSi9Cu3，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DM1500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A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。

图1 变速器壳体及浇注系统模型

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。内浇口设置在侧面，金属液从两侧进入完成充型。内浇口面积由公式（1）计算得到，为4.16c㎡；直浇道的直径由压铸机类型决定，为100 mm。

式中：A内 为内浇口横截面积之和，c㎡ ；G为铸件总质量，g；ρ为合金液密度，g/m³ ；v为内浇口出口处合金液的线速度，cm/s；t为充型时间，s。

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1084326，其中流体网格数量为513722。铸件材料选择AlSi9Cu3，浇注温度660℃，模具材料选择H13，预热温度225℃，铸件和模具材料的热物性参数如表1所示。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。

表1 铸件和模具材料的热物性参数

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t=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。

图2 充型时示踪粒子路径

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85%，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。

图3 凝固过程温度场变化

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所示。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。

图4 模拟缺陷预测

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 ℃。改进后的模型如图5所示，其他冷却工艺参数见表2。

图5 改进后的浇注系统及冷却系统

表2 冷却工艺参数

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。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。

图6 优化后的充型过程及凝固温度场变化



图7 优化后模拟缺陷预测

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。



图8 变速器壳体实物图

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。

作者：
吴跃翔 苏小平
南京工业大学 机械与动力工程学院
本文来源：《铸造》杂志