原标题：合工大&合肥亚明：铝合金9AT变速器主壳体高压铸造工艺研究

提升汽车的舒适性和经济性一直是汽车行业的重要目标，作为汽车驱动三大件之一的变速器非常重要。9AT变速器的齿轮组采用嵌套式结构，变速器总长控制在一定范围内，且速比间隔小，不仅提高驾驶舒适性，也使发动机常在最经济区域运转，大大提升燃油效率，相较于6AT变速器可节油10%~16%。然而复杂结构的9AT变速器的高压铸造生产经常出现气孔缺陷，实现稳定高品质的主壳体生产是亟需解决的问题。目前国内对9AT变速器主壳体生产的研究报道较少，而对其他压铸件的工艺及对气孔、缩孔等缺陷的影响进行了大量的研究。有研究者通过改善浇注系统，采用中心浇口，减少了压铸铝合金离合器壳体的气孔缺陷。发现增加高低速切换点位置，有利于减少铸件孔洞缺陷，但对铸件的致密度、抗拉强度和伸长率不利。采用高真空压铸技术改善了变速箱壳体铸件的内部气孔状态和力学性能。研究者发现推迟高低速切换点可有效改善滤波器壳体成形过程中的喷流现象。为了探明高低速转换位置对金属液充型状态以及后续影响，采用模拟仿真+工艺试验的方法对ADC12铝合金9AT变速器主壳体的压射高低速切换点进行研究，并根据模拟所获得的优化工艺参数进行实际生产验证，旨在为其应用提供参考。

图文结果

目前主流的8AT变速器使用了4组行星齿轮和5个换挡机构，而9AT变速器为了达到9个档位，设计了4组行星齿轮和6组换挡机构，并且通过部分零件的优化与结构拓扑设计，整体体积与8AT相当，外轮廓尺寸约为470mm×400mm×400mm，质量约为12.6kg。铸件整体结构复杂、壁厚不均，平均壁厚约为6mm，壁厚最薄处约为4mm，最厚处约为30mm，且内部分布有很多加强筋和油管，压铸过程中易产生应力集中，造成铸件变形、气孔、缩松和缩孔等问题。图1为变速器主壳体铸件三维模型图。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，都能够吸收齿轮在工作时产生的力和力矩，且不发生变形和位移，保持轴之间的精确相对位置。这就要求主壳体具有较高的强度和刚度，而ADC12压铸铝合金具有密度小、比强度和比刚度高的特点，能够满足主壳体的生产要求。

图1 变速器主壳体三维图

表1 ADC12合金的主要化学成分（%）

图2 浇注系统三维图

通常的压铸生产工艺一般取金属料液到达内浇口的位置为高低速切换点，但由于主壳体形状复杂，且为箱体结构，常规的高低速切换点并不适用。结合前期工作和大量模拟，高低速切换点取480mm时为金属液到达内浇口的位置，高低速切换点取520mm时为金属液从中间5路分支进入型腔且平稳交汇的位置，高低速切换点取560mm时为型腔内金属液与右侧分支金属料液平稳交汇的位置。因此，为了研究压射高低速切换点对变速器主壳体充型过程的影响，设计3套模拟方案，高低速切换点分别设置在480、520和560mm处分别为方案1、方案2和方案3。

图3 方案1压铸充型模拟结果

图4 方案2压铸充型模拟结果

图5 方案3压铸充型模拟结果

图3为方案1的充型过程。可以看到，由于金属液进入型腔内并未平稳交汇，而是直接以高速充填型腔，金属液前端部位出现了十分明显的喷流（图3b虚线框），极易产生回流、卷气现象。左侧浅腔箭头处有很明显的未填充部分，未来得及排出型腔的气体被金属液包裹，造成变速器主壳体内部气孔缺陷产生。型腔左侧部位充型缓慢，卷气较为严重，对压铸件的品质影响很大。图4为方案2的充型过程。可以看出，由于金属液平稳交汇，当压射速度从低速转换为高速时，金属液能够平稳地充型。与方案1相比，前端的喷流明显改善，左侧部位的卷气现象也得到了明显改善。但是由于左侧为浅腔区域，所需填充的金属液较少，金属液平稳交汇后开始高速压射时，金属液率先进入左侧浅腔部分，形成少量喷流，少量气体被包裹在左侧浅腔金属液中（见图4b箭头处）。图5为方案3的充型过程。从图5a中可以看出，在高低速切换点进行高低速切换时，金属液已与右侧分支金属液平稳交汇，当压射速度从低速转换为高速时，由于右侧分支对右侧深腔的充填作用，使得金属液能够同时充填左侧浅腔区域和右侧深腔区域，金属液以层流的方式进行充型。整个充型过程中产生的喷流很小，且充型较为均匀，左侧浅腔部位已无气体包裹现象。充型过程平稳，有利于将型腔内的气体排出，从而减少气孔缺陷产生。

图6 3种高低速切换点卷气概率模拟结果

图7 变速器主壳体压铸毛坯件

图8 变速器主壳体微观组织

表2 变速器主壳体的力学性能

结论

（1）充型过程模拟发现，高低速切换点为560mm时，整个充型过程平稳均匀，相较于高低速切换点为480和520mm时产生卷气概率最小。
（2）选取压射低速值为0.2m/s，高速值为3.5m/s，高低速切换点为560mm进行实际生产试制，试制的变速器主壳体外观无明显缺陷，内部组织晶粒细小、分布均匀、组织致密。近浇口处的抗拉强度和伸长率分别为272.0MPa、3.4%，末端的抗拉强度和伸长率为230.6MPa、2.7%，均满足变速器主壳体的力学性能要求。

本文作者：
范寅生 李亨 吴玉程
合肥工业大学材料科学与工程学院
鲁超
合肥亚明汽车部件有限公司
李明 赵永征
合肥江淮铸造有限责任公司

本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志