液力变矩器是以液压油为工作介质的一种非刚性扭矩变换器，在发动机与自动变速器之间起着传递转矩、变矩、变速及离合的作用，对整车的动力性及燃油经济性有很大影响。导轮是液力变矩器三元件中的核心部件之一，主要起变矩的作用。液压油进入和流出导轮时，在叶片的导流作用下，液流速度和方向都会发生改变，从而导致液流动量矩的变化。液流的速度和运动方向完全取决于叶片的形状和进出口安装角，因此对导轮叶片的形状精度和一致性的要求非常严格。导轮按制造方法主要可分为冲焊型和铸造型，冲焊型广泛应用于乘用车领域，铸造型则多用于大中型商用车及工程机械行业。

图文结果

某公司设计的铝合金导轮，其主要化学成分（质量分数，下同）为6.5%~7.5%的Si，0.20%~0.45%的Mg，≤0.25% 的Cu，≤0.35%的Zn，≤0.35%的Mn，≤0.60%的Fe，余量为Al，属于典型的亚共晶Al-Si合金，铸造性能好、热裂倾向小、线收缩小。铸件结构见图1，铸件质量为5.3 kg，最大外径为274 mm，最小内径为122 mm，高度为91 mm，17片叶片按角度均匀分布在内、外环之间，所有叶片表面与内、外环共同构成液压油的流道，流道部位的面轮廓度要求不超过±0.5 mm。此要求明显高于JB/T 9712-2001。目前国内有用石膏型铸造生产高尺寸精度的涡轮，但对于传统的树脂砂芯铸造仍是挑战。该零件属于出口件，对品质要求极高。

图1 导轮铸件结构

导轮铸件为回转体结构且整体高度较低，采用中心孔进料有利于金属液充型及补缩，而且叶片尖端较薄，对充型能力的要求较高，适合采用低压铸造。叶片部位由于脱模限制只能采用砂芯成形，叶片具体形状见图2，其内环侧边缘轮廓尺寸大于外环侧边缘轮廓尺寸，叶片厚度为0.5~12 mm，整个叶片在立体空间内呈大角度的弯曲及扭曲状，任何起模方向都无法沿单一直线轨迹抽出。参照常规做法，采用简化分型和模具结构的组芯式工艺，见图3。从每个叶片的尖端及底部中心分型，一模多腔制作出数个相同的小砂芯，用专用工装将17个小砂芯组合并固定在一起，涂覆涂层后放入金属型内进行浇注，浇注温度为710~720 ℃。

图2 叶片形状

图3 组芯式分型工艺

图4 三维扫描尺寸结果

采用组芯式分型工艺方案浇注出的导轮铸件，经过一系列检验检测，其叶片部位轮廓清晰完整，内部组织致密、无缩松等缺陷，体现了低压铸造工艺对轮类铸件的适宜性。三维尺寸扫描结果见图4。但仍存在以下问题：第一，三维尺寸扫描结果显示，叶片的轮廓度超差范围在60%以上，尺寸的稳定性较差，无法获得客户认可；第二，铸件每个叶片边缘的飞边毛刺较多，单件平均清理时间约为40 min，效率较低。叶片尺寸稳定性差的主要原因是组芯过程中，每个叶片砂芯之间会产生装配累积误差，对于导轮误差稍大就会超标，同时砂芯之间的配合精度也不高；而叶片端部的大量飞边毛刺，是因为低压铸造充型能力强，充型过程中铝水很容易进入到砂芯之间的配合间隙内所形成。对于组芯式分型工艺方案来说，因配合的砂芯数量较多，其累积误差很难降低；砂芯之间的配合间隙位置大多处于极其狭窄的空间内，无法采用人工填补缝隙的方式消除飞边毛刺。因此，考虑设计整体式砂芯分型工艺方案。

图5 运动仿真模拟

采用整体式砂芯分型工艺，需要对砂芯的每个叶片型腔进行抽芯脱模才能实现，CAE运动仿真模拟结果见图5。可以看出，单个叶片抽芯可以沿较复杂的立体曲线轨迹完成抽出动作。芯盒模具设计方面，有以下两个问题需要解决：第一，每个叶片的抽芯轨迹均为立体曲线，用气缸滑轨之类的自动机械装置几乎无法实现；第二，叶片的形状决定了抽芯方向只能是从外环向内环，但内环的空间直径只有120 mm左右，空间限制也无法放置多个机械抽芯装置。经过综合考虑，决定采用模具活块人工抽芯的结构方式解决，见图6。设计制作17个钢制叶片活块，每个活块都独立编号，按抽出顺序紧密排列，活块之间的分型面按两个叶片之间的中线分割，其中第1片抽出的活块配合面较为特殊，需要有最大的起模角度，所有活块放置在一套精加工定位环上来保证装配精度，并锁紧固定。将固定好的整套活块组放入芯盒模具内，见图7。模具型腔最外围安装有17个辅助气缸抽芯，对应的每个叶片外侧均有定位键，活块组放入模具型腔后，所有气缸抽芯同时闭合，与叶片活块键槽配合形成二次辅助定位，确保射砂时每个叶片活块稳固不晃动，随后合模进行射砂及吹气固化取芯操作。整体式叶片砂芯见图8。砂芯固化后，开模取出与活块组镶合的砂芯，取下活块组的固定装置，按编号顺序人工将活块逐一取出，取出时轻轻敲击每个活块的外环侧，同时将取出的活块重新排列在专用工装上，开始下一制芯循环。

图6 叶片活块组

图7 芯盒模具

图8 整体式叶片砂芯

图9和图10分别为叶片表面和改进后的三维扫描尺寸结果。采用整体式砂芯浇注出的导轮铸件，叶片边缘没有任何飞边毛刺，单件平均清理时间从原先的40 min降低到5 min，清理效率得到较大提高；加工成品经过扫描检测，轮廓度符合面积达到95%以上，各项指标均符合技术标准要求，顺利实现装机出口。

图9 叶片表面

图10 改进后铸件三维尺寸偏差

结论

对于叶片形面高精度要求的变矩器导轮铸件，整体式砂芯比分片组芯式砂芯的尺寸控制更为精确和稳定，同时后期的清理效率也更高。对于高扭曲及高弯曲度的导轮叶片，设计整体式砂芯模具的难度较高，首先需要通过仿真模拟或者加工局部试验叶片活块，确认单个叶片能够沿曲线手工脱模，然后设计出定位准确且方便装配的活块组合，在模具内二次稳固定位后，即可制出满足要求的整体式砂芯。

作者：

肖一陕西法士特齿轮有限责任公司

本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴