原標(biāo)題：合工大&合肥亞明：鋁合金9AT變速器主殼體高壓鑄造工藝研究

提升汽車的舒適性和經(jīng)濟(jì)性一直是汽車行業(yè)的重要目標(biāo)，作為汽車驅(qū)動(dòng)三大件之一的變速器非常重要。9AT變速器的齒輪組采用嵌套式結(jié)構(gòu)，變速器總長(zhǎng)控制在一定范圍內(nèi)，且速比間隔小，不僅提高駕駛舒適性，也使發(fā)動(dòng)機(jī)常在最經(jīng)濟(jì)區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，大大提升燃油效率，相較于6AT變速器可節(jié)油10%~16%。然而復(fù)雜結(jié)構(gòu)的9AT變速器的高壓鑄造生產(chǎn)經(jīng)常出現(xiàn)氣孔缺陷，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高品質(zhì)的主殼體生產(chǎn)是亟需解決的問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)9AT變速器主殼體生產(chǎn)的研究報(bào)道較少，而對(duì)其他壓鑄件的工藝及對(duì)氣孔、縮孔等缺陷的影響進(jìn)行了大量的研究。有研究者通過改善澆注系統(tǒng)，采用中心澆口，減少了壓鑄鋁合金離合器殼體的氣孔缺陷。發(fā)現(xiàn)增加高低速切換點(diǎn)位置，有利于減少鑄件孔洞缺陷，但對(duì)鑄件的致密度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不利。采用高真空壓鑄技術(shù)改善了變速箱殼體鑄件的內(nèi)部氣孔狀態(tài)和力學(xué)性能。研究者發(fā)現(xiàn)推遲高低速切換點(diǎn)可有效改善濾波器殼體成形過程中的噴流現(xiàn)象。為了探明高低速轉(zhuǎn)換位置對(duì)金屬液充型狀態(tài)以及后續(xù)影響，采用模擬仿真+工藝試驗(yàn)的方法對(duì)ADC12鋁合金9AT變速器主殼體的壓射高低速切換點(diǎn)進(jìn)行研究，并根據(jù)模擬所獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

目前主流的8AT變速器使用了4組行星齒輪和5個(gè)換擋機(jī)構(gòu)，而9AT變速器為了達(dá)到9個(gè)檔位，設(shè)計(jì)了4組行星齒輪和6組換擋機(jī)構(gòu)，并且通過部分零件的優(yōu)化與結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，整體體積與8AT相當(dāng)，外輪廓尺寸約為470mm×400mm×400mm，質(zhì)量約為12.6kg。鑄件整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，平均壁厚約為6mm，壁厚最薄處約為4mm，最厚處約為30mm，且內(nèi)部分布有很多加強(qiáng)筋和油管，壓鑄過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鑄件變形、氣孔、縮松和縮孔等問題。圖1為變速器主殼體鑄件三維模型圖。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(fù)雜工況下，都能夠吸收齒輪在工作時(shí)產(chǎn)生的力和力矩，且不發(fā)生變形和位移，保持軸之間的精確相對(duì)位置。這就要求主殼體具有較高的強(qiáng)度和剛度，而ADC12壓鑄鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高的特點(diǎn)，能夠滿足主殼體的生產(chǎn)要求。

圖1 變速器主殼體三維圖

表1 ADC12合金的主要化學(xué)成分（%）

圖2 澆注系統(tǒng)三維圖

通常的壓鑄生產(chǎn)工藝一般取金屬料液到達(dá)內(nèi)澆口的位置為高低速切換點(diǎn)，但由于主殼體形狀復(fù)雜，且為箱體結(jié)構(gòu)，常規(guī)的高低速切換點(diǎn)并不適用。結(jié)合前期工作和大量模擬，高低速切換點(diǎn)取480mm時(shí)為金屬液到達(dá)內(nèi)澆口的位置，高低速切換點(diǎn)取520mm時(shí)為金屬液從中間5路分支進(jìn)入型腔且平穩(wěn)交匯的位置，高低速切換點(diǎn)取560mm時(shí)為型腔內(nèi)金屬液與右側(cè)分支金屬料液平穩(wěn)交匯的位置。因此，為了研究壓射高低速切換點(diǎn)對(duì)變速器主殼體充型過程的影響，設(shè)計(jì)3套模擬方案，高低速切換點(diǎn)分別設(shè)置在480、520和560mm處分別為方案1、方案2和方案3。

圖3 方案1壓鑄充型模擬結(jié)果

圖4 方案2壓鑄充型模擬結(jié)果

圖5 方案3壓鑄充型模擬結(jié)果

圖3為方案1的充型過程。可以看到，由于金屬液進(jìn)入型腔內(nèi)并未平穩(wěn)交匯，而是直接以高速充填型腔，金屬液前端部位出現(xiàn)了十分明顯的噴流（圖3b虛線框），極易產(chǎn)生回流、卷氣現(xiàn)象。左側(cè)淺腔箭頭處有很明顯的未填充部分，未來得及排出型腔的氣體被金屬液包裹，造成變速器主殼體內(nèi)部氣孔缺陷產(chǎn)生。型腔左側(cè)部位充型緩慢，卷氣較為嚴(yán)重，對(duì)壓鑄件的品質(zhì)影響很大。圖4為方案2的充型過程。可以看出，由于金屬液平穩(wěn)交匯，當(dāng)壓射速度從低速轉(zhuǎn)換為高速時(shí)，金屬液能夠平穩(wěn)地充型。與方案1相比，前端的噴流明顯改善，左側(cè)部位的卷氣現(xiàn)象也得到了明顯改善。但是由于左側(cè)為淺腔區(qū)域，所需填充的金屬液較少，金屬液平穩(wěn)交匯后開始高速壓射時(shí)，金屬液率先進(jìn)入左側(cè)淺腔部分，形成少量噴流，少量氣體被包裹在左側(cè)淺腔金屬液中（見圖4b箭頭處）。圖5為方案3的充型過程。從圖5a中可以看出，在高低速切換點(diǎn)進(jìn)行高低速切換時(shí)，金屬液已與右側(cè)分支金屬液平穩(wěn)交匯，當(dāng)壓射速度從低速轉(zhuǎn)換為高速時(shí)，由于右側(cè)分支對(duì)右側(cè)深腔的充填作用，使得金屬液能夠同時(shí)充填左側(cè)淺腔區(qū)域和右側(cè)深腔區(qū)域，金屬液以層流的方式進(jìn)行充型。整個(gè)充型過程中產(chǎn)生的噴流很小，且充型較為均勻，左側(cè)淺腔部位已無氣體包裹現(xiàn)象。充型過程平穩(wěn)，有利于將型腔內(nèi)的氣體排出，從而減少氣孔缺陷產(chǎn)生。

圖6 3種高低速切換點(diǎn)卷氣概率模擬結(jié)果

圖7 變速器主殼體壓鑄毛坯件

圖8 變速器主殼體微觀組織

表2 變速器主殼體的力學(xué)性能

結(jié)論

（1）充型過程模擬發(fā)現(xiàn)，高低速切換點(diǎn)為560mm時(shí)，整個(gè)充型過程平穩(wěn)均勻，相較于高低速切換點(diǎn)為480和520mm時(shí)產(chǎn)生卷氣概率最小。
（2）選取壓射低速值為0.2m/s，高速值為3.5m/s，高低速切換點(diǎn)為560mm進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試制，試制的變速器主殼體外觀無明顯缺陷，內(nèi)部組織晶粒細(xì)小、分布均勻、組織致密。近澆口處的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為272.0MPa、3.4%，末端的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率為230.6MPa、2.7%，均滿足變速器主殼體的力學(xué)性能要求。

本文作者：
范寅生 李亨 吳玉程
合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
魯超
合肥亞明汽車部件有限公司
李明 趙永征
合肥江淮鑄造有限責(zé)任公司

本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志