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。

关键词：变速器壳体;压铸工艺;数值模拟;工艺优化

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[1]。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[2]。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[3]。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

变速器壳体及注系统模型如图1所示。壳体尺寸为mmxmmxmm,质量为2.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DM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26mm,位于图中4处，最小壁厚为7mm,位于图中B处，平均壁厚10mm。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。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[4]。内浇口面积由公式(1)计算得到[5],为4.16cm:;直浇道的直径由压铸机类型决定，为mm。

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,其中流体网格数量为。铸件材料选择AlSi9Cu3,浇注温度模具材料选择H13,预热温度铸件和模具材料的热物性参数如表1所示[6]。压射比压为60MPa,充型速度0.5-2m/s,保压时间50s，进行模拟。

2.1充型过程分析

整个铸件充型时间为0.06s,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=0.02s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。当户0.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。

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.s时，变速器壳体上一些比较薄的肋板开始凝固;当t=5.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.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。

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。

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。改进后的模型如图5所示，其他冷却工艺参数见表2。

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.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.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。

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。

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。

参考文献：

[1]胡溧，唐森泉.杨啟梁，等.某重型商用车变速箱売体轻量化研究[J].机械传动，,44(4):26-31.

[2]高东强.翟彦青，朱小倩，等.汽车减速器箱盖砂型铸造工艺模拟分析[J].铸造，,69(5):-.

[3]周海军，陆建成，伍世添.等.变速箱壳体压铸工艺分析及缺陷改善[J].特种铸造及有色合金，9.39(11):-.

[4]张国强，赵占西，勾健，等.壳体压铸工艺设计及优化[J].铸造，,69(5):-.

[5]胡恰，汪东红，吴文云，等.复杂混流泵外壳铸造工艺设计与数值模拟[J].铸造，9,68(9):-.

[6]李燕霞.U型支架铸造工艺设计[J].铸造，,69(1):89-92.

原标题：铝合金变速器壳体压铸工艺设计及优化

来源：南京工业大学机械与动力工程学院作者：吴跃翔，苏小平

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