原標(biāo)題：大型復(fù)雜離合器殼體高致密化壓鑄

摘  要：為了生產(chǎn)大型復(fù)雜高致密離合器殼體零件，研究開發(fā)了用于高真空壓鑄的多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)。同時(shí)，采用數(shù)值模擬軟件分析壓鑄過程中的卷氣、縮孔縮松、澆不足等缺陷，并進(jìn)行壓鑄工藝優(yōu)化。真空壓鑄鋁合金鑄件內(nèi)部孔洞缺陷的改善狀況表明，多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)用于壓鑄機(jī)輔助抽真空，幾乎完全消除了鑄件的氣孔、縮松缺陷，產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量良好，合格率明顯提高。

近年來，隨著輕量化及節(jié)能減排的需要，鋁合金在航空航天、汽車及船舶等交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。汽車上許多零部件已采用以鋁代鋼，能實(shí)現(xiàn)40%～50%的減重。離合器殼體是一種大型的復(fù)雜薄壁壓鑄件，兩端分別連接發(fā)動(dòng)機(jī)體和變速箱體，非承載結(jié)構(gòu)件，因而適宜采用鋁合金制造。離合器殼體壓鑄件除了要求具有良好的強(qiáng)度和耐磨性，對(duì)氣密性要求也較高，通常需在0.15～0.2MPa 氣壓下，泄漏量小于5cm3/min。但普通壓鑄生產(chǎn)往往在充型過程中會(huì)產(chǎn)生卷氣，形成氣孔、縮孔或縮松等缺陷，以致零件在使用中會(huì)產(chǎn)生泄露，直至失效報(bào)廢。因此，為了消除氣孔缺陷、提高產(chǎn)品質(zhì)量，需采用先進(jìn)的高真空壓鑄工藝，并采取一些工藝措施，以實(shí)現(xiàn)高致密化壓鑄，從而防止泄露。

由于離合器殼體形狀復(fù)雜、壁厚不均勻，常采用數(shù)值模擬軟件模擬分析金屬液在壓鑄模具中復(fù)雜的充型、凝固過程。然而，很少針對(duì)多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)的工作性能及使用效果進(jìn)行模擬分析。通常，除了為零件確定好最優(yōu)的澆注系統(tǒng)及模具冷卻系統(tǒng)，對(duì)于氣密性要求較高的離合器殼體零件，真空系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)最優(yōu)化也非常重要，高真空壓鑄工藝能顯著減少壓鑄模具型腔內(nèi)的氣體，以提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面品質(zhì)。所謂多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)，主要是指在鋁液充型過程中從模具型腔、壓射室、模架等同時(shí)進(jìn)行抽真空，以便快速實(shí)現(xiàn)高真空度壓鑄。也需要根據(jù)零件的具體情況模擬預(yù)測(cè)壓鑄件內(nèi)部氣孔缺陷的改善狀況， 來評(píng)價(jià)真空系統(tǒng)的使用效果，從而確定合理的真空系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。

本研究針對(duì)大型復(fù)雜離合器殼體零件，通過分析離合器殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)用于壓鑄機(jī)輔助抽真空，并利用FLOW-3D軟件對(duì)離合器殼體高真空壓鑄過程進(jìn)行模擬及工藝優(yōu)化，從而消除氣孔缺陷，最終獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。

1、離合器殼體結(jié)構(gòu)分析

圖1為離合器殼體零件的三維圖。零件質(zhì)量為11.4kg，材料為ADC12鋁合金。鑄件投影面積為178200mm2，平均壁厚為3.7mm，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型薄壁壓鑄件。生產(chǎn)試驗(yàn)所用的壓鑄機(jī)為力勁1600t臥式冷室壓鑄機(jī)。離合器殼體是耐壓密封件，它對(duì)強(qiáng)度、耐磨性和氣密性等的要求很高，通常要求在0.2MPa的壓力下，泄漏量小于5cm3/min。

圖1：離合器殼體三維圖

2、離合器殼體高真空壓鑄工藝

圖2a為非真空普通壓鑄生產(chǎn)離合器殼體的局部區(qū)域。圖2b為零件局部的X射線檢測(cè)結(jié)果。在軸承孔周邊多股金屬液交匯處會(huì)產(chǎn)生大量氣孔，如圖2a橢圓區(qū)域，內(nèi)部質(zhì)量達(dá)不到X光檢測(cè)質(zhì)量要求而報(bào)廢。從離合器殼體內(nèi)部氣孔的X射線（圖2b）可以更清楚地看出，鑄件內(nèi)部氣孔較多，產(chǎn)品品質(zhì)較差。因此，為了消除氣孔缺陷、提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用新型的多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)用于高真空壓鑄，實(shí)現(xiàn)高致密化壓鑄。

（a）零件局部               （b）X射線照片

圖2：普通壓鑄生產(chǎn)的離合器殼體壓鑄件

圖3為帶抽氣通道、澆注系統(tǒng)和溢流槽等的離合器殼體壓鑄工藝。離合器殼體的高真空壓鑄模具通過壓射位置控制高真空系統(tǒng)的開關(guān)。抽真空工作過程：壓鑄時(shí)，當(dāng)壓射沖頭到達(dá)真空啟動(dòng)的位置時(shí)，真空泵啟動(dòng)，壓射沖頭繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)沖頭到達(dá)關(guān)閉真空泵的位置后，真空泵抽氣結(jié)束。因此，對(duì)于多向抽真空壓鑄系統(tǒng)，需要確定泵啟動(dòng)真空極限值、泵停止真空極限值以及抽真空行程（沖頭位置）設(shè)置。泵啟動(dòng)真空極限值和泵停止真空極限值設(shè)置得越大，真空泵維持的真空度越高，每當(dāng)多次抽氣后低于泵啟動(dòng)真空極限值時(shí)，泵才重新啟動(dòng)繼續(xù)抽真空。抽真空行程設(shè)置是抽真空系統(tǒng)最為關(guān)鍵的參數(shù)，主要根據(jù)鋁液的澆注量、壓室的尺寸來確定。根據(jù)試生產(chǎn)的情況，確定系統(tǒng)的X1-X4參數(shù)值如圖4所示。

圖3：離合器殼體真空壓鑄工藝

圖4：離合器殼體試生產(chǎn)所用抽真空行程參數(shù)

3、離合器殼體高真空壓鑄過程模擬及工藝優(yōu)化

為了縮短開發(fā)周期，得出高真空工藝使用的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的澆注系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)，借助FLOW-3D模擬分析軟件對(duì)鑄件的充型及凝固過程進(jìn)行分析，以了解鑄件卷氣情況及在冷卻凝固過程氣孔缺陷產(chǎn)生的位置及大小。FLOW-3D特有的FAVOR（部分面積/體積表示法）方法可以定義光滑的曲面，精確表示復(fù)雜的幾何形狀，避免出現(xiàn)臺(tái)階狀的表面，以改善流動(dòng)和熱傳導(dǎo)分析精度。此外，該軟件使用TruVOF方法， 精確模擬自由表面的位置、運(yùn)動(dòng)及對(duì)流體的影響，適合計(jì)算高速流動(dòng)狀態(tài)。在鑄件充型過程的模擬中，將液態(tài)金屬看作不可壓縮流體，液態(tài)金屬充型的模擬， 實(shí)際就是求解一組非穩(wěn)態(tài)的流體流動(dòng)控制方程組。求解后就可獲得壓鑄過程的流動(dòng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)。可以分析壓鑄過程中的卷氣、縮孔縮松、澆不足等缺陷。

根據(jù)實(shí)際的壓鑄工藝參數(shù)設(shè)定模擬參數(shù)，模擬過程中型腔的真空度設(shè)定為90kPa，材料為ADC12壓鑄鋁合金。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，所設(shè)計(jì)的壓射工藝參數(shù)為：慢速壓射速度0.2m/s，快速壓射速度4.5m/s，高速切換點(diǎn)0.51s。

圖5為離合器殼體充型過程模擬中金屬液的溫度變化和卷氣情況。由圖5a-d可知，金屬液通過設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)能平穩(wěn)地充填型腔，零件自下而上依次充型。同時(shí)，根據(jù)模擬結(jié)果還可以看出，經(jīng)多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)輔助壓鑄機(jī)抽真空后，在充型過程中卷氣含量明顯降低，最大值僅有0.635%，如圖5e-h所示。此外，在最后充型階段，存在一些溫度較低、卷氣量較大的金屬液，但均進(jìn)入設(shè)計(jì)好的溢流槽中，零件脫模后可以去除。

圖6為離合器殼體充型完畢時(shí)的溫度場(chǎng)及卷氣情況。可知，充型結(jié)束時(shí)，零件內(nèi)部溫度較為均勻，且卷入零件內(nèi)部的氣體含量較少。該模擬結(jié)果表明真空壓鑄能完全消除氣孔缺陷，實(shí)現(xiàn)高致密化壓鑄。

（a）溫度場(chǎng)，0.51 s  （b）溫度場(chǎng)，0.53 s

（c）溫度場(chǎng)，0.54 s    （d）溫度場(chǎng)，0.55 s

（e）卷氣，0.51 s   （f）卷氣，0.53 s

（g）卷氣，0.54 s   （h）卷氣，0.55 s

圖5：離合器殼體真空壓鑄充型過程中的溫度場(chǎng)和卷氣情況

（a）溫度場(chǎng)

（b）卷氣

圖6：離合器殼體充型完畢時(shí)（0.56s）的溫度場(chǎng)及卷氣情況

圖7為金屬液凝固模擬結(jié)果，圖示為完全凝固后零件的溫度和縮孔缺陷分布情況。可以看出，所得零件絕大部分區(qū)域溫度差異較小，僅在左側(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)處存在小范圍的過熱區(qū)域，且在此處存在少量縮孔，如圖中圈出區(qū)域。結(jié)合圖6中金屬液的溫度及卷氣特征， 充型結(jié)束時(shí)缺陷處并未有明顯的氣體殘留，因而此處的缺陷主要源于其復(fù)雜結(jié)構(gòu)及厚大尺寸，凝固時(shí)存在一定程度的收縮，導(dǎo)致最終完全凝固時(shí)少量縮孔的形成[12-13]。為了消除該缺陷，通過在此處增設(shè)冷卻水道， 降低該處模具溫度，使此處合金液優(yōu)先冷卻凝固，從而消除收縮缺陷。

（a）溫度場(chǎng) 

（b）縮孔預(yù)測(cè)

圖7：離合器殼體凝固完畢時(shí)（38.31s）的溫度場(chǎng)與縮孔缺陷

綜上模擬結(jié)果，表明采用多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)用于壓鑄機(jī)輔助抽真空，幾乎能完全消除氣孔缺陷，實(shí)現(xiàn)離合器殼體的高致密化壓鑄。通過數(shù)值模擬分析了離合器殼體的卷氣發(fā)生部位，預(yù)測(cè)了壓鑄缺陷的種類及位置，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了抽真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合高真空工藝多次試制的試驗(yàn)結(jié)果，得出了高真空壓鑄工藝使用的最優(yōu)參數(shù)。

圖8為在優(yōu)化的工藝條件下高真空壓鑄試制的離合器殼體零件，外形完整。圖9為該零件的X射線檢驗(yàn)照片。由圖可知，X射線檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)明顯的縮孔，而且零件外部完整，未發(fā)現(xiàn)澆不足等缺陷。相比于普通壓鑄生產(chǎn)的離合器殼體，真空壓鑄幾乎完全消除了零件內(nèi)部的氣孔缺陷，產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量明顯提高。此外，機(jī)加工后產(chǎn)品滲漏等測(cè)試結(jié)果顯示，產(chǎn)品合格率達(dá)到97.5 %，而普通壓鑄的產(chǎn)品合格率僅為91.8%，合格率提高了6.2%。該試驗(yàn)結(jié)果與上述模擬結(jié)果較好地吻合，表明多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)用于壓鑄機(jī)輔助抽真空，幾乎完全消除了氣孔缺陷，實(shí)現(xiàn)離合器殼體的高致密化壓鑄，大大地提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

（a）正面

（b）反面

圖8：高真空壓鑄離合器殼體零件

圖9：高真空壓鑄離合器殼體X射線照片

4、結(jié)束語

設(shè)計(jì)并優(yōu)化出鋁合金離合器殼體的多向高速實(shí)時(shí)控制抽真空系統(tǒng)壓鑄工藝，實(shí)現(xiàn)該零件的高致密化壓鑄。利用數(shù)值模擬分析預(yù)測(cè)了離合器殼體在壓鑄過程中的卷氣、縮孔縮松、澆不足等缺陷分布情況，從而進(jìn)一步優(yōu)化工藝， 最終獲得高質(zhì)量壓鑄件。

作者：
李建宇 吳樹森 呂書林   
華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

管勝敏 安肇勇
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本文發(fā)表于《鑄造》雜志2020年第11期