大型離合器殼體高致密性壓鑄

李建宇等發表于2021/5/20 15:46:31 真空壓鑄鋁合金離合器殼體數值模擬

原標題：大型復雜離合器殼體高致密化壓鑄

摘要：為了生產大型復雜高致密離合器殼體零件，研究開發了用于高真空壓鑄的多向高速實時控制抽真空系統。同時，采用數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，并進行壓鑄工藝優化。真空壓鑄鋁合金鑄件內部孔洞缺陷的改善狀況表明，多向高速實時控制抽真空系統用于壓鑄機輔助抽真空，幾乎完全消除了鑄件的氣孔、縮松缺陷，產品的內部質量良好，合格率明顯提高。

近年來，隨著輕量化及節能減排的需要，鋁合金在航空航天、汽車及船舶等交通運輸領域的應用越來越多。汽車上許多零部件已采用以鋁代鋼，能實現40%～50%的減重。離合器殼體是一種大型的復雜薄壁壓鑄件，兩端分別連接發動機體和變速箱體，非承載結構件，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度和耐磨性，對氣密性要求也較高，通常需在0.15～0.2MPa 氣壓下，泄漏量小于5cm3/min。但普通壓鑄生產往往在充型過程中會產生卷氣，形成氣孔、縮孔或縮松等缺陷，以致零件在使用中會產生泄露，直至失效報廢。因此，為了消除氣孔缺陷、提高產品質量，需采用先進的高真空壓鑄工藝，并采取一些工藝措施，以實現高致密化壓鑄，從而防止泄露。

由于離合器殼體形狀復雜、壁厚不均勻，常采用數值模擬軟件模擬分析金屬液在壓鑄模具中復雜的充型、凝固過程。然而，很少針對多向高速實時控制抽真空系統的工作性能及使用效果進行模擬分析。通常，除了為零件確定好最優的澆注系統及模具冷卻系統，對于氣密性要求較高的離合器殼體零件，真空系統的技術參數最優化也非常重要，高真空壓鑄工藝能顯著減少壓鑄模具型腔內的氣體，以提高壓鑄件的力學性能和表面品質。所謂多向高速實時控制抽真空系統，主要是指在鋁液充型過程中從模具型腔、壓射室、模架等同時進行抽真空，以便快速實現高真空度壓鑄。也需要根據零件的具體情況模擬預測壓鑄件內部氣孔缺陷的改善狀況，來評價真空系統的使用效果，從而確定合理的真空系統技術參數。

本研究針對大型復雜離合器殼體零件，通過分析離合器殼體的結構特點，利用多向高速實時控制抽真空系統用于壓鑄機輔助抽真空，并利用FLOW-3D軟件對離合器殼體高真空壓鑄過程進行模擬及工藝優化，從而消除氣孔缺陷，最終獲得高質量產品。

1、離合器殼體結構分析

圖1為離合器殼體零件的三維圖。零件質量為11.4kg，材料為ADC12鋁合金。鑄件投影面積為178200mm2，平均壁厚為3.7mm，屬于結構復雜的大型薄壁壓鑄件。生產試驗所用的壓鑄機為力勁1600t臥式冷室壓鑄機。離合器殼體是耐壓密封件，它對強度、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離合器殼體的局部區域。圖2b為零件局部的X射線檢測結果。在軸承孔周邊多股金屬液交匯處會產生大量氣孔，如圖2a橢圓區域，內部質量達不到X光檢測質量要求而報廢。從離合器殼體內部氣孔的X射線（圖2b）可以更清楚地看出，鑄件內部氣孔較多，產品品質較差。因此，為了消除氣孔缺陷、提高產品質量，采用新型的多向高速實時控制抽真空系統用于高真空壓鑄，實現高致密化壓鑄。

（a）零件局部（b）X射線照片

圖2：普通壓鑄生產的離合器殼體壓鑄件

圖3為帶抽氣通道、澆注系統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的開關。抽真空工作過程：壓鑄時，當壓射沖頭到達真空啟動的位置時，真空泵啟動，壓射沖頭繼續前進；當沖頭到達關閉真空泵的位置后，真空泵抽氣結束。因此，對于多向抽真空壓鑄系統，需要確定泵啟動真空極限值、泵停止真空極限值以及抽真空行程（沖頭位置）設置。泵啟動真空極限值和泵停止真空極限值設置得越大，真空泵維持的真空度越高，每當多次抽氣后低于泵啟動真空極限值時，泵才重新啟動繼續抽真空。抽真空行程設置是抽真空系統最為關鍵的參數，主要根據鋁液的澆注量、壓室的尺寸來確定。根據試生產的情況，確定系統的X1-X4參數值如圖4所示。

圖3：離合器殼體真空壓鑄工藝

圖4：離合器殼體試生產所用抽真空行程參數

3、離合器殼體高真空壓鑄過程模擬及工藝優化

為了縮短開發周期，得出高真空工藝使用的最優技術參數，根據現有的澆注系統和抽真空系統，借助FLOW-3D模擬分析軟件對鑄件的充型及凝固過程進行分析，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，精確表示復雜的幾何形狀，避免出現臺階狀的表面，以改善流動和熱傳導分析精度。此外，該軟件使用TruVOF方法，精確模擬自由表面的位置、運動及對流體的影響，適合計算高速流動狀態。在鑄件充型過程的模擬中，將液態金屬看作不可壓縮流體，液態金屬充型的模擬，實際就是求解一組非穩態的流體流動控制方程組。求解后就可獲得壓鑄過程的流動場及溫度場。可以分析壓鑄過程中的卷氣、縮孔縮松、澆不足等缺陷。

根據實際的壓鑄工藝參數設定模擬參數，模擬過程中型腔的真空度設定為90kPa，材料為ADC12壓鑄鋁合金。根據零件的結構特征，所設計的壓射工藝參數為：慢速壓射速度0.2m/s，快速壓射速度4.5m/s，高速切換點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，金屬液通過設計好的澆注系統能平穩地充填型腔，零件自下而上依次充型。同時，根據模擬結果還可以看出，經多向高速實時控制抽真空系統輔助壓鑄機抽真空后，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，但均進入設計好的溢流槽中，零件脫模后可以去除。

圖6為離合器殼體充型完畢時的溫度場及卷氣情況。可知，充型結束時，零件內部溫度較為均勻，且卷入零件內部的氣體含量較少。該模擬結果表明真空壓鑄能完全消除氣孔缺陷，實現高致密化壓鑄。

（a）溫度場，0.51 s （b）溫度場，0.53 s

（c）溫度場，0.54 s （d）溫度場，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和卷氣情況

（a）溫度場

（b）卷氣

圖6：離合器殼體充型完畢時（0.56s）的溫度場及卷氣情況

圖7為金屬液凝固模擬結果，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域溫度差異較小，僅在左側復雜結構處存在小范圍的過熱區域，且在此處存在少量縮孔，如圖中圈出區域。結合圖6中金屬液的溫度及卷氣特征，充型結束時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雜結構及厚大尺寸，凝固時存在一定程度的收縮，導致最終完全凝固時少量縮孔的形成[12-13]。為了消除該缺陷，通過在此處增設冷卻水道，降低該處模具溫度，使此處合金液優先冷卻凝固，從而消除收縮缺陷。

（a）溫度場

（b）縮孔預測

圖7：離合器殼體凝固完畢時（38.31s）的溫度場與縮孔缺陷

綜上模擬結果，表明采用多向高速實時控制抽真空系統用于壓鑄機輔助抽真空，幾乎能完全消除氣孔缺陷，實現離合器殼體的高致密化壓鑄。通過數值模擬分析了離合器殼體的卷氣發生部位，預測了壓鑄缺陷的種類及位置，在此基礎上優化了抽真空系統的設計，并結合高真空工藝多次試制的試驗結果，得出了高真空壓鑄工藝使用的最優參數。

圖8為在優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射線檢驗照片。由圖可知，X射線檢測并未發現明顯的縮孔，而且零件外部完整，未發現澆不足等缺陷。相比于普通壓鑄生產的離合器殼體，真空壓鑄幾乎完全消除了零件內部的氣孔缺陷，產品的內部質量明顯提高。此外，機加工后產品滲漏等測試結果顯示，產品合格率達到97.5 %，而普通壓鑄的產品合格率僅為91.8%，合格率提高了6.2%。該試驗結果與上述模擬結果較好地吻合，表明多向高速實時控制抽真空系統用于壓鑄機輔助抽真空，幾乎完全消除了氣孔缺陷，實現離合器殼體的高致密化壓鑄，大大地提高產品的質量。