新能源汽车铝合金变速器操纵壳低压铸造工艺优化

大量新能源汽车的投入使用，在一定程度上可以缓解能源消耗和环境污染等问题，但是不同于传统燃油汽车，新能源汽车主要是靠电力驱动，远程续航能力成为一个焦点问题。据有关数据表明，汽车质量每减少100kg，对于传统燃油汽车油耗和CO2排放可分别减少6mL/km和8.4g/km，新能源汽车续航里程可提升9%~12%，因此汽车轻量化十分重要。变速器操纵壳控制汽车变速器中连杆的自由度，汽车行驶过程中连续换挡会使变速器操纵壳产生磨损，严重时会影响到汽车的行驶，所以对变速器操纵壳零件品质要求较高。因变速器操纵壳壁厚不均匀易在生产过程中产生缩松缩孔，需对其生产工艺进行优化，以提高产品品质。

本研究以某铝合金变速器操纵壳为对象，利用数值模拟软件对其低压铸造进行数值模拟。采用田口法优化铸造工艺，以最小二次枝晶臂间距数值（SDAS）与缩松缩孔体积值作为优化目标，对模具预热温度、浇注温度及冷却温度实施理论匹配及优化，最终达到提高产品成形质量及生产效率的目的。

图文结果

图1为铝合金变速器操纵壳三维模型，该产品轮廓尺寸为196mm×108mm×90mm，质量为0.664kg，其结构较为复杂且壁厚较为不均匀，最大壁厚为31.5mm，最小壁厚小于9mm。根据变速器操纵壳铸件的结构及低压铸造工艺特点，使用Catia软件建立了底注式封闭浇注系统，这样不仅可以保证金属液上升时充型平稳，而且减少因气体及紊流产生的氧化夹渣。导入到ProCAST软件中进行模型的前处理及网格的划分。变速器操纵壳的材质为A356铝合金，其主要化学成分见表1。通过ProCAST软件材料数据库查询A356基本信息，其热物理参数见表2，模具材料为H13钢。根据帕斯卡原理及经验公式，计算得到低压铸造的工艺参数见表3。选择初始浇注温度为700℃，模具预热温度为300℃。设定金属液与铸型之间的传热系数为1000W/（㎡·K），铸型间的传热系数为3500W/（㎡·K），铸型与大气的传热系数为20W/（㎡·K）。初始冷却方式为空冷。

图1 铸件和浇注系统的三维模型

表1 A356铝合金的化学成分(%)

表2 A356铝合金的热物理参数

表3 变速器操纵壳低压铸造浇注工艺参数

铸件在凝固过程中，由于铸件本身的厚薄程度及传热面积，过于厚大的部分会截断顺序凝固的传递路径，从而使金属液无法及时有效地补缩，将会形成缩松、缩孔缺陷。图2为初始工艺方案的缩松缩孔位置。原始工艺结果表明，铸件不能在室温20℃下实现自上而下的凝固顺序，因此需对铸件周围添加冷却系统，以改善铸件的凝固温度梯度，使其能够顺序凝固。

图2 缩松缩孔分布图

图3 冷却系统管路布置方案

表4 变速器操纵壳低压铸造冷却工艺参数

在铝合金低压铸造成形工艺中，浇注温度、模具预热温度对铸件成形有直接影响，同时冷却水的温度会影响铸件凝固时的温度从而关系到缺陷体积的大小，这3个因素在低压铸造过程中是可控的。根据冷却后的模型，选用以上3个因素为研究对象，采用Taguchi正交试验进行工艺参数多目标优化，研究其对铸件品质的影响。本试验每个因素在合适范围内选择4个水平，因素水平见表5，采用标准正交表L16（43）安排试验方案。根据金属结晶的过程和机理，金属性能与二次枝晶臂间距（SDAS）有关。二次枝晶臂间距作为铸造铝合金一个重要的结构参数，很大程度上影响着铸件力学性能，二次枝晶臂间距值越小，则铸件的强度越高。二次枝晶臂间距的大小受合金成分和局部凝固时间的直接影响。此外，缩松、缩孔缺陷也是影响铸件品质和疲劳寿命的一个重要因素。因此，以二次枝晶臂间距和缩松缩孔体积值作为评价铸件品质的指标。

表5 正交试验因素水平表

表6 数值模拟结果及信噪比

表7 方差分析表

为了得到各个因素对评价指标的影响权重及针对每个评价指标的最优水平，对4个指标的信噪比进行均值和极差分析，结果见表8。分析可知，二次枝晶臂间距（SDAS）的信噪比值随着浇注温度和模具预热温度的升高而降低，说明浇注温度和模具温度越低，信噪比值越高，意味着二次枝晶臂间距值越小，铸件的质量越高。综合来看，各因素对于SDAS的影响大小为模具预热温度>浇注温度>冷却水温度；对于缩松缩孔体积的影响大小为冷却水温度>浇注温度>模具预热温度。

表8 均值与极差分析表

图4 不同工艺参数对SDAS和缩松、缩孔体积信噪比的影响

表9 工艺方案结果对比

图5 变速器操纵壳试制产品

结论

（1）通过方差分析，得到变速器操纵壳压铸模具预热温度对二次枝晶臂间距（SDAS）的影响最显著；冷却水温度对缩松缩孔体积值的影响最为显著。

（2）通过均值与极差分析，变速器操纵壳压铸工艺的最优组合方案，浇注温度为690℃，模具预热温度为310℃，冷却水温度为40℃，并通过试制验证了工艺方案的可行性。

本文作者

毛旭海 苏小平 李新宇南京工业大学机械与动力工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴