新能源汽車鋁合金變速器操縱殼低壓鑄造工藝優化

大量新能源汽車的投入使用，在一定程度上可以緩解能源消耗和環境污染等問題，但是不同於傳統燃油汽車，新能源汽車主要是靠電力驅動，遠程續航能力成爲一個焦點問題。據有關數據表明，汽車質量每減少100kg，對於傳統燃油汽車油耗和CO2排放可分別減少6mL/km和8.4g/km，新能源汽車續航裏程可提升9%~12%，因此汽車輕量化十分重要。變速器操縱殼控制汽車變速器中連杆的自由度，汽車行駛過程中連續換擋會使變速器操縱殼產生磨損，嚴重時會影響到汽車的行駛，所以對變速器操縱殼零件品質要求較高。因變速器操縱殼壁厚不均勻易在生產過程中產生縮鬆縮孔，需對其生產工藝進行優化，以提高產品品質。

本研究以某鋁合金變速器操縱殼爲對象，利用數值模擬軟件對其低壓鑄造進行數值模擬。採用田口法優化鑄造工藝，以最小二次枝晶臂間距數值（SDAS）與縮鬆縮孔體積值作爲優化目標，對模具預熱溫度、澆注溫度及冷卻溫度實施理論匹配及優化，最終達到提高產品成形質量及生產效率的目的。

圖文結果

圖1爲鋁合金變速器操縱殼三維模型，該產品輪廓尺寸爲196mm×108mm×90mm，質量爲0.664kg，其結構較爲復雜且壁厚較爲不均勻，最大壁厚爲31.5mm，最小壁厚小於9mm。根據變速器操縱殼鑄件的結構及低壓鑄造工藝特點，使用Catia軟件建立了底注式封閉澆注系統，這樣不僅可以保證金屬液上升時充型平穩，而且減少因氣體及紊流產生的氧化夾渣。導入到ProCAST軟件中進行模型的前處理及網格的劃分。變速器操縱殼的材質爲A356鋁合金，其主要化學成分見表1。通過ProCAST軟件材料數據庫查詢A356基本信息，其熱物理參數見表2，模具材料爲H13鋼。根據帕斯卡原理及經驗公式，計算得到低壓鑄造的工藝參數見表3。選擇初始澆注溫度爲700℃，模具預熱溫度爲300℃。設定金屬液與鑄型之間的傳熱系數爲1000W/（㎡·K），鑄型間的傳熱系數爲3500W/（㎡·K），鑄型與大氣的傳熱系數爲20W/（㎡·K）。初始冷卻方式爲空冷。

圖1 鑄件和澆注系統的三維模型

表1 A356鋁合金的化學成分(%)

表2 A356鋁合金的熱物理參數

表3 變速器操縱殼低壓鑄造澆注工藝參數

鑄件在凝固過程中，由於鑄件本身的厚薄程度及傳熱面積，過於厚大的部分會截斷順序凝固的傳遞路徑，從而使金屬液無法及時有效地補縮，將會形成縮鬆、縮孔缺陷。圖2爲初始工藝方案的縮鬆縮孔位置。原始工藝結果表明，鑄件不能在室溫20℃下實現自上而下的凝固順序，因此需對鑄件周圍添加冷卻系統，以改善鑄件的凝固溫度梯度，使其能夠順序凝固。

圖2 縮鬆縮孔分布圖

圖3 冷卻系統管路布置方案

表4 變速器操縱殼低壓鑄造冷卻工藝參數

在鋁合金低壓鑄造成形工藝中，澆注溫度、模具預熱溫度對鑄件成形有直接影響，同時冷卻水的溫度會影響鑄件凝固時的溫度從而關系到缺陷體積的大小，這3個因素在低壓鑄造過程中是可控的。根據冷卻後的模型，選用以上3個因素爲研究對象，採用Taguchi正交試驗進行工藝參數多目標優化，研究其對鑄件品質的影響。本試驗每個因素在合適範圍內選擇4個水平，因素水平見表5，採用標準正交表L16（43）安排試驗方案。根據金屬結晶的過程和機理，金屬性能與二次枝晶臂間距（SDAS）有關。二次枝晶臂間距作爲鑄造鋁合金一個重要的結構參數，很大程度上影響着鑄件力學性能，二次枝晶臂間距值越小，則鑄件的強度越高。二次枝晶臂間距的大小受合金成分和局部凝固時間的直接影響。此外，縮鬆、縮孔缺陷也是影響鑄件品質和疲勞壽命的一個重要因素。因此，以二次枝晶臂間距和縮鬆縮孔體積值作爲評價鑄件品質的指標。

表5 正交試驗因素水平表

表6 數值模擬結果及信噪比

表7 方差分析表

爲了得到各個因素對評價指標的影響權重及針對每個評價指標的最優水平，對4個指標的信噪比進行均值和極差分析，結果見表8。分析可知，二次枝晶臂間距（SDAS）的信噪比值隨着澆注溫度和模具預熱溫度的升高而降低，說明澆注溫度和模具溫度越低，信噪比值越高，意味着二次枝晶臂間距值越小，鑄件的質量越高。綜合來看，各因素對於SDAS的影響大小爲模具預熱溫度>澆注溫度>冷卻水溫度；對於縮鬆縮孔體積的影響大小爲冷卻水溫度>澆注溫度>模具預熱溫度。

表8 均值與極差分析表

圖4 不同工藝參數對SDAS和縮鬆、縮孔體積信噪比的影響

表9 工藝方案結果對比

圖5 變速器操縱殼試制產品

結論

（1）通過方差分析，得到變速器操縱殼壓鑄模具預熱溫度對二次枝晶臂間距（SDAS）的影響最顯著；冷卻水溫度對縮鬆縮孔體積值的影響最爲顯著。

（2）通過均值與極差分析，變速器操縱殼壓鑄工藝的最優組合方案，澆注溫度爲690℃，模具預熱溫度爲310℃，冷卻水溫度爲40℃，並通過試制驗證了工藝方案的可行性。

本文作者

毛旭海 蘇小平 李新宇南京工業大學機械與動力工程學院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴