基于ProCAST的减速器壳体消失模铸造工艺分析

2015-06-06蔡坤山王修强范晓明

铸造设备与工艺 2015年4期

蔡坤山，王修强，范晓明

（1.湖北三环铸造股份有限公司，湖北随州 441300；2.武汉理工大学，湖北武汉 430070）

消失模铸造被称为是“代表21世纪的铸造新技术”[1，2]。采用传统的试错法不断改进工艺进行铸造生产，不仅生产周期长，而且耗费大量的人力、物力，不能保证铸件的最终质量。利用计算机模拟消失模工艺铸造过程，可以揭示充型过程的流动规律，为铸造工艺改进设计，提高铸件质量提供一种可靠、快捷的分析手段[3-5]。

减速器壳体铸件为汽车减速器的基础组成部分，也是汽车底盘的重要保安零件。它属于复杂箱体类零件，多面多孔、高精度、性能要求高，空间尺寸多，且机械加工难度较高[6]。在采用传统砂型铸造生产时所需砂芯较多，工序复杂，且所生产出的产品飞边毛刺难清理，进行机械加工时还经常发现质量问题，而采用消失模铸造工艺则可以简化生产步骤，得到表面光洁，尺寸精度高，组织致密的铸件。采用ProCAST对消失模工艺制备减速器壳体铸件的两种不同工艺方案进行了充型凝固过程的模拟，分析对比了两种方案中充型过程金属液的流场和凝固阶段的固相率分布，并结合缩松缩孔的产生机理及预测判据，确定铸件缺陷部位，优化工艺，为生产实际提供重要的参考依据。

1 减速器壳体铸件的技术要求及结构特点

技术要求：材质为QT450-10球墨铸铁；机械性能要求为拉伸试棒的抗拉强度R m≥450 MPa，延伸率A≥10%，布氏硬度为160 HBW～210 HBW；机加工后铸件表面不允许有缩松、缩孔、气孔、夹渣和冷隔等缺陷，铸件尺寸合格，各部位不得有开裂或裂纹缺陷，不得有任何补焊或填补。

结构特点：如图1所示，该汽车减速器壳大体上可分为两个部分，上部类似于椎台壳体，底部有四个支柱。其中壳体部分内外壁共附有5根加强筋，顶部有一圈环绕的球形凸台；壳体内部有较大的空腔，并且壁厚均匀，最小壁厚为7 mm，属于薄壁类铸件；下部的4个支柱是2个零件之间重要的连接部位，后期需要进行机加工，是铸件质量检测的重要部位。

图1 减速器壳体的实体模型

2 消失模铸造模拟的前处理

由于减速器壳体的特点是质量较小、薄壁、形状复杂，因此，在消失模铸造中采用一箱两件的生产方式，并确定了顶注式和侧注式两种工艺方案，通过分析比较，选择较优工艺。

2.1.模型的建立及网格划分

首先，使用Pro/E对减速器壳体以及对应的浇注系统进行准确的三维实体建模，将建好的模型直接在Mechanical模块中进行面网格的划分，输出结果直接导入到ProCAST的MeshCAST模块中进行体网格的划分，生成有限元网格。表1为减速器壳体铸件顶注式和侧注式的两种工艺方案的网格工艺参数，网格划分如图2所示。

表1 减速器壳体铸件两种方案的网格工艺参数

图2 网格剖分结果

2.2.材料的热物性参数

减速器壳体材质为QT450-10.通过对该球铁件的消失模铸造过程进行模拟分析，得出其合理的工艺参数为：浇注温度1 480℃，真空度-0.06 MPa，涂料厚度为1.5 mm，透气性为5×10-7cm2/kPa·min.型砂采用的是干石英砂，透气性好，可直接从热力学数据库中提取[7]。

泡沫材料选用EPS（聚苯乙烯），其密度为25 kg/m3，导热系数为0.15 W/（m·K），比热容为3.7 kJ/（kg·K），潜热为100 kJ/kg，溶熔温度为350℃，玻璃化温度为330℃.

边界条件主要设置热交换系数（h），包括泡沫和砂型间的换热系数为100 W/（m2·k）；铸件和砂型的换热系数为500 W/（m2·k）；砂型与外界环境界面的换热系数为500 W/（m2·k）。

3 模拟结果及工艺改进

3.1 模拟结果分析

图3和图4分别为顶注式和侧注式的充型过程模拟图。从图3a）、图4a）中可以看出：由于直浇道选用的空心陶瓷管，并没有填充泡沫模样，所以充型开始阶段的充型速度较快，同时可以有效防止反喷现象。当金属液与泡沫模样接触后，前沿的金属液温度会降低，充型速度逐渐放缓至平稳状态。由图 3b）～c）和图 4b）～c）可以看出：顶注式充型完成所需时间为5.8 s，而侧注式充型完成所需时间为6.2 s.相对于侧注式浇注，顶注式的充型更快，但侧注式充型过程更加平稳。

图3 顶注式充型过程

图4 侧注式充型过程

图5和图6分别为顶注式和侧注式的临界固相率变化图。图中的颜色条0表示全液相，1表示全固相。由图5a）和图6a）可以发现：铸件最开始的凝固部位是凸起的壳体部分，因为壳体是整个铸件的最薄壁处。随着时间的推移，凝固部位从壳体向四周扩散。图5b）、图6b）显示了顶注式和侧注式浇注的铸件，在壳体与下端支柱的连接处存在部分孤立的高温液相区域，该孤立液相区可能会出现缩松缩孔缺陷。

图5 顶注式凝固过程

图7a）、b）分别为顶注式和侧注式的减速器壳体缩松缩孔分布图。它们产生的区域范围包括，冒口中心、铸件上部的6个球形凸台以及4个支柱与壳体的连接部位。球形凸台处属于热节部位，所以容易产生缺陷；而后者是由于形成孤立液相区，冒口无法通过内浇道进行补缩，从而可能导致缺陷的产生。

图7中的缩松缩孔分布图显示了两种工艺方案都有可能产生一些铸造缺陷，且缺陷的分布区域大致相同。比较图7a）、b）中缩松缩孔缺陷，可以发现在图7b）中出现的缩松缩孔明显要比图7a）中相同位置的缺陷尺寸要小。并且图7a）中的壳体与支柱连接位置有可能会出现较大的缩孔，同时在壳体外部的加强筋底部也会出现严重的缺陷。而在图7b）中，加强筋的底部并无任何缺陷，说明图7b）中缺陷倾向要比图7a）中小。因此，采用侧注式浇注进行消失模工艺减速器壳体的试生产。

图6 侧注式凝固过程

图7 缩松缩孔分布图

3.2 工艺改进及生产验证

根据模拟结果，对试生产工艺进行了适当改进。主要措施为在减速器壳体的4个支柱内侧增设冷铁，其尺寸要比凹槽小，利用冷铁的激冷作用消除支柱与壳体连接处的潜在缩松缩孔缺陷。

采用侧注式浇注方案，按照浇注温度1 400℃、真空度-0.06 MPa、涂料厚度1.5 mm和涂料透气性5×10-7cm2/kPa·min的工艺参数进行实际试生产，并对产品的外观进行质量检测，实际生产铸件见图8。铸件无明显的表面粘砂、皱皮等表面缺陷；将铸件剖分，模拟结果中可能出现缩松缩孔的区域也并未产生任何缺陷，采用该工艺生产的减速器壳体质量合格。

另外，从Y形单铸试块中取样，按照GB/T 1348-2009标准加工成标准拉伸试棒，进行力学拉伸试验。所得结果如下：抗拉强度R m≥450MPa，伸长率A≥10%。硬度平均值为188.3 HBW.测试结果表明QT450-10减速器壳体在材质方面也满足技术要求。