离合器壳体砂型低压铸造工艺的研究

吉 宏，于 涛

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

本次开发的变速箱上的铝合金离合器壳体，在试制阶段要求在45天内交付60件合格毛坯，费用控制在20万以下。为满足高质量、短周期、低成本的试制要求，选择合适的铸造工艺非常关键。

铝合金离合器壳体毛坯在量产阶段通常采用金属型高压铸造工艺，模具成本高、制造周期长，不能满足试制阶段项目开发进度和成本要求。公司在以往的试制阶段一般采用砂型重力铸造工艺，模具成本低、试制周期短，但是对于离合器壳体这种外形尺寸大、壁厚不均匀的薄壁件，其浇注系统设计复杂、造型难度高、工艺出品率较低；另外，由于砂型温度低，在浇注过程中铝液降温幅度大，在薄壁部位容易产生浇注不足或冷隔缺陷，在厚大部位，即使采用冒口补缩，其作用也比较有限，易产生缩松缺陷。而为此提高浇注温度又会带来熔体含气量高，容易产生缩孔等缺陷的问题，其毛坯质量不能满足试制要求。

低压铸造也是汽车零部件生产中常用的铸造工艺，一般采用金属型结合砂芯的方式来实现复杂铸件的生产。低压铸造相对重力铸造而言，金属液在压力下充型和结晶，具有充型平稳、浇注过程及工艺参数可自动控制等特点，用低压铸造工艺生产铸件具有合格率高、质量稳定及出品率高等特点，但是金属型低压铸造的模具费用和制造周期还是不能满足试制要求。

本文提出采用树脂砂型低压铸造工艺的设想，将低成本的树脂砂型和低压铸造工艺有机的结合，达到低成本、高质量、短周期的试制目的，通过对离合器壳体铝合金铸件的结构分析，结合砂型低压铸造工艺原理，设计铸件低压铸造浇注系统和低压铸造工艺方案。利用计算机数值模拟技术对铸件进行充型、凝固、缺陷模拟，根据模拟结果，修正铸件浇注系统和工艺方案。

1 铸件结构分析

离合器壳体结构如图1所示。

1.1 产品技术要求

铸件定义材料：AlSi8Cu3Mg，硬化处理200±10°、保温3小时，铸件的抗拉强度≥200 MPa、延伸率0.5～1.5%、布氏硬度≥80 HB，不得有气孔、夹渣、缩孔、裂纹、缩松等缺陷；1个大气压、20℃情况下，每分钟不超过20 ml泄漏量。

壳体最大外形尺寸 X×Y×Z=410×364×206 mm，基本壁厚4 mm，凸台最厚40 mm，筋条最高54 mm，铸件重量9.2 kg。

1.2 工艺可行性分析

铸件材料AlSi8Cu3Mg中Si含量为7.5%～8.5%、Cu含量为 2.8%～3.5%、Fe含量为≤3.5%，Si的成分含量高，容易形成硬点，切削性变差；Cu的成分含量高，容易发生热裂；Fe的成分含量高降低了合金的流动性。因此材料更改为ZL101A（即AlSi7MgA）［5］， 该合金主要是采用高纯度原材料，降低各种杂质含量，其中Cu≤0.1%，Fe≤0.2%，铸造性能优良。热处理的方式更改为T6热处理，即固溶处理8小时，人工时效5小时，ZL101A经T6热处理后抗拉强度、延伸率、硬度可满足设计需求。

该壳体的铸造难点是外形尺寸大、薄壁且壁厚不均匀。采用金属型压铸工艺完全能够满足生产要求，而对于砂型铸造而言，由于铸型在常温下浇注，铸型温度低，4 mm的壁厚相对过薄，在常规重力浇注下很难保证铸件成型完整。而一些厚大部位，特别是螺栓连接部位，在压铸时可以用型芯保证不至于壁厚过厚，同时压铸工艺上可以采用布置冷却通道的手段进行规避，而砂型铸造时这些孔难以成型，一般采用填平后续加工的方法完成，这就人为加大了铸件壁厚的不均匀性。铝合金属于低密度合金，在重力作用下的补缩作用有限，因此在厚大部位产生缩松缺陷很难避免。而采用低压浇铸工艺，合金液浇注时在可控的压力作用下充型，大大提高了金属液的充型能力和补缩能力，辅之以冒口进行补充，有效地减少或避免缩孔缩松等铸造缺陷，提高铸件质量。

2 低压铸造原理

低压铸造是指液态金属在压力作用下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶、凝固、成形的一种铸造工艺方法。由于所加的压力较低（22～70 kPa），所以称之为低压铸造［2］［3］。 低压铸造属于反重力铸造工艺中的一种，图2是低压铸造的基本原理示意图。

如图2所示，在装有合金液的密封坩埚内，通入干燥的压缩空气，其作用在保持一定温度的合金液面上，使得坩埚和型腔之间产生压力差，合金液沿升液管经浇道自下而上充满型腔，待型腔充满后，增大坩埚内气压，并保压至铸件完全凝固成形，然后卸除坩埚内压力，使升液管和浇道中未凝固的合金液回流到坩埚中，即完成了一个低压铸造工艺过程，冷却后脱模获得所需铸件。

本次试制采用树脂砂型低压铸造工艺，树脂砂固化后强度高，完全能够满足压力下成型的要求［4］。树脂砂经充分混合后在铝质模具中造型固化，脱模后再进行组芯合模，由于铸型内腔要承受一定压力，铝液极易从分型面流出或射出，因此要采用夹具将铸型固定牢固。

3 低压铸造工艺设计

为保证铸件符合质量要求，经过详细技术分析后，采用树脂砂造型和开放式浇注系统，在进行低压铸造工艺设计时，根据低压铸造理论曲线确定工艺参数，利用计算机模拟结果修正工艺参数，确定浇注工艺。

3.1 浇注系统

浇注系统是金属液流入铸型型腔的通道，是控制铸件质量关键因素之一，冒口的主要作用是补缩铸件，通过对铸件结构、使用要求分析，设计铸件浇注系统及冒口见图3所示。

由于离合器壳体基本壁薄只有4 mm，为防止飞溅，要在保证速度不高的情况下（防止喷溅）在短时间内完整充型，就要布设更多的内浇口，浇口的位置在铸件整体的最大壁厚部位，即在壳体大端面，如图3（左）。

按低压铸造特点铸件总体保持自上而下的顺序凝固，具体凝固顺序为：铸件—内浇道—横浇道—直浇道—升液管，由于该铸件中间部分壁厚薄而上下法兰面的厚度厚，很难做到在压力下顺序凝固。为此在铸件的小端面（即上表面）设置若干冒口，如图3（右）。

3.2 砂芯造型

根据铸件形状和浇冒口系统设计，按造型合格率高、组芯精度高的原则，将铸型设计为下型、上型、顶芯和五个侧芯。砂型（芯）采用树脂砂造型，成型模具采用铝合金模具。铝合金模具的优点是：尺寸精度高、容易起模、表面光洁、耐腐蚀，模具寿命满足试制以及小批量要求而成本低廉。树脂砂浇注时发气量小，可减少铸件中的气孔和氧化夹渣等缺陷，提高铸件合格率，图4给出了部分砂型、砂芯、侧芯及合箱后状态。

3.3 确定低压浇注工艺参数

3.3.1 浇注温度

由于合金液在压力作用下充型，其充型能力高于重力浇注，合金液在密封状态下浇注，散热慢，其浇注温度可比一般铸造方法低 10℃～20℃［6］。浇注温度根据铸型条件、铸件壁厚、铸件结构及合金种类等条件确定，在保证铸件成形的条件下，温度较低为宜，因为浇注温度低可以减少合金液的吸气和收缩，使铸件产生气孔、缩孔、缩松、内应力、裂纹等缺陷的概率减少，本铸件的浇注温度取730℃左右。

3.3.2 充型、凝固压力与时间

砂型低压浇注理论曲线见图5，整个低压浇注过程包括四个阶段［1-3］。

（1）加压充型阶段

充型压力和充型速度是低压铸造的主要工艺参数，直接影响铸件质量。根据巴斯葛原理P=ρgH可以计算出充型压力，P=密度×重力加速度×高度差，ρ为铝液的密度2 400 kg/m3，g为重力加速度9.8 m/s2，H高度差，是铸件高度、浇道高度、升液管高度之和为1.47 m，计算出充型压力P1为34.6 kPa。充型时间是铸件高度除以充型速度得到，充型速度根据铸型种类和铸件结构初步确定为40 mm/s，铸件高度为206 mm，理论计算充型时间为5.1 s。

（2）保压结壳阶段

保持充型压力一段时间，使铸件表层形成一定厚度壳，在增压结晶时可以避免合金液渗入砂型中，减少机械粘砂机会［6］。在不产生粘砂和跑火的前提下结壳时间越短越好。

（3）加压凝固阶段

铸件结壳后在充型压力P1的基础上增加压力至结晶压力P2，使铸件在压力下结晶凝固。结晶压力越高铸件组织越致密，但受砂型强度的限制，压力不能太高，根据经验取凝固压力45 kPa。

（4）保压凝固阶段

保持结晶压力P2一段时间使铸件完全凝固。保压时间长短对铸件质量和生产效率有明显影响。保压时间与铸件结构、铸型条件等有关，通常取铸件凝固后，残留浇道长度一般控制在20～50 mm为宜。到目前为止，保压时间的确定没有较方便实用的计算公式，在铸件凝固模拟时可以通过模拟凝固状态，初步得到铸件保压时间。

3.4 充型、凝固过程模拟

利用国际上著名的Magmasoft铸造CAE软件，对离合器壳体铸件进行低压铸造充型、凝固模拟，根据模拟结果预测铸件产生气孔、缩孔、疏松缺陷的部位及大小，从而对浇注系统进行修正同时判断理论工艺参数的合理性。

3.4.1 充型过程温度场模拟

充型过程温度场模拟结果，见图6。

从图6可以看出，充型初期，温度分布较为均衡，底部法兰面的温度下降较少，铝水到达中部薄壁部位后，温度下降较快，有近百度的降低，但是并没有达到固相线以下，不会形成冷隔等缺陷。因此，在制定充型工艺时，保压结壳阶段无法实施，在实际生产中取消保压结壳阶段，即充型满后，直接加压至结晶压力。

3.4.2 充型过程速度模拟

充型过程温度场模拟结果，见图7。

从图7可以看出，铝液在整个充型过程的速度基本保持在50 cm/s以下。充型较为平稳，没有出现液面上下起伏和喷溅现象，如果出现液面起伏和喷溅现象，将会形成分层以及冷豆的缺陷。因此整个充型阶段的压力控制较为理想。

3.4.3 凝固过程温度场模拟

凝固过程温度场模拟结果，见图8。

从凝固过程可以清楚的看到，由于铸件中间部分壁厚薄而上下法兰面的厚度厚的原因，很难做到在压力下顺序凝固。从t=250.120 s温度场可以看到，中间部分凝固后上面的法兰处还有液相存在，该液相将会在凝固过程中出现缩松。因此，在该部位布置冒口是必要的手段。

t=382.480 s时，铸件本体已经完全凝固，此时保压已经没有任何效果。而在t=323.480 s时，铸件本体仍然有液相存在。因此，t=383 s左右理论上是最好的泄压时间，但是在此时泄压，将会导致横浇道以及直浇道被抽空，铝水在该部位形成空壳，不是很好清理，而在下次加压时，前次形成的空壳会导致铸件产生夹杂缺陷。

在t=414 s时，浇道几乎全部凝固，此时泄压，浇道形状饱满，不至于对下次加压产生影响。

3.5 模拟后修正工艺参数

3.5.1 浇注系统修正

参照凝固过程温度场模拟结果在小端面法兰处有液相存在，须在该部位布置冒口，避免出现缩松缺陷。

3.5.2 浇注过程工艺曲线修正

参照充型过程温度场模拟结果，保压结壳阶段无法实施，取消保压结壳阶段，修正后的浇铸过程工艺曲线如图9所示。

3.5.3 浇注工艺参数对比

从充型、凝固过程模拟结果可以得到修正后的工艺参数，对比如表1所示。

按照模拟结果确定的工艺参数，对生产进行指导，得到的铸件表面光洁，无气孔、浇不足、冷隔缺陷，也没有因为压力过大出现粘砂现象。图10为零件需要加工的面的横切照片及机加工后的成品件，可以看出铸件内部没有出现气孔、缩孔、疏松、夹渣和针孔等缺陷。

表1 修正前后的工艺参数对比

4 结论

离合器壳体采用树脂砂造型，低压浇注工艺成型，辅之以铸造CAE手段进行工艺设计、工艺参数指导及缺陷预测，能够快速生产出表面光洁，内部无缺陷的高质量铸件，铸件的力学性能满足设计要求而且成本低廉。这种工艺方法对其他薄壁铸件的快速试制具有极大指导意义和推广价值。

［1］邱孟书，王小平，等.低压铸造实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］铸造手册 第三版编委.特种铸造分册［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］田荣璋.铸造铝合金［M］.湖南：中南大学出版社，2006.

［4］约翰·坎贝尔.铸造原理［M］.北京：科学出版社，2011.

［5］胡忠，张启勋，高以熹，等.铝镁合金铸造工艺及质量控制［M］.北京：航空工业出版社，1990.

［6］罗庚生，张志忠，吕有纲等.低压铸造［M］.北京：国防工业出版社.1989.

［7］铸造手册 第三版编委.造型材料分册［M］.北京：机械工业出版，2011.