万里扬“WLY5”系列变速器箱壳的铸造仿真分析

刘 祥 ，魏良庆 ，吕国芳 ，任 飞 ，3

铸造工艺由于具有适应性强、尺寸精度高、成本低等众多优点，在汽车零部件生产中占有重要地位[1]。现在，微型汽车发动机及其变速箱部件虽已采用轻合金铸造成形，但在客车及中、重型卡车上，受制于材料性能、力学强度和成本因素的影响，其重要部件依然以铸铁的重力铸造为主。其中，灰铸铁作为一种传统、常用且经济性的多元、多相结构材料，极具开发潜力,其组织和性能可随其凝固方式的不同发生很大的变化，配合其固有的良好的铸造性、润滑性、导热性和阻尼减震等性能，一直以来在铸造生产中都占有非常重要的地位。

本次铸造分析对象为万里扬“WLY5”系列变速器，其中“WLY5T80”变速器总重量185kg，档位数为5档，最大扭矩为850N·m，其变速器箱壳重量约51.34 kg，外形尺寸 404mm×385mm×376mm，平均壁厚约15mm，铸造材料为灰铁HT250，材料密度为7.35g/cm3。变速器箱壳属于高强度、耐冲击、耐腐蚀的大型复杂零件，其力学性能指标为：铸件本体抗拉强度≥240MPa，屈服强度≥145MPa，伸长率＜6%[2]。“WLY5T80”型变速器及其箱壳的结构如图1、2所示。

图1 WLY5T80型变速器的外形

图2 WLY5T80型变速器箱壳的外形及尺寸

灰铁HT250材料的抗拉强度为250MPa，硬度为209HB，材料的密度为7350kg/m3，完全满足零件的力学性能要求，可作为零件的铸件材料。对灰铸铁材料进行铸造时，常采用传统的液态浇铸法成型[3]，本文通过模拟三种液态成型方式，采用数据对比法来评价各方案的优劣，对变速箱壳的铸造工艺提出优化和改进的措施。

变速箱壳的模型及两种浇铸方案如图3、4所示。基于铸件壁厚、重量以及MFT法的设计思路，计算出变速箱壳的内浇口截面积，然后根据铸件结构设计了两种浇注系统设计方案，方案一为底部平行浇道方案设计（见图 3），方案二为上、下两层浇道方案设计（见图4）。采用Flow3D软件分别对其进行了流动计算，发现方案二的充填形态较方案一平稳，流动前沿的封闭交汇、紊流现象少。最终选择方案二进行溢流槽、排气结构的设计。

图3 变速箱壳模拟充型方案一

图4 变速箱壳模拟充型方案二

1 浇铸时间参数计算

灰铸铁常用的浇注时间计算公式及适用范围如下：

根据上表计算出灰铸铁常用的浇注时间为：

其中：G浇=86.9kg（包括主箱重量51.34kg和浇冒口重量 35.56kg），S=2.2。

经过计算，铸造时间应保持在14～19s之间较为合适。

2 数值充填模拟过程

2.1 模拟充填方案一设计

变速箱壳液态充填参数为：充填材料初始温度设置为1700K，高于灰铁HT250材料的液相线温度1409K，模具初始温度设置为473K[5]。为提高充填效率和减少成型件表面缺陷，铸件设计有四组平行分流道，同时为了使各部位充型时间基本一致并尽可能减少空气的卷入量，需按铸造要求将铸造浇口设置在箱壳底部，将铸件冒口设置在箱壳顶部。模拟充填结果如图5所示。

液态充填结果为：充填率达到100%时总用时16s，主流道材料温度为1700K，箱壳材料表面最高温度为1676K，箱壳材料表面最低温度为1571K，均远高于材料的固相线温度1338K，所有材料均处于液相区，需降温冷却233℃可达到材料固相线温度，这种铸造方案的优点是开模后材料组织均匀，缺点是两侧安装孔补缩困难，箱壳零件表面温差有105℃，温差较大。

2.2 模拟充填方案二设计

变速箱壳充填方案二参数设置为：充填材料初始温度同样设置为1700K，模具初始温度设置为473K。为改善箱壳零件两侧安装孔的材料缺陷，将原设计的四组底部平行分流道改为两组，同时在箱壳两侧各设置一个分流道，将铸件冒口设置在箱壳顶部。模拟充填结果如图6所示。

液态充填结果为：充填率达到100%时总用时14s，主流道材料温度为1700K，箱壳材料表面最高温度为1676K，箱壳材料表面最低温度为1630K，箱壳零件表面温差仅有46℃，所有材料均处于液相区，需降温冷却233℃可达到材料固相线温度，这种铸造方案的优点是充型总用时缩短，箱壳零件表面温差大幅下降，同时解决了两侧安装孔补缩困难的问题，缺点是箱壳零件两侧面材料易产生组织缺陷。

表1 灰铸铁件常用的浇注时间计算公式及其适用范围[4]

图5 模拟充填方案一的充填时间图

图6 模拟充填方案二的充填时间图

3 凝固过程对比分析

4 结论

从材料凝固后的结果发现，充填方案一凝固后温度场分布虽然较为均匀，但液态充填后的组织温度呈阶梯状由上至下分布，影响了整体材料冷却时间。充填方案二凝固后温度场分布为两侧温度较高，这有利于两侧面的材料补缩，组织材料的整体温度分布效果较好，加快了整体材料冷却时间。

综合比较后发现，铸件采用第二种充填方案明显比第一种方案在相关温度和时间的控制方面要优化很多，减少铸造时间的效果明显，这对结构件力学性能的提高也起到了一定的作用。通过企业的应用证明，相关工艺方案效果理想，各项技术指标完全满足零件使用要求。同时相关工艺的改进可以使企业产品生产率明显提升，产品的综合力学性能相应提高，并具有一定的行业推广价值。

图7 凝固过程对比图

[1] 虞康,万里.大型变速箱壳体压铸模具的温度场数值分析[J].热加工工艺，2011（07）:174-176．

[2] 汪琴.变速箱箱体的铸造工艺研究[D].安徽:合肥工业大学，2014.

[3] 柳百成,荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].北京:机械工业出版社，2012：56-81.

[4] 郭庆.铸件凝固过程的温度场模拟及缩孔、变形和热裂缺陷预测[D].天津:河北工业大学，2012.

[5] 王有超，黄帅，历长云，等.铬钼铜合金灰铸铁气缸套的铸造工艺及力学性能研究[J].热加工工艺，2016，45（05）:78-80+83.