变速器和离合器壳体压铸喷涂工艺研究

郝鹏磊,王 飞,马 洪,陈省利

(陕西法士特汽车传动集团有限责任公司,陕西 宝鸡 722409)

压力铸造是一种先进高效的金属成形方式,在汽车、通信和家电等领域被广泛应用。近年来,随着全球对节能减排、产品轻量化技术的大力开发和重视[1],压铸件以其壁薄、轻巧、耐用以及符合轻量化概念而得到大家广泛推崇。目前,针对高端车型而研发的一款高性能全铝合金新型变速器,其壳体均为铝合金压铸件。其中变速器壳体、离合器壳体结构复杂,模具成形面积大,铸件单件生产周期较长,约295 s。然而,随着该变速器壳体和离合器壳体需求量激增,现有相关配套设备的生产效率很难满足市场需求,在有限的人员和设备条件下,亟需提高生产效率。因此,本文开发了一种仿形喷涂装置,制定仿形喷涂工艺,以降低喷涂时间,提高班产量。

在压铸喷涂工序,采用喷涂机器人安装喷涂装置,将脱模剂混合液均匀喷洒到模具表面,然后再进行吹气,将模具表面吹干,最终脱模剂均匀附着在模具表面。该过程一般持续数分钟,主要作用是为了避免铸件在压铸过程中与压铸模焊合,减少铸件顶出的摩擦阻力,避免模具黏铝和压铸模过分受热。因此,喷涂质量的好坏会直接影响铸件的生产周期和质量。

模具仿形喷涂装置是根据铸件模具的外形形状、铸件的温度场而设计的一种喷涂装置,喷涂范围可覆盖模具成形面积的95%以上,大幅减少模具喷涂时间,对深腔、死角及厚壁区域有很好的喷涂效果,减少黏铝、黏模风险。目前,模具仿形喷涂技术在欧美、日本等一些发达国家的应用非常普遍,但在国内压铸生产厂家中的应用才刚刚开始。

本文以变速器壳体及离合器壳体铸件为研究对象,分析了产品结构,详细地介绍了仿形喷涂工艺方案,包括装置的制作及工艺参数的制定等,成功地开发出仿形喷涂工艺,解决了变速器壳体及离合器壳体铸件单件生产周期长这一难题,为其他新开发铸件降低单件生产周期提供了工艺参考。

1 仿形喷涂装置设计过程

1.1 产生热节及喷涂死角部位

图1为变速器壳体铸件结构,其中外形尺寸为520 mm×410 mm×270 mm,毛坯平均壁厚约6 mm,体积为1.0168×107mm3,铸件材料为铝合金ADC12,重量约22.45 kg。图2为离合器壳体铸件结构,其外形尺寸为523.6 mm×523.6 mm×420.3 mm,毛坯平均壁厚约6 mm,体积为1.18×107mm3,铸件材料为铝合金ADC12,产品重量30.12 kg。

(a)正面;(b)反面图1 变速器壳体(a)front;(b)reverseFig.1 Transmission housing

(a)正面; (b)反面图2 离合器壳体(a)front;(b)reverseFig.2 Clutch housing

由铸件模型可知,两种铸件结构复杂,局部尺寸厚大,且壁厚变化较大,铸造过程中易形成热节,导致产品局部易形成缩松、粘缺等缺陷[2]。喷涂机器人在喷涂过程中,易产生喷涂死点。因此,在产生热节及喷涂死角部位需要设置加长、可变换角度喷嘴。

1.2 喷涂装置初步模型

图3为两种铸件模具结构图,均为五开模复杂结构,深腔、死角部位较多,因此设计喷头时需要有六面板喷涂,才能覆盖所有部位。图4为根据模具结构初步设计的仿型喷涂结构,采用六面板结构。

图3 (a)变速器壳体和(b)离合器壳体模具图Fig.3 Mold drawing of (a)transmission housing and (b)clutch housing

图4 仿型喷涂装置初步模型Fig.4 Preliminary model of profiling spraying device

1.3 各部位喷嘴数量

采用MAGMA模拟[3]变速器壳体铸件温度场,结果见图5。由图5可知,铸件深腔部位、中心隔板及浇口附近温度较高。因此,需在这些部位对应模具位置增加喷头数量。

(a)凝固50%温度场;(b)凝固80%温度场图5 变速器壳体温度场模拟(a)temperature field of 50% solidification;(b)temperature field of 80% solidificationFig.5 Temperature field simulation of transmission housing

离合器壳体铸件温度场模拟结果见图6。由图6可知,该铸件为圆桶状,两侧深腔部位及浇口附近温度较高,并且存在喷涂死角。因此,需在以上部位增加喷头数量。

(a)凝固50%温度场;(b)凝固80%温度场图6 离合器壳体温度场模拟(a)temperature field of 50% solidification;(b)temperature field of 80% solidificationFig.6 Temperature field simulation results of clutch housing

1.4 仿型喷涂装置最终模型

综合以上因素设计了仿型喷涂装置,再将模型导入UX工程软件中,根据每个喷嘴喷涂的范围,保证喷涂范围可完全覆盖模具成型面,然后得出最终装置模型。图7为变速器壳体喷涂装置最终模型,图8为离合器壳体喷涂装置最终模型,图9为利用UX软件模拟喷涂装置模型在模具中的喷涂效果。

图7 变速器壳体喷涂装置模型Fig.7 Spraying device model for transmission housing

图8 离合器壳体喷涂装置模型Fig.8 Spraying device model for clutch housing

图9 UX软件模拟喷涂装置的喷涂效果Fig.9 Spraying effect of spraying device simulation by UX software

2 喷涂工艺开发

由于喷涂装置不是单独存在,需要自动化控制,先进制造厂家均采用机器人(见图10)控制喷头位置、喷头角度、喷涂时间和吹气时间以达到生产合格质量铸件的需求。本文采用ABB机器人,因此喷涂工艺开发即为机器人程序参数的开发。

图10 喷涂机器人Fig.10 Spraying robot

喷涂工艺开发首先根据模具生产时使用热成像仪采集的实时模温(见图11),前期设计阶段采用MAGMA模拟温度场,可以保证喷涂装置的主体结构,但细节方面与实际还存在偏差,因此在喷涂工艺细化时,需要根据模具的实时模温进行调整,确定模具各个位置喷涂量的大小,然后再调整喷涂机器人 的程序;其次根据生产铸件的外观情况,观察铸件是否存在冷隔、裂纹等缺陷;最后根据铸件内部探伤质量。通过以上结果调整喷涂机器人程序,控制机器人运行轨迹、喷头位置、喷头角度、喷涂时间和吹气时间,从而制定出合理的喷涂工艺参数[4]。

(a)动模芯;(b)定模芯图11 铸件实际生产温度场(a) moving mold core;(b)fixed mold coreFig.11 Actual production temperature field of castings

下面程序代码为现场调试的最终变速器壳体生产合格铸件时喷涂参数程序,主要参数说明:MoveLSpray pMob20, vSpeedzone2in, z5, tSprayWObj:=wPDC,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE,其中喷涂时间(WaitTime 1)、喷涂速度(vSpeedzone2in)、喷头喷雾过程轨迹(MoveLSpray pMob20)、各回路喷头阀的控制(TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;)。

①主程序

PROC main()

IF bMoveHome=FALSE THEN

rInitInterrupt;

ENDIF

IF bMoveHome=TRUE THEN

rMoveOutDie;

ENDIF

WHILE NOT fIrbToHomePos(pHome,tSpray,wobj0,150,0.01)DO

ENDWHILE

rResetOutput;

SetDO do03I_AFOB, high;

WHILE TRUE DO

rStartCycle;

WaitTime 0.2;

ENDWHILE

ENDPROC

②喷涂主程序

PROC rDie_Spray()

AccSet 50,50;

rOverPDC;

rInPDC;

rSprayFix;

rSprayMob;

rBlow;

rOutofPDC;

ENDPROC

③动模喷涂程序

PROC rSprayMob()

rSetAir1Press nAirpress3in;

rSetAir2Press nAirpress3in;

rSetLube1Press nLubpress3in;

rSetLube2Press nLubpress3in;

nRobPos:=4;

MoveLSpray pMob10,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 1;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 5;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,TRUE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 6;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE;

nRobPos:=4;

ENDPROC

3 生产验证

通过对变速器壳体、离合器壳体应用仿型喷涂后的生产情况进行跟踪,各统计80个班次的生产情况。变速器壳体铸件改善前,铸件单件生产周期为295 s,每班平均生产约71件;改善后生产周期198 s,每班平均生产85件,见图12。离合器壳体铸件改善,铸件单件生产周期为295 s,每班平均生产约73件;改善后生产周期236 s,每班平均生产80 件,见图13。

图12 变速器壳体铸件生产数据统计Fig.12 Production data statistics of transmission housing castings

图13 离合器壳体铸件生产数据统计Fig.13 Production data statistics of clutch housing castings

4 应用仿型喷涂过程中出现问题及整改措施

在应用仿型喷涂降低铸件单件生产周期[5]调试过程中,出现卡锤头现象(锤头是是连接在压铸机射料杆上,接触在料筒上的铸铁配件)。该仿型喷涂之前每生产1200件毛坯换一个锤头,但在调试过程中每生产600件毛坯需要换一次锤头。经过对压室和锤头温度场进行分析,发现料筒温度过高,一般为200 ℃左右,但实测温度为300 ℃。通过对压室进行喷涂,降低温度至200 ℃左右,有效改善卡锤头现象。

生产过程中常因操作失误导致喷涂装置破损,由于喷涂装置采用仿型设计,破损后维修进度非常缓慢。因此在使用过程中要设置权限,达到要求的技术人员方可操作。

5 总结

1)铸件单件生产周期降低是一个系统工程,要达到稳定的生产状态,必须要考虑整个系统的各个环节,使整个系统升级达到与之匹配。

2)通过仿形喷涂装置设计、喷涂工艺开发,变速器壳体铸件单件生产周期提高了32.8%,每班平均生产提高了19.7%;离合器壳体铸件单件生产周期提高了20%,每班平均生产提高了9.5%。

3)将该喷涂工艺应用到其他类似压铸件,也有效降低铸件单件生产周期。