摘 要 ：以铝合金变速器壳体为研究对象，结合压力铸造和零件结构的特点，设计浇注系统，使用 Magma 软件对初始工艺进行数值模拟，结果表明充型不平稳，没有按照顺序凝固，产生缩松缩孔和热裂纹缺陷。根据模拟结果及缺陷产生原因改进浇注系统，增加冷却系统，最终得到消除缺陷、符合要求的工艺方案。

关键词： 变速器壳体;压铸工艺;数值模拟;工艺优化

变速器总成是汽车传动系统中的关键部件，而变速器壳体作为安装变速齿轮支撑轴承的零件，需要保证在各种复杂工况下，能够吸收齿轮在工作时所产生的作用力和力矩，且不会发生变形位移，保持轴与轴之间的确相对位置[1] 。这就要求变速器壳体具有较高的强度、刚度，但是在变速器制造时，容易产生缩松、缩孔和热裂纹等缺陷，会大大影响零件性能[2]。压力铸造是将液态金属快速冲入型腔，并在高压下凝固的工艺，可以有效减少铸件缺陷[3]。为提高某国产乘用车品牌的变速器壳体的综合成品率，使用 Magma 软件对变速器壳压力铸造工艺进行可行性研究。先根据铸造手册和经验公式初步设计压铸方案，根据模拟结果改进得到优化方案，再通过试制验证该方案的可行性。

1 仿真模型与初始工艺设计

变速器壳体及淺注系统模型如图1所示。壳体尺寸为230 mm x 300 mm x 120 mm ,质量为2.366 kg , 材料为 AlSi 9 Cu 3 , 压铸时的收缩率为0.5%~0.6%,采用一模两件的常规压力铸造工艺，压铸机类型为 DM 1500卧式冷室压铸机。壳体上部分布了一些肋板 ，中间为空心腔体，两个孔是用来安装支撑轴承，模型整体比较复杂，大壁厚为26 mm , 位于图中4处 ，最小壁厚为7 mm , 位于图中 B 处 ，平均壁厚10 mm 。壳体底部较为平整，且与正投影方向平行，选取底部为分型面。由于采用一模两件工艺，且压铸浇道设计时，一般常采用单个内浇道，不宜过多改变方向，减少流程，所以选择侧浇口式浇注系统[4]。内浇口面积由公式(1 ) 计算得到[5],为 4.16 cm :; 直浇道的直径由压铸机类型决定，为100 mm 。

2 初始工艺数值模拟分析

将模型 STL 格式导入到 Magma 中，进行网格划分，共生成网格数量为1 084 326,其中流体网格数量为513 722。铸件材料选择 AlSi 9 Cu 3 , 浇注温度660 模具材料选择 H 13,预热温度225 铸件和模具材料的热物性参数如表1所示[6]。压射比压为60 MPa , 充型速度0.5-2 m / s , 保压时间50 s ，进行模拟 。

2 . 1 充型过程分析

整个铸件充型时间为0.06 s , 为了更好地观察充型过程中的金属液流动情况，使用示踪粒子查看充型过程 ，如图2所示。从图中可以看出， t =0.02 s 时 ，金属液已经注满整个浇注系统，金属液流动较为平稳，由侧面进入型腔并向另一侧流动。当户0.032 s 时 ，金属液处于高速充型阶段，浇道内发生了显著的分离回流(图2中圈出部位)，影响整个流动的平稳性，容易造成卷气、夹渣现象，最终影响零件质量。

2 . 2 凝固过程分析

凝固过程中的温度场变化如图3所示。当t=1.049 s时 ，变速器壳体上一些比较薄的肋板开始凝固;当t =5.625 s 时 ，凝固率达到50% , 铸件上一些壁厚较小的部位开始凝固，主要位于壳体上部和中心圆孔周围;当t=11.764 s 时 ，凝固率为8 5 % , 此时铸件大部分都凝固完成，主要是一些壁厚较大的部分，还未完全凝固。从整个凝固过程温度场变化来看，凝固时并没有实现顺序凝固，一些壁薄的地方先凝固，而壁厚的位置最后凝固，而且壁厚位置远离浇口，很容易在凝固时产生孤立液相，无法补缩，最终形成缩松缩孔缺陷 。在一些拐角处，由于凝固时间的不同导致收缩应变率过大，从而在表面产生热裂纹。

2 . 3 铸造缺陷分析

根据充型过程和凝固过程的结果变化分析，对铸件缩松缩孔和热裂纹分布位置进行预测，结果如图4所可以看出，缩松缩孔可能产生的位置与之前分析的相接近，而热裂纹也位于厚壁与薄壁交界处图中圈出部位。

3 优化工艺分析

3 . 1 确定优化方案

由于初始工艺无法得到符合要求的铸件，需要对其进行优化，主要包括两个方面： (1 ) 对浇注系统尺寸进行改进。初始浇注系统，金属液在进入浇道流向两侧时，浇道变窄，流速增加，容易产生喷射，发生紊流，进而导致分离回流，为了保证流动平稳，对浇道尺寸进行优化; (2 ) 增加冷却系统，调整凝固时温度场分布，实现顺序凝固，冷却系统采用水冷，冷却水温度20 1 。改进后的模型如图5所示，其他冷却工艺参数见表2。

3 . 2 优化方案模拟

对优化后的工艺方案进行数值模拟，充型过程示踪粒子路径和凝固时的温度场变化如图6所示。可以看出 ，整个充型过程，浇道内金属液流动平稳，分离回流现象明显消除;凝固过程中，当 t = 1.209 s 时 ，除了薄壁肋板开始凝固外，施加冷却系统的壁厚处表面也开始慢慢凝固，当t=7.470 s 时 ，相较于未加冷却之前，壁厚区域基本完成凝固，主要是靠近浇口处一些区域还没有完全凝固，基本满足顺序凝固原则。

对优化后的铸造缺陷进行预测，如图7所示。从图中看出，缩松缩孔和热裂纹缺陷都基本消除，说明优化方案可以明显提高铸件质量，满足要求。

3 . 3 优化方案验证

为了进一步验证改进后方案的可行性，对改进后的方案进行试制，实际生产的变速器壳体如图8所示。经检验，铸件整体质量良好，未发现裂纹、缩孔 、缩松等铸造缺陷，与上述模拟缺陷预测结果相符合。

4 结束语

运用成形过程数值模拟方法，以消除缩松缩孔、热裂纹为目的，对变速器壳体压铸工艺进行改进及优化。研究结果表明：改进的浇注系统能够有效解决充型不平稳问题，同时增加的冷却系统可以改善温度梯度，实现顺序凝固。通过实际生产验证，改进后的方案能够消除缩松缩孔和热裂纹缺陷，提高零件成形质量。