一种自动变速器活塞铸造问题的分析与改进

一种自动变速器活塞铸造问题的分析与改进

马鑫宇 赵亮 丁斌 全东 侯旭辉 

（陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西 西安 710077）

【摘 要】  本文研究了某种铝合金压铸件工艺，分析了铸件的结构并对铸件结构进行优化。通过工艺过程优化，工艺参数调整，解决该活塞铸造表面流痕、活塞密封面气孔严重等铸造缺陷，提高了生产效率。

【关键词】活塞  铸造  气孔  流痕

1. 引言

活塞是发动机和变速箱的主要零部件之一。该制动器活塞是我司自主研发的商用车铝合金自动变速箱的关键零件之一。采用高压铸造工艺，可生产合格且质量稳定的铸件。本文以该零件为研究对象，分析了其产品结构并对铸件结构与工艺进行了优化，为该铸件的稳定生产提供了工艺保证。

2. 材料要求和方法

2.1铸件材质要求

活塞铸件材料：化学成分为：AlSi9Cu3（ADC12）

铸件的技术要求：材料和质量等要求符合国标铝合金压铸件规范，标准号为GB/T 15114；铸件需X射线探伤检查、气孔等级符合ASTM-E505孔穴标准；表面抛丸处理，硬度≥HB90；

2.2研究方法

铸件尺寸：长筒薄壁、149x180x180mm，最小壁厚1.9mm，平均壁厚4mm铸件重量1.4kg（如图2-1）；

该铸件是功能件，对其尺寸精度、表面及内在质量要求较高，特别是三处密封面在同一端，密封槽部位不得有大于0.5mm的气孔；油腔工作时压力最高达20Bar。底部设有22处弹簧孔，需铸造保证其位置度，铸造难度较大。首先分析产品结构、铸件铸造工艺性；然后参考模流分析结果确定铸造工艺方案；研究分析其铸造缺陷，提出改进措施。通过优化铸造工艺，最终获得满足标准要求的合格铸件。

 图2-1

3. 问题与分析

3.1铸件分析

该铸件是我司自主设计的6AT变速箱的关键零件之一，右端与变速箱壳体相连，共三处密封面，形成两处活塞腔体，用于变速器的制动，产品由于原铸件表面流痕严重，密封面气孔过多等多个问题，导致成品率较低，故现分析其原因并对其铸造工艺进行改进，以满足生产需。产品空间布局如图3-1所示。

图3-1

3.2铸件问题

现通过对原铸件的外观尺寸检验和理化分析及对铸造现场和模具的检查发现主要有以下问题：

（1）密封面气孔问题：气孔问题严重，在3处密封槽处总是存在超过0.5mm的气孔或是小于0.5mm的密集气孔。

（2）铸造表面流痕问题：圆筒外壁表面流痕严重，部分甚至超过标准中流痕的最大可接受长度，影响了铸件的强度。

（3）外壁变形胀大：尺寸检验时发现，圆筒外壁直径铸造尺寸超差，导致后续返修，增加成本，影响外观。

（4）成品率低，导致成本变高，且影响生产。

4.改进与验证

4.1计算与仿真

4.1.1数据计算

（1）确定压铸机的锁模力：

锁模力是选用压铸机时首先要确定的参数。锁模力的作用主要是为了克服模腔内的涨型力，以锁紧模具的分型面，防止金属液飞溅，保证铸件的尺寸精度。压铸机的锁模力计算如下：

F=k*p*s

F---计算锁模力

k---安全系数

p---压射比压

s---投影面积

安全系数K与铸件的复杂程度以及压铸工艺等因素有关，一般取1-1.3对于薄壁复杂铸件，由于采用较高的压射速度，压射比压和模具温度，使模具分型面受到较大的冲击，因此K应取较大值，反之取较小值。

（2）确定机器的射料量：

射料量是压铸机装置的一个重要参数。它是选择压铸机时最常驻用的参数，以千克表示。选择一台足够射料量的压铸机一不应选择射料量刚好等于压铸件毛坯重量的压铸机。通常的选择是压铸毛坯的重量应占射料量的25%---85%为宜。

（3）确定零件投影面积：

投影面积是压铸件选机型的重要参数，这里所说的投影面积不仅仅是零件的面积，还包括垃圾位和水口的面积。面积的估算一般用锁模力除以压铸时的压射比求得。

对于已有的铸件、铸造面积的计算应分割成小的规则形状计算：

①直径为d的圆面积的s计算：s=nd2/4

②边长为a的正方形面积s的计算：s=a2

③长为a,宽为b的长方形面积s的计算：s=ab

④上底为a,下底为b,高h为的梯形面积s的计算：s=(a+b)h/2

4.1.2模流分析仿真

通过模流分析能避免浇注系统设计存在问题，较准确地预测熔体在型腔中的填充、保压、冷却情况以及预测铸件成型的应力分布、收缩和翘曲变形等情况，以便设计时能尽早发现问题，及时改进。初步分析如下：

图4-1                                        图4-2

填充分析：如图4-1、4-2圆圈标识所示，密封槽区域和侧壁区域，

都存在前部铝液流通通道封闭后，铝液流过区域存在较小范围的卷气回流区域。就模流形态来看和试产加工气孔缺陷区域状态交吻合，因此浇排设计需要依据试模结果重新进行设计优化。 

凝固分析：如图4-3显示的产品区域优先凝固后才到流道浇口处，料饼后凝固能有效传递压力，说明模具热平衡设计合理。

      图4-3

4.1.3工艺方案

产品主投影面积257.6cm

2,，滑块分型面积：440cm2，总投影面积约479.4 cm2；1件1模，根据产品特性及要求，选取射压比1100kgf/ cm2，选取安全系数：1.3；通过计算确定压铸机吨位为：685.6              T,故原压机吨位较小，现选用力劲800T压铸机。

由于密封槽部位不能有大于0.5mm气孔及气密性要求。一般来说，压铸模具内浇口开设位置要保证：填充产品的关键＆重要部位；保证压力传递的顺畅；保证流向一致和填充的一致性；不产生涡流和裹气，利于排渣、排气；填充距离最短。所以这次我们选择在关键部位3密封槽处外侧进料，并在内侧和后端3处增加溢块位置（如图4-3、4-4所示）。

图4-3                                                        图4-4

中间减重部位由于面积较大，会对铝液流动产生阻碍，因此留有厚度0.5-0.7mm，能起到过桥作用，改善铝液流动和流向。而这部分通过机加圆筒内壁时刚好可以车除掉。

5.总结

在高压铸造中，通过计算选择合适吨位的压铸机是保证铸件质量的核心；在铸件的工艺设计时，分析铸件的结构，了解铸件的特点，根据工艺需要，对铸件结构进行优化，可以降低铸造工艺的难度，也便于铸造缺陷的解决。如果薄壁铸件减重孔较多，为了减少结构特征对铝液流动的阻碍，可以选用留肉的方式，改善铝液的流动和流向；在面对局部过高气孔要求时，辅助模流分析，可以大概确定问题方向，通过调整浇口的大小、形状及位置，配置相应的工艺参数，铸件凝固过程就能够得到有效控制，生产出满足要求的铸件。

参考文献：

1. 中华人民共和国国家标准 GB/T  15114-2009

2.《铸造工艺学》王文清、李魁盛[M]. 北京：机械工业出版社.2011

3.《铝压铸成型及质量控制》杨裕国[M]. 北京：化学工业出版社.2009