[1]复杂薄壁压铸壳体设计及其量产化实现

马星宇,王凯峰,张其帅,黄晨晨,郑泽奇

陕西法士特汽车传动集团有限责任公司 智能传动研究所， 陕西 西安 710077

摘 要 ：为变速器壳体正向开发设计过程中，考虑变速器壳体油道空间布局、铸造质量、可实现功能、制造成本等因素，对变速器壳体油道的合理设计布局以及结构优化，并利用模流仿真的方法对壳体进行压铸模拟分析，对浇铸系统及渣包冒口的的设计进行验证，提前规避质量风险，并通过模具件试制对壳体设计进行了量产可实现性验证，最终总结了该类壳体的设计制造方法，解决了复杂薄壁壳体的制造难题。

关键词：油道空间布局；铸造质量；模流仿真；压铸模具；浇注系统

0 前言

  传统的用于液力自动变速器的变速器壳体内部油道形式复杂，不同角度的油道互相交错，给铸造和机加工带来很大困难，增加制造成本；常见的变速器壳体油道布局存在油道折弯角度多、部分油道长度偏长的现象，这样便增加了工作油液的流动阻力，进而增加了工作油液的沿程损失，造成换挡响应不及时；同时一些自动挡变速器壳体也存在油道布局分散的问题，这样将增加模具的设计难度和制造成本，还会影响变速器壳体的整体尺寸和重量。

对于分布较多较复杂液压油路的壳体，结构设计显得尤为重要，本文将提出一些结构设计中的考虑，在满足使用功能的前提下，改善壳体铸造质量、降低制造成本。

1 压铸壳体设计考虑

    变速器壳体作为液力自动变速器的重要部件，进行正向开发时，需要考虑满足以下功能：为变速器零部件提供安装空间，保护内部零件不受外界影响；为变速器工作油液提供密闭腔体，保证油液不外漏，保护油液不受外界污染；为工作油液提供独立或者交融的密闭通道，保证工作油液可以保持一定压力并存储油液；将变速器内部液压阀板的各路油道与变速器换挡执行机构各处油腔相连通，保证油液快速到达指定位置；为变速器零件提供安装支撑功能；保证有足够的强度，可以承受在恶劣工况下工作等。

    同时，变速器壳体在设计过程中还要兼顾轻量化和高强度，由于压铸工艺有以下优点：铸造尺寸稳定，精度高；压铸后组织致密，强度好，硬度高，力学性能好；因此复杂薄壁壳体选择压铸工艺的方式进行。           

2 压铸壳体结构难点分析

轻量化高强度变速器壳体结构需要控制的难点包括：

1）壳体壁厚分布不均：将造成压铸过程中壁厚较厚大位置温梯层过深，铝液冷却速度不均匀，进而导致缩松等质量缺陷。

2）外围密集的螺栓包分布：压铸过程铝液冲型的速度很快，螺栓包过多将增加卷气的可能，造成内部气孔缺陷；

3）复杂交接曲面：在面与面的交界处容易形成尖角区或深沟区，使模具对应位置出现热应力集中区，从而导致铸造模具热疲劳损伤严重，产品铸造缺陷加重；

4）复杂融合油道：较多的交融细长油道预铸孔，导致铸造芯棒较细较长，高压高速的冲击有较大风险将铸造芯棒冲压变形，导致铸孔偏斜；模具冷却系统的布局设计难度大，复杂程度高；

5）各向结构特征差异大：多分型面特征，需要至少6个方向不同的成形模具进行拼接，模具设计难度大。

3 压铸成型方案及模具化实现

浇注系统及渣包设计方案：由于该壳体结构中底部腔体结构复杂、孔分布密集、密封面要求严格，因此优先考虑在变速器壳体的底部设置浇注系统。壳体前端面为距离浇筑系统的最远端，在该处设计渣包冒口可最大程度容纳铝液中的气体及氧化夹杂物，同时起到补缩的作用。

首批壳体开模件如图2中的a，主要存在的问题为螺栓包肉厚部位以及壳体后端轴承支撑孔肉厚部位出现较大缩孔，细长油道孔铸孔偏斜，机加工肉厚不足，加工后油道孔穿透了壳体壁面。X光探伤结果表明，螺栓包聚集处以及远端铸造部位存在缩孔或气孔。

壳体内缩孔主要集中在肉厚较大部位产生，由于热量厚度方向温度梯度大，导致铝液凝固速度不一致，进而引发缩孔。油道偏斜是由于油孔铸造销棒受热膨胀后相互挤压变形导致，可在油道交接口处设置3mm隔皮。通过对结构去肉减重以及改进磨具冷却系统的布置形式进行了进一步的模流仿真验证。

                        

图1  铝合金压铸壳体的充型与热节热固流仿真

如图1左图为充型分析，可以发现充型温度场分布大体较为均匀，离浇铸入口较远处，充型温度相对较低，但温度偏差在要求范围内；如图1右图为热节分析，可以发现，在后端输出轴承孔部位热量耗散时间最长，有较大风险出现缩孔，该出为壳体承力部位，壁厚设计较厚，可通过对该处模具局部控温冷却进行改善。

                             

a首次开模件质量                                      b 二次开模后质量

图2  开模件质量

二次开模件情况见图2中b，可以发现细长油道预铸孔平直无偏斜，与壳体相邻壁面保持一定肉厚。X光探伤结果发现壳体肉厚部位内部铸造质量良好，没有较大的气孔和缩孔等缺陷，

4 结论

对于细长交融油道较多的复杂薄壁铝合金压铸壳体，需提前控制好预铸孔的长度和直径，保证相邻油道铸造销棒不发生高温挤压变形，从而保证细长铸造油孔不发生偏斜；通过提高螺栓包共用性的方法来控制壳体外围螺栓包或其他局部加肉特征的数量，螺栓包处通过加筋来避免螺栓包卷气和热缩等缺陷；在壳体外围较大平整曲面区域增加顶杆圆柱特征，便于壳体的铸后脱模；浇铸系统设计在肉厚大部位，渣包冒口应设计在壳体浇铸远端部位。

参考文献

[1]  王振东.金属压铸成型新工艺与压铸件生产新技术及压铸模具设计制造选用、国内外压铸技术标准应用实务全书[M].北方工业出版社，2014：184-188.

[2]  王建明.运用MAGMA软件辅助优化压盘铸件的铸造工艺[J].现代铸铁，2018，（01）：73-79.

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