CN110976830B - 一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，属于液态金属成型技术领域。该方法首先在实际铸造开模过程中进行铸件温度检测，获得铸件温度场，利用检测设备对实际铸造的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，获得实际铸造过程的缩孔缩松铸造缺陷形成区域；然后建立铸造过程有限元仿真分析模型，利用专业铸造仿真软件ProCAST对换挡毂充型凝固过程进行模拟，并与实际检测结果进行对比，对参数进行必要的修正；最后利用仿真模型分别对模具、浇注温度、模具预热温度和浇注速度等工艺参数进行仿真分析和优化，并通过试铸得到有效改善铝合金换挡毂铸件缩孔缩松铸造缺陷的合格铸件，进而达到改善换挡毂铸造缺陷，提高铸件质量的目的。

Description

一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法

技术领域

本发明涉及液体金属成型技术领域，特别是指一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法。

背景技术

换挡毂作为双离合变速器的关键部件，其加工质量直接决定换挡的效率及平顺性，铸造作为换挡毂成型的第一道工序，铸件质量的好坏直接影响后续机加工精度及使用过程的寿命。

在AlSi12CuNiMg中加入了合金元素，提高了工件的力学性能但也降低了合金的流动性、抗热裂性等铸造性能，使得铸件在铸造过程中容易产生金属夹杂物、浇不足、缩孔、缩松、裂纹、变形和气孔等缺陷。因此复杂铝合金铸件的铸造工艺设计通常较为困难。传统的铸造工艺设计对设计者从业经验要求较高，设计周期长且成本高。对于单件小批量生产的铝合金铸件来说，将大大增加生产成本，造成资源浪费。通过铸造模拟仿真可以模拟充型及凝固过程中流场、温度场的分布，预测铸件缺陷产生的位置，能够有效缩短铸件从设计到生产的研发周期，降低生产成本。因此，在铸造模拟软件的辅助下进行铸造工艺设计是一种有效的方式。

在铸造缺陷控制方面，文献1(孙策，盛文斌，阎思锦，等.ZL114A横梁铸造数值模拟及工艺优化[J].铸造技术，2019，40(09)：941-945.)针对铝合金横梁进行工艺改进，利用AnyCasting软件对铸造过程进行模拟仿真，分析了冒口及冷铁位置对铸件凝固和缺陷产生概率的影响规律，结果表明以冒口处引出补贴的方式消除铸件侧壁缺陷，并在底部放置冷铁使缺陷产生的概率显著降低。文献2(支龙，巩红涛，杨小建，等.叶轮铸造过程数值模拟及工艺改进[J].热加工工艺,2019(19):76-78.)利用Procast模拟软件对叶轮的铸造过程进行仿真，预判缺陷产生位置，并对原有工艺进行了优化，结果表明在保证流动性的前提下，适当降低金属液的浇注温度可降低缺陷产生，通过设置合理的冒口及配置冷铁可消除缺陷。分析可知，当前针对铸造缺陷的控制方法研究主要集中在冒口的合理设计以及冷铁的配置上，没有考虑铸造模具本身是否可以改进；在进行工艺仿真时，对模型的准确性没有进行进一步的验证。因此，在确定换挡毂铸造仿真模型准确性的基础上，通过改进模具结构并优化工艺方案使得铸件缺陷得到控制，进而提高换挡毂铸件的品质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，在对换挡毂铸造现场调研获得实际铸造工艺参数、材料热物性参数及实际缺陷后，建立铸造仿真模型，通过比较实际铸造温度场和仿真温度场分布，确保模型的可靠性，在此基础上改进铸造模具结构并优化工艺参数，经过X射线探伤后，发现在改进的模具结构及优选的工艺参数下，缩孔缩松缺陷明显减少，达到了换挡毂铸造缺陷的控制目的。

该方法包括步骤如下：

S1：利用热像仪在实际铸造开模过程中进行铸件温度检测，获得铸件温度场；

S2：对实际铸造的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，获得实际铸造过程的缩孔缩松铸造缺陷形成区域；

S3：对铸造过程进行计算机仿真分析，仿真得到铸件温度场，并与S1的实际检测结果进行对比，并对模型换热系数进行修正；

S4：利用修正后的模型仿真得到铸件缺陷形成区域；

S5：对模具进行改进研究，将改进方案利用S3得到的修正后的仿真模型进行仿真，直至仿真结果显示铸件的缩孔缩松缺陷与S4的仿真结果相比有明显改善；

S6：利用S3得到的修正后的仿真模型，分别调整浇注温度、模具预热温度和浇注速度，并进行仿真得到铸造缺陷情况，根据仿真结果选择最优的浇注温度、模具预热温度和浇注速度，使得仿真结果与S5的仿真结果相比有明显改善；

S7：利用S5和S6进行的改进完成试铸；

S8：对试铸的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，并与S2的实际检测结果进行对比，证实改进的有效性。

其中，S3中计算机仿真与对比的具体过程如下：

S3.1：使用三维造型软件Creo对换挡毂铸件的模具进行预处理，去除无用特征，并将左右外模、顶模底模输出为stl格式，并导入铸造过程仿真分析软件ProCAST；

S3.2：在ProCAST软件中输入实际的铸造模具材料和铸件材料的材料属性；

S3.3：对S3.2中形成的仿真模型进行网格划分；

S3.4：按实际铸造工艺参数设置仿真分析的边界及初始条件，具体包括浇注温度、模具预热温度、浇注速度、换热系数，选择重力铸造方式，对铸造过程的温度场及缺陷进行仿真模拟，得到铸造凝固后的铸件温度场仿真结果；

S3.5：对仿真得到的铸件温度场与S1实际测量得到的铸件温度场进行对比，并根据对比结果对换热系数进行修正，重复步骤S3.4，直到二者温度场最大温度差异小于10％，得到修正后的仿真模型；

S3.6：利用修正后的模型仿真得到铸件缺陷形成区域。

S3.1中无用特征包括螺纹孔、圆角。

S5改进方案为：采用整体式下模，并将缩孔缩松铸造缺陷最多的铸出孔不再铸出，即将三个铸出孔改为两个铸出孔。

S6选择的最优浇注温度为740℃、模具预热温度为220℃、浇注时间为8s。

S7中试铸的具体过程如下：

S7.1：在试铸前保证铝液的精炼除气符合铸造要求，采用密度当量仪测试铝液中的含气量，用公式(1)计算出密度当量值DL，要求DL<2.0％；

其中，式(1)中D_atm为大气状态下的铝试样密度值，D_v为真空度80mbar下铝试样的密度；

S7.2：在试铸前保证铝液的各元素成分符合铸造要求，利用直读光谱仪对材料成分完成检测，与铸造材料要求进行对比；

S7.3：完成试铸，得到有效改善铝合金换挡毂铸件缩孔缩松铸造缺陷的合格铸件。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)采用仿真温度场与实际温度场对比的方法，通过不断修改换热系数，使得有限元模型更加准确；

(2)在冒口设计已经合理，铸件无法配置更多冷铁的情况下，采用改进铸造模具的方法，作为控制铸造缺陷的可行方法，换挡毂铸造模具中采用整体式下模对其他铸造模具设计具有借鉴意义；

(3)该方法结合现场测试，包括温度场测试及探伤检测，并以此为依据，建立了可靠的有限元分析模型，具有较强的有效性，仿真分析结果具有可信性；

(4)该方法以可靠的有限元分析模型为基础，对不同的工艺参数进行仿真分析，得到铸造缺陷最小的工艺方案，达到了缩孔缩松缺陷控制的目的，有效提高了铸件质量，同时在该参数下，开模时间可下降15s，提高了铸造效率。

附图说明

图1为本发明的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法工艺流程图；

图2为本发明实施例中超声波探伤示意图，其中，(a)为测试过程，(b)为测试结果；

图3为本发明实施例中铸件材料热物性参数设置示意图；

图4为本发明实施例中换挡毂铸造有限元模型示意图；

图5为本发明实施例中换挡毂铸造初始条件及边界条件设置示意图；

图6为本发明实施例中换挡毂轴向温度分布对比示意图；

图7为本发明实施例中优化前铸造缺陷仿真分析结果对比示意图；

图8为本发明实施例中优化结构后铸造缺陷仿真分析结果对比示意图；

图9为本发明实施例中优化工艺后铸造缺陷对比示意图，其中，(a)为仿真分析结果，(b)为实际缺陷检测结果。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

S1：利用热像仪在实际铸造开模过程中进行铸件温度检测，获得铸件温度场；

S2：对实际铸造的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，获得实际铸造过程的缩孔缩松铸造缺陷形成区域；

S3：对铸造过程进行计算机仿真分析，仿真得到铸件温度场，并与S1的实际检测结果进行对比，并对模型换热系数进行修正；

S4：利用修正后的模型仿真得到铸件缺陷形成区域；

S5：对模具进行改进研究，将改进方案利用S3得到的修正后的仿真模型进行仿真，直至仿真结果显示铸件的缩孔缩松缺陷与S4的仿真结果相比有明显改善；

S6：利用S3得到的修正后的仿真模型，分别调整浇注温度、模具预热温度和浇注速度，并进行仿真得到铸造缺陷情况，根据仿真结果选择最优的浇注温度、模具预热温度和浇注速度，使得仿真结果与S5的仿真结果相比有明显改善；

S7：利用S5和S6进行的改进完成试铸；

S8：对试铸的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，并与S2的实际检测结果进行对比，证实改进的有效性。

下面结合具体实施例予以说明。

在具体实施过程中，步骤如下：

步骤1：利用热像仪在实际铸造开模过程中进行铸件温度检测，获得铸件实际温度场；

步骤2：对实际铸造的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，包括X射线探伤的全局性检测及超声波探伤的针对性检测，如附图2所示，获得实际铸造过程的缩孔缩松铸造缺陷形成区域；

步骤3：对铸造过程进行计算机仿真分析，仿真得到铸件温度场，并与步骤1的实际检测结果进行对比，具体过程如下：

3.1：使用三维造型软件Creo对换挡毂铸件的模具进行预处理，去除螺纹孔、圆角等无用特征，并将左右外模、顶模底模输出为stl格式，并导入铸造过程仿真分析软件ProCAST；

3.2：在ProCAST软件中输入实际的铸造模具材料和铸件材料的材料属性，如附图3所示；

3.3：对模型进行网格划分，划分网格后的模型如附图4所示；

3.4：按实际铸造工艺参数设置仿真分析的边界及初始条件，边界及初始条件的设置如附图5所示，具体包括浇注温度720℃、模具预热温度180℃、浇注时间12S、换热系数900W/(m²·K)，选择重力铸造方式，利用附图4所示的有限元模型对铸造过程的温度场及缺陷进行仿真模拟，得到铸造凝固后的铸件温度场仿真结果；

3.5：对仿真得到的铸件温度场与步骤1实际测量得到的铸件温度场进行对比，并根据对比结果对换热系数进行修正，当换热系数由900W/(m²·K)调整为950W/(m²·K)时，二者温度场最大温度差异小于10％，如附图6所示；

3.6：利用修正后的模型仿真得到铸件缺陷形成区域，如图7所示；

步骤4：利用步骤3的仿真模型对模具进行改进研究，将改进方案利用步骤3.1～3.6进行仿真，当选取的模具结构为整体式下模，并将缩孔缩松铸造缺陷最多的铸出孔不再铸出，即将三个铸出孔改为两个铸出孔，仿真结果显示铸件的缩孔缩松缺陷有明显改善，如附图8所示；

步骤5：利用仿真模型，分别调整浇注温度、模具预热温度和浇注速度，其工艺参数调整值如表1所示，并仿真得到铸造缺陷情况，选择浇注温度740℃、模具预热温度220℃和浇注时间8S时，铸造缺陷得到明显改善，如图9所示。

表1不同工艺参数调整值

步骤6：在试铸前应该保证铝液的精炼除气以及各元素成分符合要求，为此，采用密度当量仪测试铝液中的含气量，用以下公式计算出密度当量值DL，发现DL≤2.0％符合要求；

并利用直读光谱仪对材料成分完成检测，与材料要求对比发现此次铝液可以进行浇注。

步骤7：在步骤6中完成铝液的制备，并利用步骤4和步骤5进行的改进完成试铸。

步骤8：对试铸的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，并与S2的实际检测结果进行对比，得到有效改善铝合金换挡毂铸件缩孔缩松铸造缺陷的合格铸件，如附图9所示，证实了改进的有效性，同时铸造开模时间由之前的125s降低至108.9s，提高了铸造效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：利用热像仪在实际铸造开模过程中进行铸件温度检测，获得铸件温度场；

S2：对实际铸造的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，获得实际铸造过程的缩孔缩松铸造缺陷形成区域；

S3：对铸造过程进行计算机仿真分析，仿真得到铸件温度场，并与S1的实际检测结果进行对比，并对模型换热系数进行修正；

S4：利用修正后的模型仿真得到铸件缺陷形成区域；

S5：对模具进行改进研究，将改进方案利用S3得到的修正后的仿真模型进行仿真，直至仿真结果显示铸件的缩孔缩松缺陷与S4的仿真结果相比有明显改善；

S6：利用S3得到的修正后的仿真模型，分别调整浇注温度、模具预热温度和浇注时间，并进行仿真得到铸造缺陷情况，根据仿真结果选择最优的浇注温度、模具预热温度和浇注速度，使得仿真结果与S5的仿真结果相比有明显改善；

S7：利用S5和S6进行的改进完成试铸；

S8：对试铸的铝合金换挡毂铸件产品进行缺陷检测，并与S2的实际检测结果进行对比，证实改进的有效性。

2.根据权利要求1所述的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：所述S3中计算机仿真与对比的具体过程如下：

S3.1：使用三维造型软件Creo对换挡毂铸件的模具进行预处理，去除无用特征，并将左右外模、顶模、底模输出为stl格式，并导入铸造过程仿真分析软件ProCAST；

S3.2：在ProCAST软件中输入实际的铸造模具材料和铸件材料的材料属性；

S3.3：对S3.2中形成的仿真模型进行网格划分；

S3.4：按实际铸造工艺参数设置仿真分析的边界及初始条件，具体包括浇注温度、模具预热温度、浇注速度、换热系数，选择重力铸造方式，对铸造过程的温度场及缺陷进行仿真模拟，得到铸造凝固后的铸件温度场仿真结果；

S3.5：对仿真得到的铸件温度场与S1实际测量得到的铸件温度场进行对比，并根据对比结果对换热系数进行修正，重复步骤S3.4，直到二者温度场最大温度差异小于10％，得到修正后的仿真模型。

3.根据权利要求2所述的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：所述S3.1中无用特征包括螺纹孔、圆角。

4.根据权利要求1所述的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：所述S5改进方案为：采用整体式下模，并将缩孔缩松铸造缺陷最多的铸出孔不再铸出，即将三个铸出孔改为两个铸出孔。

5.根据权利要求1所述的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：所述S6选择的最优浇注温度为740℃、模具预热温度为220℃、浇注时间为8s。

6.根据权利要求1所述的铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法，其特征在于：所述S7中试铸的具体过程如下：

S7.1：在试铸前保证铝液的精炼除气符合铸造要求，采用密度当量仪测试铝液中的含气量，用公式(1)计算出密度当量值DL，要求DL<2.0％；

其中，式(1)中D_atm为大气状态下的铝试样密度值，D_v为真空度80mbar下铝试样的密度；

S7.2：在试铸前保证铝液的各元素成分符合铸造要求，利用直读光谱仪对材料成分完成检测，与铸造材料要求进行对比；

S7.3：完成试铸，得到有效改善铝合金换挡毂铸件缩孔缩松铸造缺陷的合格铸件。

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