液力变矩器叶轮重力铸造和低压铸造工艺对比与验证

沙 宇, 闫清东,2, 刘 城,3, 魏 巍,4

(1.北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081; 2.北京理工大学 济南前沿技术研究院, 山东 济南 250300;3.北京理工大学 车辆传动重点实验室, 北京 100081; 4.北京理工大学 重庆创新中心, 重庆 401122)

引言

液力变矩器是利用液体动能传递和转换能量的液力元件,是液力传动的基本单元,其在实现柔性传动的同时又获得无级变速、变矩、隔振等多种优异特性[1-3],因而广泛应用于风力发电、工程机械、军工装备、汽车工业等相关领域[4-5]。液力变矩器核心部件是3个叶轮——泵轮、涡轮和导轮。这些叶轮内均布着一系列空间扭曲的复杂叶片,叶轮强度和制造精度极大影响了液力变矩器的功率密度及液力性能。

国内铸造型液力变矩器传统的铸造工艺为重力铸造,为进一步提高铸造叶轮强度和制造精度,不少研究人员对铸造方法、铸造工艺参数进行仿真和优化研究。在液力变矩器不同铸造方法对比上,马永超等[6]通过理论分析和实际生产发现,与重力铸造相比,低压铸造泵轮显微组织更加致密,出现显微缩松倾向更小,可保证泵轮的性能稳定性。闫秋实[7]将数值模拟技术应用到导轮重力铸造、离心铸造对比发现,离心铸造对铸型、型芯的热冲击更大,加剧了易造成卷气、夹渣、冲砂等缺陷。邓洪超等[8]通过数值分析了导轮重力铸造和低压铸造,结果表明,低压铸造缩松缩孔规律性明显且分布减少,最大等效应力值较大。席志星[9]通过流场仿真分析对比铸造型和冲焊型液力变矩器的性能,进而得出铸造型变矩器性能更优的结论。

在工艺参数分析优化上,杨卓祥等[10]采用AnyCasting对泵轮低压铸造充型凝固及应力场进行数值模拟分析,从工艺方案和工艺控制验证并优化。朱庆宇等[11]发现对于一些结构比较特殊的导轮,整体铸造叶片拔模困难,最终设计出分模铸造方法。王赫[12]通过数值仿真分析了重力铸造、低压铸造、离心铸造等不同工艺参数对液力变矩器的铸造过程及成型质量的影响。XU Wenbo等[13]论述了低压铸造工艺的特点及其浇注系统的设计方案,大大缩短了实际生产周期,而且保证了叶轮铸件的质量。

随着功率密度的提升,叶轮强度指标要求越来越高[14],因此需要对传统的重力铸造工艺升级优化,本研究首先建立不同铸造工艺下铸造过程仿真模型,对重力铸造、低压铸造进行对比研究,并利用仿真确定的铸造工艺参数进行叶轮浇铸和探伤,最后与仿真结果进行对比验证。

1 液力变矩器铸造仿真模型

1.1 液力变矩器叶轮铸造模型

叶轮的铸造模具如图1所示,包括外模体、砂芯、浇道、冒口等。液力变矩器泵轮和涡轮重力铸造和低压铸造的浇注系统均设有1个直浇道和6个横浇道,导轮为1个直浇道和4个横浇道。直浇道有2°的斜度,起到撇渣作用。铸造时排气的设计相当重要,两者的金属液均是自下而上逐步充型,所以气孔设置在上方,并且针对泵轮壁面厚度较大的情况,在外环上端设置了较大的冒口以便补缩。

图1 重力与低压铸造模具

1.2 网格无关性验证

网格对铸造仿真结果影响较大,因此对不同网格大小的模型进行仿真,结果如表1所示。

表1 网格精度及结果

由表可知,仿真计算偏差随着网格数量的提高而降低,在网格尺寸为铸件5、模具15后,进一步增加网格精度, 其差异在3%以内,但网格数急剧增加, 计算时间急剧增加。故选取铸件5、模具15的网格尺寸作为最终的网格精度进行分析。

1.3 铸造仿真模型材料及参数

1) 材料设置

重力铸造使用ZL101A铝合金。该合金是在ZL101的基础上,将杂质含量降低,并且利用微量元素细化组织,使其力学性能提高。重力铸造中,金属模具采用H13钢,砂芯采用覆膜砂。

为了控制变量进而对重力铸造和低压铸造的工艺进行对比,低压铸造的材料、金属模具以及砂芯和重力铸造保持一致。

2) 界面换热系数设置

铸造中不同材料的界面换热系数参考值如表2所示[12]。

表2 界面换热系数的数值范围

浇铸过程中主要涉及到模具、砂芯、铸型、空气四者之间的热交换。模具、铸型材料为金属,砂芯材料为砂,空气为常温下的空气,仿真模型中,模具和铸型之间界面换热系数取1000 W·(m2·K)-1,模具和砂芯之间界面换热系数取300 W·(m2·K)-1,砂芯和铸件之间界面换热系数取500 W·(m2·K)-1。与外界空气的热交换为冷却条件,空气处于室温,界面换热系数取10 W·(m2·K)-1。

3) 铸型的预热

铸造时铝合金温度一般在700 ℃附近,高温铝液和室温下的铸型接触容易产生激冷而局部快速凝固,这样既造成凝固处无法补缩,也容易堵塞浇道,产生浇不足等缺陷。为避免这一情况,一般会对铸型进行预热处理,使得金属液不会激冷而快速凝固,从而保证了其流动性。重力铸造为金属模具和树脂砂砂芯,采用模具预热而砂芯不预热的方式。低压铸造为金属模具和覆膜砂,对结构复杂、薄壁多的涡轮增大预热温度,具体预热温度如表3所示。

表3 低压铸造预热温度

4) 浇注参数

重力铸造在重力作用下充型,无需进行浇铸压力设置,设浇注温度为700 ℃、浇注速度为0.5 m/s。低压铸造浇注温度均设为700 ℃,浇口压力曲线具体如图2所示。低压铸造的充型速度是靠压力来控制的。根据帕斯卡定律,施加的一定压力使得金属液从升液管中向上运动到一定位置。那么只要控制充液时压力曲线的增速和压力大小,使得达到铸型被充满时压力的时间变长,就可以减缓充型金属液流速。

图2 低压铸造压力曲线

此次观察的重点是充型及凝固过程,因此对金属液开始充型进行压力曲线设计。根据变矩器的高度及体积预估充液时间,然后在仿真中观察充液动态,对截面突变导致流速剧变的时段(如图2b涡轮)可以局部放缓压力增速,以达到整体的充型平稳。保压压力则是根据设备及实际情况,一般可取0.15～0.18 MPa。

2 重力铸造和低压铸造的充型、凝固对比分析

2.1 充型速度场对比

对浇铸充型流动过程进行仿真得知, 重力铸造充型很快,泵轮、涡轮、导轮充型时间分别需要2.73 s、2.48 s和1.53 s,图3是叶轮铸造充型过程中速度场分布图。

图3 铸造充型速度场

从图3可以看到,重力铸造当金属液流从横浇道流出后,金属液流不再是单方向充型,出现了回流现象,容易形成浇注的空洞,这种现象在泵轮和涡轮中极为明显,浇注空洞若不能被及时填充就可能出现浇不足等孔洞类缺陷。即使被回流充填,由于该处液流紊乱,极易产生铸造缺陷,组织也不够致密,力学性能下降。

由于回流以及充液空洞现象的存在导致重力铸造容易出现缺陷,同时,重力铸造的充型速度是无法直接控制的,液流在重力作用下充型,无法准确对浇铸过程的速度进行控制,因此流道的变化会导致充型速度出现较大变化,使得液流不平稳,同样容易出现缺陷。

低压铸造可以通过压力曲线的设计控制充型过程,泵轮、导轮、涡轮的充型时间分别延长到31.94 s、30.15 s和37.71 s。由图3可见,由于低压铸造的充型阶段设置的压力曲线增长速度较慢,金属液流速度大致在0.18 m/s以下,而重力铸造局部流速可达0.9 m/s。这使得低压铸造平稳缓慢充型,金属液在流出横浇道开始合流时速度很低,平稳的液流不会往上充型而是平缓地合流,因此不会出现空洞区域,而是从横浇道流出后继续向侧边流动。

对比两种工艺,低压铸造的金属液流充型平缓,充型在压力作用下自下而上进行,全过程的充型速度可通过压力曲线来控制,在液流从横浇道流出即将合流的时候实现了平稳充型,避免了缺陷的产生。

2.2 凝固时间对比

凝固过程对铸件质量也有较大影响,利用仿真模型对凝固时间进行对比分析,如图4所示。

图4 铸造凝固时间

重力铸造在凝固过程中,温度的分布在壁厚变化较大的外环区域容易局部突变,导致出现非顺序凝固情况。重力铸造凝固时间结果可以看到在通道较为狭窄的部位往往更容易率先凝固,这样会阻碍补缩通道,使得远端得不到金属液的补缩。对重力铸造来说,补缩动力主要来源是重力,补缩动力不足,浇道的局部非顺序凝固使得补缩更为困难,导致易出现组织疏松、针孔类缺陷。

低压铸造充型平稳,其温度分布也更为顺序平滑,少有局部突变而导致局部率先凝固的情况。叶轮凝固是从远端到浇口顺次进行,不会阻碍补缩通道。低压铸造的补缩动力主要依靠施加的压力,补缩动力足,组织致密性好。

2.3 缺陷判定及对比

本研究主要利用铸造收缩率和Niyama判据来进行不同浇铸工艺缺陷的对比,如图5所示。铸造收缩率又称铸造线收缩率,在铸件凝固过程中,金属液会冷却并缩小体积,缩小的百分比即收缩率。由于凝固时得不到金属液补缩,重力铸造在最后充型泵轮外环上有较大收缩,整体收缩率在1%附近,容易出现针孔缺陷。

图5 泵轮收缩率及Niyama

低压铸造的泵轮主要收缩部位位于叶片与外环相交处的出流边区域。该区域的缺陷主要是因为壁厚变化较大,存在较大热节,凝固、补缩受到影响。从纵截面看,其内部成型较好,主要收缩都位于浇道部位,不影响本体质量。

Niyama判据利用凝固时铸件的温度梯度和凝固速率来分析出现缩松的可能性,该值越小则越容易出现缩松缺陷[15]。重力铸造的泵轮在外环、叶片区域的Niyama数值较小,表明外环和叶片极可能出现缩松。而低压铸造的泵轮在叶片区域的Niyama数值明显提高,叶片成型质量要优于重力铸造。

重力铸造的涡轮主要缺陷有两处,如图6所示,第一处分布在叶片与内环相交处,第二处分布在横浇道出口,该处的液流复杂,导致组织致密性较差。低压铸造的涡轮成型质量很好,本体上几乎没有明显的收缩区域。在Niyama判据上,重力铸造的涡轮在叶片区域的数值同样明显低于低压铸造的叶片。

图6 涡轮收缩率及Niyama

如图7所示,重力铸造的导轮主要缺陷在叶片与外环上端相交处。该处缺陷的产生主要是由于外环底部先凝固后阻碍补缩通道,导致上端得不到有效的补缩。低压铸造的导轮缺陷明显减少,仅在叶片上偶见局部低收缩率的情况。

图7 导轮收缩率及Niyama

在Niyama判据上,重力铸造的导轮外环上端Niyama数值较低,该处容易出现微观缩松。低压铸造在该区域的Niyama数值从2提高到15,减小缩松出现。

2.4 重力和低压铸造结果对比

经过对充型凝固过程进行分析,并利用不同判据对缺陷进行评价后,得到两种工艺的主要对比结论如表4所示。

表4 重力铸造和低压铸造评价

由表可知,低压铸造由于充型过程可控,流动平稳,顺次凝固且补缩性强,因此其成型质量要明显优于重力铸造,本研究采用低压铸造工艺对某液力变矩器叶轮进行浇铸,并与仿真结果进行对比验证。

3 铸造仿真模型验证

低压铸造叶轮采用金属外模和覆膜砂砂芯,利用热芯盒进行砂芯的快速成型(如图8所示),浇铸时主要工艺参数如第2节所示,观察表面质量并利用X射线实时成像检测仪进行探伤。如图9所示, 低压浇铸表面光整,没有针孔浇不足等缺陷。

图8 砂芯

图9 铸件表面质量

如图5所示,在低压铸造仿真中,泵轮的主要缺陷集中在叶片与外环相交壁面,尤其是叶片出流边附近。图10为探伤结果,可以看到在叶片顶部与外环相交的一圈出现密集的黑色斑点,这就是缩孔,这与仿真结果较吻合。

图10 泵轮主要缺陷部位

图11是涡轮缺陷图,涡轮整体成型质量较好,内外环没有明显缩孔,与仿真结果吻合。

图11 涡轮主要缺陷部位

图12是导轮的探伤图,图中黑色代表实心区域,白色代表空心区域,黑色区域中的白点即代表了缩孔缺陷。可以看到浇口区域存在严重的缩孔存在。在内外环其他区域并没有明显的针孔类缺陷出现,与仿真结果吻合度较高。

图12 导轮主要缺陷部位

4 结论

本研究建立了液力变矩器叶轮的铸造仿真模型,对重力铸造和低压铸造工艺进行对比分析,并进行了试铸及验证,主要结论如下:

(1) 低压铸造的液力变矩器叶轮铸造质量要明显优于重力铸造。相比于重力铸造,低压铸造受到可控充型压力作用,充型过程更平稳,且金属液补缩性好,同时,低压铸造整体上按照“后充型先凝固”原则顺序凝固,不易出现“液体孤岛”,整体上收缩率较小,缩松缩孔出现概率大大降低,组织致密性提升,力学性能较优;

(2) 数值模拟技术可以有效预测铸造过程,为设计、优化和分析提供依据。ProCAST铸造仿真软件可以预测实际浇铸过程的具体状况,预测结果与实际浇铸结果吻合度高,具有较高的生产指导意义。ProCAST可以方便地看到充型凝固过程的液流状态,预测缺陷并且为缺陷原因分析和改进提供指导;

(3) 泵轮低压铸造存在的缺陷位置主要集中在叶片与外环相交壁面,尤其是叶片出流边附近。这个部位的泵轮外环为了与外界装配而厚度激增,因此导致该部位容易存在热节而出现收缩等缺陷。针对该缺陷,可以对泵轮外环的结构进行重新设计,适当增大外环厚度变化部位的过渡圆角,以避免厚度突变导致的缩松等缺陷。也可以在该部位增设冷铁,以加快冷却。