液力变矩器叶轮不同铸造成型工艺充型过程对比研究

液力变矩器叶轮不同铸造成型工艺充型过程对比研究
闫秋实
【摘要】铸造工艺的特点是高温、密闭,铸造过程难以实时观察,传统的工艺设计是建立在“试错”基础上,很难体现出科学性.本文以液力变矩器导轮为例,采用数值模拟的方法对导轮重力铸造、离心铸造过程进行仿真,实时观察、分析了两种不同铸造成型工艺熔融金属液进入铸型型腔后速度场分布,并对铸造结果和缺陷进行预测.【期刊名称】《世界有色金属》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】2页(P61-62)
【关键词】导轮;铸造成型;数值模拟
【作者】闫秋实
【作者单位】北华大学汽车与建筑工程学院,吉林吉林132013
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.332
液力变矩器工作叶轮的制造精度直接影响其传动性能，其成型方法主要有焊接成型和铸造成型两种[1,2]。

铸造成型是将熔融金属液注入变矩器叶轮铸型型腔、冷却整体成型的工艺。

铸造型液力变矩器叶轮结构连续性好，能够有效减小其内部工作介质流动恶化，增大变矩系数、拓宽高效范围、提高传动效率。

特别是对于空间扭曲、不等厚的流线型叶片，其它成型工艺很难实现，只能通过整体铸造成型。

本文以液力变矩器导轮为例，研究重力铸造、离心铸造过程中，熔融金属液在铸型腔内
速度场分布，并依据金属液充型状态和特点，对导轮铸件成型质量进行分析预测。

随着液力变矩器的应用领域不断扩展，对其叶轮铸造的精密性、质量与可靠性等要求也越来越高，因此有必要采用数值分析方法对变矩器铸造工艺过程进行系统、深入研究，以优化铸造工艺，提高变矩器叶轮铸件质量[3]。

本文以循环圆直径D=345mm某型液力变矩器导轮（铸铝件，铸造材料为ZL104）为研究对象，依据导轮铸件实际尺寸，如表1所示，利用三维造型软件UG构建
其三维结构模型，应用Hypermesh划分网格模型，如图1所示。

导轮铸件材料
为ZL104。

分析其结构特点可知，液力变矩器导轮由内环、外环和若干不等厚叶片构成，空间结构相对复杂，不同曲面结构交连，叶片厚度变化大，铸造难度较大。

研究过程中，应用铸造工艺仿真软件ProCAST，采用有限元法对导轮铸造工艺过程进行模拟计算，结合数据库和可视化技术，分析导轮铸件在重力铸造、离心铸造工艺下充型速度场分布与变化。

为了得到导轮轮铸件开始凝固时的温度分布，使分析结果更接近生产实际，本文对充型流场及凝固温度场进行耦合计算[4-6]。

导轮重力铸造、离心铸造数值模拟的初始条件如表2所示。

图2、图3分别为重力铸造、离心铸造不同时刻导轮型腔内金属液速度场分布。

其中重力铸造颜色标尺代表充型金属液温度，离心铸造颜色标尺代表充型金属液速度。

金属液充
型速度矢量参看各图右上角显示数值。

分析图2可知，重力铸造过程中，充型金属液液流极不平稳，高温金属液流出横
浇道后，沿叶片型腔直接冲击导轮铸型，并以此为积聚点逐渐填充型腔其他部分，整个充型过程金属液液流极不平稳。

高温金属液频繁冲击铸型的某一区域，会导致局部过热，增大该处热容量，最终因散热状况不良而出现铸造缺陷。

分析可知，导轮重力铸造会产生少量缩孔，主要分布于叶片与内环交接处，呈对称分布，主要是
由于充型过程熔融金属液通过型芯叶片腔对该处进行热冲击引起局部过热、且冷却凝固过程中得不到有效补缩所致。

分析图3可知，离心铸造过程中，金属液进入导轮型腔后，在离心力和重力的共
同作用下，迅速以螺旋运动充填导轮型腔，金属液流前沿为高速液流点，且局部高速度液流前沿在充型过程中始终存在，不断对金属铸型、砂芯产生热冲击，导致铸型寿命变短，并且造成铸件局部过热而引发铸造缺陷[7]。

分析可知，与重力铸造相反，离心铸造缩孔、缩松缺陷主要分布在导轮外环与叶片交接处，呈环状均匀分布，主要是由于该处是导轮离心铸造过程金属液最后充填的位置，气泡及金属残渣被夹在金属液中间，不易排出型腔，凝固过程中又未能得到很好的补缩而产生大量的孔洞类缺陷。

对比导轮两种不同铸造成型方式可知，重力铸造金属液流的平稳性稍好于离心铸造，但金属液充型无序性更差；离心铸造金属液充型迅速，且在重力和离心力的共同作用下补缩，效果更佳[8]。

导轮重力铸造，金属液在重力作用下充填型腔，流动方向、流动形式可控性差，易出现湍流现象，产生局部热冲击。

凝固过程中，主要通过冒口或补缩通道对导轮铸件进行补缩，补缩动力为金属液自身重力，补缩效果一般。

导轮离心铸造，金属液在离心力和重力的作用下充填型腔，瞬间即可完成充型，金属液流动方式为螺旋运动，充型过程极不平稳，且金属液液流前沿速度远大于重力铸造，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。

但离心力在凝固过程中提供补缩动力，合理利用可提高导轮铸件的致密度。

【相关文献】
[1] 前田安郭,彭惠民．铸造仿真技术的现状和今后的课题[J]．国外机车车辆工艺，2012（2）：9-11+31．
[2] 闫清东，刘树成，姚寿文，李晋．大功率液力变矩器叶轮强度有限元分析[J]．兵工学报，2011（2）：141-146．
[3] 于文斌，程南璞，尚广耀，游志全．坦克液力变矩器传动轮泵轮的重力铸造工艺[J]．铸造技术，2006（9）：950-952．
[4] 朱庆宇，杨卓祥．液力变矩器导轮铸造工艺方法的改进[J]．工程机械，2008（7）：64-65．
[5] 张军．立式离心铸造充型过程数值模拟[D]．武汉：华中科技大学，2011．
[6] 宋广．离心铸造装置设计及充型凝固过程实验研究与数值模拟[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．
[7] Rao Shrikantha S，Shailesh，Mukunda P G，Rao Shrikantha S，Sudhakar K G．．Inference of optimal speed for sound centrifugal casting of Al-12Si alloys[J]．JOM，2011（63）：25-29．
[8] 李日，马军贤，崔启玉．铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通[M]．北京：中国水利水电出版社，2010．。