阶梯缓流式浇注系统在差速器壳体的应用研究.pdf

2023 年第 S2 期工艺试验与应用41阶梯缓流式浇注系统在差速器壳体的应用研究差速器壳体（简称：“差壳”）是组成差速器的关键部件，起着承载、联结、传递动力的作用，要求具备较高的结构强度和韧性，材料通常选用球墨铸铁。由于差壳具有壁厚分布不均匀、热节多且孤立的结构特点，在铸造过程中极易产生缩孔和冲砂缺陷，业内多采用布置冷铁、增加发热冒口的方式来改善补缩效果；通过整体组芯或型腔喷涂的方式来增强抗冲砂性能。具体工艺方案及特点如下所述。方案 1：将差壳大部分结构布置在上型，分型面设置在法兰上表面，采用侧边冒口引入铁液的底注式浇注系统，如图 1 所示。该方案的砂芯结构简单，浇注充型平稳，具有法兰面冲砂隐患小、下芯便捷的特点。由于冒口距离法兰根部及腔体距离较远，且温度分布上低下高，不利于顺序凝固和冒口补缩，需在局部区域增设冷铁或保温/发热冒口。图 1 底注工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of bottom injection process方案 2：将差壳大部分结构布置在下型，分型面设置在法兰上表面，采用侧边冒口引入铁液（也可将冒口与内浇道分开布置，冒口改为发热冒口或内置发热块）的顶注式浇注系统，如图 2 所示。该方案具有较高的压力头，充型温度自上而下逐渐降低，有利于顺序凝固和冒口补缩。但铁液在充型过程中落差较大，冲刷路径长且对型腔底部冲击力较大，冲砂隐患较高，需要同步设置全组芯工艺，砂芯结构复杂且整体制造成本相对较高1。图 2 顶注工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of top injection process为进一步简化制造流程、降低制造成本，本项目重点从产线选择、砂芯设计、浇注系统优化方面，介绍 1017 型差速器壳体的研发过程及缺陷解决方案。1017 型差速器壳体毛重 16 kg，材质为 QT600-3，尺寸340 mm180 mm，壁厚范围 825 mm。产品结构如图3 所示。图 3 1017 型差速器壳体零件图Fig.3 Parts drawing of 1017 differential housing张伟光，高守俊，李兴玉，郑锐（合肥江淮铸造有限责任公司，安徽 合肥 231137）摘要：1017 型差速器壳体具有壁厚分布不均匀、热节多且孤立的结构特点，在铸造过程中极易产生缩孔和冲砂缺陷，通过设计带顶冒口的阶梯缓流式浇注系统和整体式砂芯，结合数值模拟优化，降低了内浇道流速，改善了法兰根部补缩效果，获得了内部组织致密、表面平整光洁的差速器壳体铸件，满足规模化生产需求。关键词：差速器壳体；缩孔；冲砂；浇注系统；数值模拟中图分类号：TG244文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）S2 0041 05收稿日期：2023-03-10修定日期：2023-09-16作者简介：张伟光（1987-），男，河北省石家庄市人，毕业于合肥工业大学材料成型及控制工程专业，工程师，主要从事新产品的铸造工艺研究及量产推进工作，E-mail:M。422023 年第 S2 期工艺试验与应用11017 型差壳铸件的铸造工艺方案1.1设计思路为规避上述工艺方案中存在的质量风险及高成本压力，并进一步实现生产效率的提升，笔者公司采用了迪砂垂直造型生产线，一型一件布局。该方案面临的主要工艺难点有以下几点2，如图 4所示。（1）A1、A2 环形热节区域距离法兰边缘较远，缩孔隐患大；（2）B1 区域位于型腔底部区域，且存在大平面结构，冲砂隐患大；（3）砂芯设计需要具备结构简单、下芯便捷且定位精度高的工艺特点。1.2工艺方案拟设计阶梯式浇注系统，内浇道分为两层，分别开设在铸件的底部和顶部，其中顶部浇道与冒口相通，直浇道、横浇道及内浇道之间采用多次搭接的方式对流速和流量进行控制。其中，流速控制方案见表 1，冒口补缩方案见表 2。表 1 流速控制方案对比Tab.1 Comparison of flow rate control schemes方案方案 1方案 2方案 3设计要点底注浇道从侧面引入；最小阻流在直浇道中部；封闭-开放式浇注系统。底注内浇道在铸件正下方引入；最小阻流在直浇道末端，采用搭接结构；底注横浇道至末端的截面积保持不变；封闭-开放式浇注系统。底注内浇道在铸件正下方引入；最小阻流在直浇道中部，采用搭接结构；底注横浇道至末端的截面积由大到小递减；封闭-开放式浇注系统。模流分析效果评价浇注初期，底部内浇道呈非充满状态，流速快且液面紊乱。内浇道大部分区域流速高达 1 m/s，存在较大的冲砂/卷气隐患。浇注初期，底部内浇道呈充满状态，铁液经直浇道末端阻流后未及时减速即进入内浇道，导致局部流速达 1 m/s，充型液面不平稳。浇注过程中，内浇道呈充满状态，铁液经最小阻流至底部内浇道的过程中速度递减，充型液面平稳，最大流速0.6 m/s。差较差优经对比分析及多次优化，采用了表 1 中“方案 3”中所述工艺来控制各浇注组元的流速和流量，最大限度降低铸件冲砂隐患。图 4 缩孔隐患区域（A1、A2）及冲砂隐患区域（B1）Fig.4 Hidden areas of shrinkage holes(A1,A2)and sand flushing(B1)2023 年第 S2 期工艺试验与应用43表 2 冒口补缩方案对比Tab.2 Comparison of riser feeding schemes方案方案 A方案 B方案 C设计要点沿大径外缘设置一个搭边顶冒口和一个侧冒口。沿大径外缘设置一个搭边顶冒口。在法兰平面上距离热节约 60 mm 处设置一个顶冒口。补缩通道对比浇注开始后第 75 s，冒口与铸件液相区相分离。浇注开始后第 70 s，冒口与铸件液相区相分离。浇注开始后第 125 s，冒口与铸件液相区相分离。缩孔区域对比热节区域存在多个缩孔。热节区域存在多个缩孔。热节区域存在小概率缩松。温度分布对比顶冒口温度较低，型腔温度分布不均衡。顶冒口温度较低，型腔温度分布不均衡（左高右低）。顶冒口温度较高，型腔温度分布均衡。效果评价较差较差优442023 年第 S2 期工艺试验与应用结合表 1 和表 2 的对比分析结果，最终确定浇注系统方案如图 5 所示。其中，冒口类型为遵循顺序凝固规律的“通用冒口”，冒口模数大于铸件热节模数（热节圆法计算模数）；顶层内浇道直接从冒口引入，有效提高了冒口温度和液态保持时间，理论上可将冒口补缩效率提升至30%35%；为降低铁液对直浇道底部的冲击作用，在底注直浇道末端和底注横浇道末端设置有缓冲窝座；设计封闭-开放式浇注系统，上层内浇道与下层内浇道流量比为 37，S阻流S底注横浇道S底注内浇道=123；理论浇注时间 8 s3。此外，由于冒口颈开设在距离铸件热节较近的法兰平面上，内浇道需要从砂芯中引入，如图 6 所示。该砂芯结构的设计要点为：质量小、强度高、易成型、下芯定位度高。图 5 1017 差壳浇注系统方案Fig.5 1017 differential shell pouring system scheme图 6 1017 差壳砂芯结构图Fig.6 Structure diagram of 1017 differential housing sand core2试验效果生产试制结果表明，1017 型差速器壳体铸件表面平整光洁无砂孔，冒口补缩效果良好，如图 7 所示。制造参数测算：浇注时间 9 s/型，造型节拍 12 s/型，工艺出品率58%。铸件整体质量水平及生产效率满足规模化生产需求。（a）砂芯 （b）铸件与浇注系统 （c）冒口切割 （d）铸件切割图 7 实物展示Fig.7 Physical display2023 年第 S2 期工艺试验与应用453结语（1）合理设计底注为主、顶注为辅的阶梯式浇注系统，可兼有顶注工艺和底注工艺的优势。其中，底注为主有利于大部分铁液通过下层内浇道流入型腔，减小了顶部内浇道进液的冲刷作用，配合多次搭接的浇道结构，可将底注内浇道流速控制在 0.6 m/s 以内，有效降低冲砂隐患，顶注浇道通过加热冒口，建立从冒口到铸件热节间的温度梯度，有助于冒口补缩效果的提升。（2）在借鉴原有设计经验的同时，采用数值模拟软件对浇注系统的充型速度、温度分布、流量分布、缩孔倾向等特性进行充分评估，有助于明确设计优化方向，从而提升研发效率。（3）砂芯结构的灵活设计能够为浇注工艺的实现提供有力支撑，在满足其使用功能的同时还可兼顾成本因素。参考文献1杨春霞.球铁差速器顶冒口浇注工艺 J.中国铸造装备与技术，2022，57（1）：93-96.2王瑞平.差速器壳球铁铸件的垂直分型铸造工艺 J.铸造设备研究，2002（6）：37-38.3王文清，李魁盛.铸造工艺学 M.北京：机械工业出版社，2002：249-329.Application of Stepped Slow Flow Gating System in the Development of Differential HousingZHANG Weiguang,GAO Shoujun,LI Xingyu,ZHENG Rui(Hefei Jianghuai Casting Co.,Ltd.,Hefei 231137,Anhui China)Abstract:The 1017 differential housing has the structural characteristics of uneven wall thickness distribution,multiple and isolated hot spots,and it is very easy to produce shrinkage cavity defects and sand washing defects in the casting process.Through the design of stepped slow flow gating system with top riser and integrated sand core,combined with numerical simulation optimization,the flow rate of inner gate was reduced,the feeding effect of flange root was improved,and the differential housing castings with dense internal structure and smooth surface were obtained,meeting the requirements of industrial production.Key words:differential housing;shrinkage;sand washing;gating system;numerical simulation（编辑：蔡文娟，）