劉 連

隨著現(xiàn)在社會汽車的大量引入，對剎車盤的這種消耗部件需求也與日俱增。剎車盤是制動系統(tǒng)中一個很重要的部件，關(guān)系到人身安全問題，因此對剎車盤的內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格。特別是剎車盤的工作表面不允許存在縮孔疏松缺陷，否則將影響制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，運行過程中也將有噪音產(chǎn)生，并存在抖動現(xiàn)象。

剎車盤鑄造工藝采用的是砂型鑄造，鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。由于砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長期以來，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。但砂型鑄造會出現(xiàn)典型的氣孔、縮孔疏松等常發(fā)性鑄造缺陷，對于剎車盤這一高質(zhì)量要求的鑄件來說，將是一個挑戰(zhàn)[1-3]。當(dāng)前，鑄造過程模擬計算已成為解決鑄件缺陷的一種有效手段，廣泛應(yīng)用于鑄件工藝優(yōu)化[4-6]。

基于企業(yè)的連續(xù)鑄造剎車盤生產(chǎn)線特點，本文運用鑄造模擬計算手段，分析鑄件中缺陷產(chǎn)生的部位及形成原因，形成適合連續(xù)鑄造剎車盤鑄件的優(yōu)化工藝，發(fā)揮連續(xù)生產(chǎn)線優(yōu)勢，滿足企業(yè)高質(zhì)量、高效率的要求。

1 剎車盤鑄件生產(chǎn)難點分析

本文討論的剎車盤應(yīng)用于房車上，由于房車的特殊性，剎車盤形狀特殊，壁厚更薄，平均壁厚在20 mm左右，中間輪轂處有凸起，見圖1。由于鑄件要在連鑄機上完成澆注，澆注空間比較有限，鑄件必須立式澆注，這樣輪轂處的凸起完全阻礙了冒口的補縮作用。連鑄機上的沙箱大小又限制澆注系統(tǒng)的尺寸，需要在有限的尺寸內(nèi)控制澆注速度，防止發(fā)生紊流，除此之外，也不能放置冷鐵。顯然，由于生產(chǎn)線設(shè)置及鑄件工作面的高質(zhì)量要求，將對鑄造工藝提出更高要求。

圖1 剎車盤鑄件圖Fig1 Casting of brake disc

2 原工藝模擬與試驗

2.1 實體建模

通過ProE建模，用ans格式導(dǎo)出文件。在Procast中的Meshcast打開文件，然后進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計Fig2 Design of gating system

2.1 內(nèi)澆口位置的設(shè)置

如圖2所示，由于鑄件的壁厚很薄，首先把內(nèi)澆口設(shè)在鑄件的下方，45°放置。考慮剎車盤的質(zhì)量要求和加工成本，橫澆道要做成易切澆道，如圖3。

2.2 鑄造工藝模擬參數(shù)設(shè)置

鑄件材質(zhì)采用HT250，澆注溫度1 410℃。砂型選用樹脂砂，沙箱在室溫條件下澆注，砂型與鑄件的表面換熱系數(shù)設(shè)置為530 W/(m2·K)，沙箱表面空冷。

圖3 內(nèi)澆道橫切面Fig3 Transversesection of Ingate

2.3 鑄造工藝模擬結(jié)果分析

圖4 模擬結(jié)果顯示，由于橫澆道突然變寬，發(fā)生紊流，會導(dǎo)致在橫澆道發(fā)生鋼水卷氣，但進(jìn)入鑄件型腔后鋼水充型平穩(wěn)。該工藝條件下缺陷位置如圖5所示，由于鑄件屬于薄壁件，散熱較快，所以鑄件周圍會先凝固，而中間輪轂壁厚較厚區(qū)域?qū)⒆詈竽?。這種凝固順序及薄壁件特點，導(dǎo)致氣體不易上浮，鑄件本身又沒有采用冷鐵工藝，通過工藝模擬結(jié)果可以看出鑄件主要存在兩類缺陷：1）一類是存在中間輪轂處的縮孔疏松缺陷，小尺寸缺陷可以存在；2）另一類缺陷主要存在鑄件邊緣的工作面部位，此為不被容許缺陷，該類缺陷應(yīng)與氣孔類缺陷相關(guān)。

進(jìn)一步對工作面氣孔類缺陷進(jìn)行分析，氣孔主要產(chǎn)生原因為內(nèi)澆道卷氣，使大量氣體在內(nèi)澆道中產(chǎn)生負(fù)壓，結(jié)合鑄件的特殊結(jié)構(gòu)使氣體不能及時排出，最終產(chǎn)生氣孔，在原工藝實際生產(chǎn)剎車盤鑄件中，如圖6所示，在工作面上發(fā)現(xiàn)這類缺陷。根據(jù)計算機模擬結(jié)果和試樣件的鑄造綜合看出模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的缺陷一致。

圖4 橫澆道卷氣Fig4 Air entrainment from runer

圖5 缺陷傾向部位Fig5 Defectspart

圖6 試驗件的缺陷位置Fig6 Defects part of experimental casting

3 優(yōu)化工藝的模擬與試驗

3.1 優(yōu)化工藝

通過對原工藝模擬及與試驗件檢查結(jié)果對比，可以看出澆注系統(tǒng)設(shè)計是導(dǎo)致工作面存在卷氣缺陷的原因。

優(yōu)化工藝中：1）克服原工藝中鋼水從小尺寸橫澆道直接進(jìn)行大尺寸內(nèi)澆道時卷氣問題，延長橫澆道長度；2）進(jìn)入的鋼水在大尺寸內(nèi)澆道內(nèi)很容易卷氣，改變內(nèi)澆道與鑄件進(jìn)入的角度，由原來斜向上45°改為水平進(jìn)行，加強氣體排出，新的澆注系統(tǒng)設(shè)計如圖7、8所示。

圖7 改進(jìn)澆注系統(tǒng)Fig7 Improved gating system

圖8 改進(jìn)內(nèi)澆道Fig8 Improved ingate

3.2 模擬結(jié)果與試驗件試制

根據(jù)上次模擬數(shù)據(jù)重新設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模擬計算。從圖9內(nèi)澆道流場可見，鋼水充型平穩(wěn)，內(nèi)澆道充型沒有卷氣現(xiàn)象。從圖10鑄件凝固順序來看，鑄件最后的凝固區(qū)域依然在輪轂處壁厚最厚的地方，有產(chǎn)生疏松傾向。根據(jù)圖11模擬結(jié)果可以看出疏松孔隙度在0.098以下，為鑄件正常范圍。優(yōu)化工藝顯示在工作面已消除氣孔缺陷，采用該工藝試驗件完成達(dá)到質(zhì)量要求。

圖9 改進(jìn)后橫澆道Fig9 Improved runner

圖10 鑄件凝固順序Fig10 Solidification sequence of casting

圖11 縮孔缺陷Fig11 Defectsof shrinkagecavities

4 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用Procast軟件對鑄件澆注工藝進(jìn)行模擬，可直觀地觀察鑄件的充型平穩(wěn)程度和凝固過程的先后順序，以及溫度變化，實現(xiàn)了對縮孔、疏松出現(xiàn)的位置的預(yù)測?，F(xiàn)形成結(jié)論如下：

（1）通過試驗與模擬結(jié)果對比，原工藝中澆注過程卷氣是剎車盤工作面存在缺陷的主要原因；

（2）通過對原澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，解決了工作面上的缺陷問題，經(jīng)試驗件驗證，該優(yōu)化工藝可以滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

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