汽車鋁合金制動器安裝底板重力鑄造工藝優(yōu)化

隨著人民生活水平的提高和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，中國汽車的產(chǎn)量逐年增加。因此，汽車的能源消耗和尾氣排放造成的資源短缺和環(huán)境污染問題日益加劇。世界鋁業(yè)協(xié)會的報(bào)告指出，汽車的自身質(zhì)量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%本文以汽車鋁合金后制動器安裝底板為研究對象，采用一模兩件金屬型重力鑄造方法進(jìn)行鑄造，左、右后制動器安裝底板對稱布置。利用MAGMASOFT軟件對原始工藝進(jìn)行數(shù)值模擬并基于鑄件原始工藝的數(shù)值模擬結(jié)果，對鑄件的澆注系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高鑄件的質(zhì)量。1原始工藝分析1.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)鑄件原始工藝三維模型如圖1所示。鑄件厚度比較均勻，六個安裝孔凸臺高度為3mm，其余部分厚度均為20mm，三維尺寸為165mm×162mm×23mm。原始工藝方案中采用底注式澆注系統(tǒng)，左右鑄件、內(nèi)澆道以及橫澆道均為對稱布置，在左右鑄件中間開設(shè)圓柱形直澆道。通過對原始澆注系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，由于內(nèi)澆道的厚度小于鑄件厚度，內(nèi)澆道的凝固速度比鑄件快，對鑄件起不到補(bǔ)縮的作用，容易使鑄件下端的熱節(jié)區(qū)域產(chǎn)生縮孔縮松的缺陷。1.2材料及主要熱物性參數(shù)的設(shè)計(jì)汽車鋁合金后制動器安裝底板材料為ZL105A，主要化學(xué)成分如表1所示。金屬型模具材料選用H13。鑄件和模具材料的主要熱物性參數(shù)如表2所示。將原始工藝方案的三維模型保存為stl格式文件，導(dǎo)入MAGMASOFT軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)定及模擬計(jì)算。金屬液澆注溫度為720℃，模具溫度為330℃，澆注時間為6s，冷卻方式為自然風(fēng)冷。1.3初始凝固過程原始工藝的鑄件充型溫度場如圖2所示。當(dāng)澆注持續(xù)時間1.86s時，鋁液充型不平穩(wěn)，鑄件外端面鋁液的液面高度比圓孔端面處高，出現(xiàn)了卷氣現(xiàn)象，如圖2(a）中圓圈所示，容易造成氣孔、氧化夾渣的缺陷，影響鑄件質(zhì)量；當(dāng)澆注持續(xù)時間2.46s時，鋁液的液面最高處出現(xiàn)了飛濺現(xiàn)象，如圖2(b）中圓圈所示，容易使鋁液液面的氧化膜發(fā)生破裂，氧化物殘留在鑄件中，出現(xiàn)氧化夾渣的缺陷，增加鑄件的廢品率；當(dāng)澆注持續(xù)時間4.26s時，鋁液充滿鑄件，開始充型鑄件頂部的明冒口。由圖2可知，鑄件澆注過程中，鋁液液面的最低溫度均高于液相線溫度，能夠保證鋁液具有良好的流動性，說明鋁液澆注溫度和模具預(yù)熱溫度的選擇是合理的，但是由于充型時間短、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，使得鋁液充型速度過快產(chǎn)生卷氣、飛濺的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔、氧化夾渣等缺陷。原始工藝鑄件凝固過程的固相率分布圖如圖3所示。鑄件呈中心圓孔向外逐漸凝固，最后凝固的區(qū)域?yàn)闈驳篮兔翱凇ｈT件頂部有明冒口，有利于鑄件充型過程中的排氣，并且對鑄件頂部起到良好的補(bǔ)縮作用。在鑄件凝固過程中，鑄件底部內(nèi)澆口附件區(qū)域出現(xiàn)了孤立液相區(qū)，如圖3(b）中1、2所示，將會導(dǎo)致鑄件凝固結(jié)束后在該區(qū)域出現(xiàn)大面積縮孔縮松缺陷。原始工藝的縮孔分布圖如圖4所示。圖中的深色區(qū)域表示該處有發(fā)生縮孔、縮松缺陷的可能性，且顏色越深、面積越大，說明發(fā)生缺陷的概率就越大2工藝優(yōu)化分析2.1注系統(tǒng)工藝優(yōu)化方案利用MAGMASOFT對原始工藝進(jìn)行數(shù)值模擬并對結(jié)果進(jìn)行分析可知，原始工藝方案中澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠合理，使得充型不平穩(wěn)，產(chǎn)生了卷氣和飛濺的現(xiàn)象，并且鑄件凝固時出現(xiàn)了孤立液相區(qū)，造成鑄件完全凝固后產(chǎn)生嚴(yán)重的縮孔、縮松缺陷。因此，提出圖5所示的工藝優(yōu)化方案。采用開放式澆注系統(tǒng)，將直澆道設(shè)計(jì)為蛇形澆道，可以有效防止鋁液飛濺產(chǎn)生氧化夾渣等缺陷2.2凝固結(jié)果及分析工藝優(yōu)化后的鑄件充型溫度場如圖6所示。工藝優(yōu)化后鋁液充型速度緩慢，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)充型，解決了原工藝方案中出現(xiàn)的卷氣、飛濺的問題。鋁液在澆注過程中，液面最低溫度均高于液相線溫度，鋁液的流動性良好，鋁液能夠順利充滿型腔，說明了澆注系統(tǒng)和澆注時間的優(yōu)化合理。工藝優(yōu)化后鑄件凝固過程的固相率分布圖如圖7所示。由于增加了冷鐵對鑄件下端的熱節(jié)區(qū)域進(jìn)行冷卻，鑄件在凝固過程中沒有出現(xiàn)孤立液相區(qū)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)由鑄件中心孔向澆道和冒口方向的順序凝固，將縮孔、縮松缺陷轉(zhuǎn)移到澆道和冒口中，得到致密的高質(zhì)量鑄件。工藝優(yōu)化后縮孔分布圖如圖8所示。由圖8可看出，在鑄件下端熱節(jié)區(qū)域增加銅塊對其進(jìn)行冷卻后，原工藝方案中鑄件的縮孔、縮松缺陷已被消除。說明增加銅塊進(jìn)行冷卻，能夠有效避免鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。鑄件的小凸臺區(qū)域凝固較慢，可能會產(chǎn)生微縮孔，生產(chǎn)時減小該區(qū)域的涂料厚度，可避免該處產(chǎn)生縮孔。3凝固結(jié)果分析(1）利用數(shù)值模擬分析軟件對原始工藝方案進(jìn)行充型過程溫度場、凝固過程的固相率分布以及縮孔缺陷分析，發(fā)現(xiàn)原始工藝方案中的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，鋁液澆注時產(chǎn)生卷氣、飛濺的現(xiàn)象，鑄件下端的熱節(jié)區(qū)域在凝固過程中存在孤立液相，鑄件完全凝固后存在縮孔、縮松的缺陷。(2）通過對原始工藝方案的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，提出了對澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、增加澆注時間以及增加銅塊進(jìn)行冷卻的優(yōu)化方案。該優(yōu)化方案使得鋁液充型平穩(wěn)，鑄件由中心孔向兩端凝固，將縮