汽车铝合金制动器安装底板重力铸造工艺优化

汽车铝合金制动器安装底板重力铸造工艺优化

随着人民生活水平的提高和汽车工业的快速发展，中国汽车的产量逐年增加。因此，汽车的能源消耗和尾气排放造成的资源短缺和环境污染问题日益加剧。世界铝业协会的报告指出，汽车的自身质量每减少10%，燃油的消耗可降低6%～8%本文以汽车铝合金后制动器安装底板为研究对象，采用一模两件金属型重力铸造方法进行铸造，左、右后制动器安装底板对称布置。利用MAGMASOFT软件对原始工艺进行数值模拟并基于铸件原始工艺的数值模拟结果，对铸件的浇注系统进行了优化设计，以提高铸件的质量。1原始工艺分析1.1浇注系统设计铸件原始工艺三维模型如图1所示。铸件厚度比较均匀，六个安装孔凸台高度为3mm，其余部分厚度均为20mm，三维尺寸为165mm×162mm×23mm。原始工艺方案中采用底注式浇注系统，左右铸件、内浇道以及横浇道均为对称布置，在左右铸件中间开设圆柱形直浇道。通过对原始浇注系统进行分析可知，由于内浇道的厚度小于铸件厚度，内浇道的凝固速度比铸件快，对铸件起不到补缩的作用，容易使铸件下端的热节区域产生缩孔缩松的缺陷。1.2材料及主要热物性参数的设计汽车铝合金后制动器安装底板材料为ZL105A，主要化学成分如表1所示。金属型模具材料选用H13。铸件和模具材料的主要热物性参数如表2所示。将原始工艺方案的三维模型保存为stl格式文件，导入MAGMASOFT软件中进行网格划分、参数设定及模拟计算。金属液浇注温度为720℃，模具温度为330℃，浇注时间为6s，冷却方式为自然风冷。1.3初始凝固过程原始工艺的铸件充型温度场如图2所示。当浇注持续时间1.86s时，铝液充型不平稳，铸件外端面铝液的液面高度比圆孔端面处高，出现了卷气现象，如图2(a）中圆圈所示，容易造成气孔、氧化夹渣的缺陷，影响铸件质量；当浇注持续时间2.46s时，铝液的液面最高处出现了飞溅现象，如图2(b）中圆圈所示，容易使铝液液面的氧化膜发生破裂，氧化物残留在铸件中，出现氧化夹渣的缺陷，增加铸件的废品率；当浇注持续时间4.26s时，铝液充满铸件，开始充型铸件顶部的明冒口。由图2可知，铸件浇注过程中，铝液液面的最低温度均高于液相线温度，能够保证铝液具有良好的流动性，说明铝液浇注温度和模具预热温度的选择是合理的，但是由于充型时间短、浇注系统设计不合理，使得铝液充型速度过快产生卷气、飞溅的现象，容易导致铸件产生气孔、氧化夹渣等缺陷。原始工艺铸件凝固过程的固相率分布图如图3所示。铸件呈中心圆孔向外逐渐凝固，最后凝固的区域为浇道和冒口。铸件顶部有明冒口，有利于铸件充型过程中的排气，并且对铸件顶部起到良好的补缩作用。在铸件凝固过程中，铸件底部内浇口附件区域出现了孤立液相区，如图3(b）中1、2所示，将会导致铸件凝固结束后在该区域出现大面积缩孔缩松缺陷。原始工艺的缩孔分布图如图4所示。图中的深色区域表示该处有发生缩孔、缩松缺陷的可能性，且颜色越深、面积越大，说明发生缺陷的概率就越大2工艺优化分析2.1注系统工艺优化方案利用MAGMASOFT对原始工艺进行数值模拟并对结果进行分析可知，原始工艺方案中浇注系统设计不够合理，使得充型不平稳，产生了卷气和飞溅的现象，并且铸件凝固时出现了孤立液相区，造成铸件完全凝固后产生严重的缩孔、缩松缺陷。因此，提出图5所示的工艺优化方案。采用开放式浇注系统，将直浇道设计为蛇形浇道，可以有效防止铝液飞溅产生氧化夹渣等缺陷2.2凝固结果及分析工艺优化后的铸件充型温度场如图6所示。工艺优化后铝液充型速度缓慢，实现了平稳充型，解决了原工艺方案中出现的卷气、飞溅的问题。铝液在浇注过程中，液面最低温度均高于液相线温度，铝液的流动性良好，铝液能够顺利充满型腔，说明了浇注系统和浇注时间的优化合理。工艺优化后铸件凝固过程的固相率分布图如图7所示。由于增加了冷铁对铸件下端的热节区域进行冷却，铸件在凝固过程中没有出现孤立液相区，并且能够实现由铸件中心孔向浇道和冒口方向的顺序凝固，将缩孔、缩松缺陷转移到浇道和冒口中，得到致密的高质量铸件。工艺优化后缩孔分布图如图8所示。由图8可看出，在铸件下端热节区域增加铜块对其进行冷却后，原工艺方案中铸件的缩孔、缩松缺陷已被消除。说明增加铜块进行冷却，能够有效避免铸件产生缩孔、缩松缺陷。铸件的小凸台区域凝固较慢，可能会产生微缩孔，生产时减小该区域的涂料厚度，可避免该处产生缩孔。3凝固结果分析(1）利用数值模拟分析软件对原始工艺方案进行充型过程温度场、凝固过程的固相率分布以及缩孔缺陷分析，发现原始工艺方案中的浇注系统设计不合理，铝液浇注时产生卷气、飞溅的现象，铸件下端的热节区域在凝固过程中存在孤立液相，铸件完全凝固后存在缩孔、缩松的缺陷。(2）通过对原始工艺方案的数值模拟结果进行分析，提出了对浇注系统进行改进、增加浇注时间以及增加铜块进行冷却的优化方案。该优化方案使得铝液充型平稳，铸件由中心孔向两端凝固，将缩