原標(biāo)題：鋁合金制動(dòng)鉗金屬型重力鑄造工藝的多目標(biāo)優(yōu)化

摘要

利用數(shù)值模擬對(duì)鋁合金制動(dòng)鉗金屬型重力鑄造過(guò)程進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了鉗體中縮松縮孔缺陷的分布情況，并分析其形成原因，改進(jìn)了冷卻方案，基于正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。得到最優(yōu)工藝參數(shù)為：澆注時(shí)間28 s、澆注溫度700 ℃、模具預(yù)熱溫度300 ℃、冷卻水溫度35 ℃。結(jié)果表明，優(yōu)化后的制動(dòng)鉗鑄件無(wú)縮松縮孔缺陷。通過(guò)生產(chǎn)試制驗(yàn)證了此優(yōu)化工藝的可行性。

近年來(lái)，新能源汽車得到飛速發(fā)展，但是新能源汽車的續(xù)航里程仍是瓶頸，同時(shí)碳中和已成為全球范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)氣候變化的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略。因此無(wú)論是在傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排的要求下，還是新能源汽車克服里程焦慮以及碳中和等環(huán)保目標(biāo)的推動(dòng)下，汽車輕量化技術(shù)已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，如鋁合金和鎂合金等輕量化材料也已逐漸被廣泛應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)中。制動(dòng)鉗是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中最主要的受力部件，其材質(zhì)一般為球墨鑄鐵，大多通過(guò)砂型鑄造得到，質(zhì)量較大，表面較為粗糙且容易出現(xiàn)鑄造缺陷。相比于砂型鑄造的球墨鑄鐵制動(dòng)鉗，通過(guò)金屬型重力鑄造制成的鋁合金制動(dòng)鉗具有質(zhì)量更小，表面較為光潔、組織致密等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)某車用鋁合金制動(dòng)鉗，通過(guò)MAGMAsoft軟件對(duì)其金屬型重力鑄造成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，采用正交試驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以期提高鑄件的成形質(zhì)量。

1原始工藝分析

1.1 數(shù)值模擬模型建立

按金屬型重力鑄造的工藝要求，通過(guò)CATIA軟件建立鋁合金制動(dòng)鉗澆注系統(tǒng)的三維模型，如圖1所示，設(shè)計(jì)為一模兩件式澆注工藝方案。單個(gè)制動(dòng)鉗鑄件質(zhì)量為3.744 kg，三維尺寸為296 mm×152 mm×130 mm。由于該型鋁合金制動(dòng)鉗為整體型固定式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主體壁厚為9~45 mm不等，壁厚不均勻，其中兩側(cè)活塞孔處所在的部位厚度較厚。為使鉗體兩側(cè)能夠得到鋁合金液補(bǔ)縮并使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)，在鉗體兩側(cè)設(shè)置內(nèi)澆道，并在其兩側(cè)上方添加冒口以增強(qiáng)澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮能力，同時(shí)為避免鑄件充型過(guò)程中產(chǎn)生卷氣和夾渣等鑄造缺陷，設(shè)計(jì)了三維尺寸為130 mm×80 mm×5 mm的10×10-6濾網(wǎng)片。將建立好的三維模型以stl格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入到MAGMAsoft軟件中，在網(wǎng)格劃分模塊采用有限差分法進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，根據(jù)試驗(yàn)將網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為3 900 000。

圖1 澆注系統(tǒng)三維模型

1.2 材料及工藝參數(shù)設(shè)置

制動(dòng)鉗材料為A356鋁合金，其熱物性參數(shù)如表1所示。模具采用H13鋼。制動(dòng)鉗壁厚不均勻，采用金屬型重力鑄造成形時(shí)，為避免鉗體薄壁部分過(guò)早凝固而使后續(xù)難以補(bǔ)縮，造成冷隔和澆不足等鑄造缺陷，應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度和模具預(yù)熱溫度，故設(shè)置初始澆注溫 度為740 ℃，模具預(yù)熱溫度為340 ℃。同時(shí)設(shè)置初始澆注時(shí)間為22 s。設(shè)定金屬液與模具之間的傳熱系數(shù)為2 000 W/（㎡·K），模具間的傳熱系數(shù)為3 500 W/（㎡·K），為便于制動(dòng)鉗鑄件活塞孔等部位的成形，在模具內(nèi)放置有砂芯，設(shè)定砂芯與金屬液、模具與砂芯之間的傳熱系數(shù)分別為1 000 W/（㎡·K）和300 W/（㎡·K），初始冷卻方式為室溫20 ℃自然冷卻。

表1 A356鋁合金的熱物性參數(shù)

1.3 原始工藝數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2是制動(dòng)鉗鑄件在原始工藝下凝固過(guò)程中的固相率變化，模擬結(jié)果表明，鑄件整體上有呈順序凝固的趨勢(shì)，即從鉗體頂端和兩側(cè)薄壁處先凝固，并逐漸向兩側(cè)活塞孔所在厚壁處凝固。但由于活塞孔兩側(cè)部位較為厚大，傳熱困難，容易出現(xiàn)孤立液相區(qū)，在凝固時(shí)間為74.49 s和136.73 s時(shí)分別出現(xiàn)如圖中圈出部位所示的孤立液相區(qū)，由于是采用一模兩件工藝，故圖中的孤立液相區(qū)呈對(duì)稱分布。在金屬型重力鑄造的鑄件凝固過(guò)程中，孤立液相區(qū)無(wú)法通過(guò)重力作用和冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，隨著凝固過(guò)程體積的收縮將會(huì)出現(xiàn)縮松縮孔缺陷。

圖2 鑄件凝固過(guò)程中的固相率變化

2優(yōu)化分析

2.1 冷卻優(yōu)化

通過(guò)對(duì)原始工藝方案數(shù)值模擬結(jié)果凝固過(guò)程中固相率的分析，鑄件在凝固過(guò)程中出現(xiàn)了孤立液相區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)順序凝固，因此需要對(duì)鉗體兩側(cè)活塞孔所在厚壁處的孤立液相區(qū)強(qiáng)化冷卻，加快該部位的凝固速度從而改善凝固溫度梯度，使其能夠順序凝固。圖3是強(qiáng)化的冷卻系統(tǒng)，冷卻管路的直徑和流量根據(jù)縮松縮孔缺陷的體積大小進(jìn)行設(shè)置，各管路的開(kāi)閉時(shí)間結(jié)合凝固過(guò)程中的溫度和固相率變化確定，初始冷卻水溫度為25 ℃，表2是具體的初始冷卻方案參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具的水冷卻系統(tǒng)是通過(guò)內(nèi)外部管道連接形成閉合回路結(jié)構(gòu)，其中冷卻系統(tǒng)設(shè)備的控制采用單獨(dú)的水路控制閥和流量控制閥，使每個(gè)冷卻水通道的冷卻水流速可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)精確地調(diào)節(jié)和顯示，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水的流速大小和開(kāi)關(guān)閉時(shí)刻的控制。冷卻水溫度則可通過(guò)比例閥調(diào)節(jié)混合冷水與冷卻回水，以達(dá)到要求的溫度。

表2 初始冷卻方案參數(shù)

圖3 冷卻系統(tǒng)

2.2 基于正交試驗(yàn)的工藝參數(shù)優(yōu)化

在原始工藝方案基礎(chǔ)上添加冷卻措施后，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，澆注時(shí)間、澆注溫度、模具預(yù)熱溫度和冷卻水溫度是金屬型重力鑄造工藝的重要參數(shù)，對(duì)鑄件成形質(zhì)量有顯著影響，因此選取上述4個(gè)因素作為優(yōu)化參數(shù)，并對(duì)每個(gè)因素在合適范圍內(nèi)設(shè)置4個(gè)水平，得到如表3所示的正交試驗(yàn)因素水平表，采用正交表L16（44）進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

表3 正交試驗(yàn)的因素和水平

本文以縮松縮孔缺陷和二次枝晶間距作為對(duì)鑄件質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。縮松縮孔缺陷是制動(dòng)鉗鑄件主要的內(nèi)部缺陷，其直接影響鑄件的力學(xué)性能和疲勞壽命。本文縮松縮孔缺陷的評(píng)判值是在考慮局部溫度梯度和冷卻速度的基礎(chǔ)上，引入局部凝固時(shí)間的適用于預(yù)測(cè)鋁合金鑄件中的縮松縮孔缺陷的判據(jù)式：

式中：G為局部溫度梯度，℃/mm；t為局部凝固時(shí)間，s；R為冷卻速度，℃/s；Porosity為鋁合金的縮松縮孔缺陷的判斷值，當(dāng)鑄件某處的判斷值大于1時(shí)，則可認(rèn)為該處將產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。由于縮松縮孔缺陷的嚴(yán)重程度不僅與該判據(jù)式的計(jì)算結(jié)果有關(guān)，還與缺陷的體積和位置有關(guān)，因此綜合以上要素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中縮松縮孔缺陷的大小進(jìn)行重新取值：當(dāng)判據(jù)式計(jì)算結(jié)果的最大值大于1時(shí)，賦予1~9之間的值，值越小表明縮松縮孔缺陷的嚴(yán)重程度越低；當(dāng)該值小于1時(shí)，則直接采用判據(jù)式計(jì)算結(jié)果的最大值。圖4是重新取值的縮松縮孔缺陷評(píng)判值的示意圖。二次枝晶間距對(duì)鑄件的力學(xué)性能有重要影響，在鑄件沒(méi)有縮松縮孔缺陷時(shí)，二次枝晶間距越小，則鑄件的力學(xué)性能越好。根據(jù)L16（44）正交試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖4 縮松縮孔評(píng)判值的取值示例

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 工藝參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

為了揭示各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，并確定各因素的優(yōu)水平，基于正交試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)行均值和極差分析，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5均值與極差分析的結(jié)果，縮松縮孔評(píng)判值隨著澆注時(shí)間的增加而減小，隨著澆注溫度的升高而增大，而隨著模具預(yù)熱溫度和冷卻水溫度的變化呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，各因素對(duì)縮松縮孔缺陷的影響權(quán)重排序?yàn)椋簼沧囟龋緷沧r(shí)間＞冷卻水溫度＞模具預(yù)熱溫度。二次枝晶間距隨著澆注時(shí)間的增加而先增大后減小，隨著澆注溫度和模具預(yù)熱溫度以及冷卻水溫度的升高而增大，各因素對(duì)二次枝晶間距影響權(quán)重的排序?yàn)槟＞哳A(yù)熱溫度＞澆注溫度＞澆注時(shí)間＞冷卻水溫度。

表5 均值和極差分析表

2.4 優(yōu)化方案的確定及試制驗(yàn)證

基于對(duì)上述工藝參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律分析，確定的優(yōu)化方案如下：

（1）縮松縮孔缺陷是實(shí)際鑄件生產(chǎn)過(guò)程中首先需解決的鑄造缺陷，工藝方案應(yīng)首先保證鑄件中無(wú)縮松縮孔缺陷，使縮松縮孔評(píng)判值最小的工藝組合方案為A4B1C1D4。在確保鑄件沒(méi)有縮松縮孔缺陷的同時(shí)，二次枝晶間距應(yīng)當(dāng)越小越好，以提高鑄件的力學(xué)性能。根據(jù)極差分析的結(jié)果，模具預(yù)熱溫度對(duì)二次枝晶間距的影響最大，而對(duì)縮松縮孔評(píng)判值的影響最小。由于模具預(yù)熱溫度對(duì)減小二次枝晶間距和縮松縮孔缺陷的最優(yōu)水平均為C1，因此可將工藝參數(shù)組合A4B1C1D4作為第一組優(yōu)化方案。（2）正交試驗(yàn)的結(jié)果中有兩組工藝參數(shù)組合沒(méi)有縮松縮孔缺陷，分別是第9組（A3B1C3D4）和第13組（A4B1C4D2），因此可將該兩組的工藝方案分別作為第二組和第三組優(yōu)化方案進(jìn)行比較。

上述的優(yōu)化方案數(shù)值模擬的結(jié)果如表6所示。3個(gè)優(yōu)化方案的縮松縮孔評(píng)判值均小于1，即均不發(fā)生縮松縮孔缺陷。其中方案1的縮松縮孔評(píng)判值最小，且對(duì)應(yīng)的二次枝晶間距也最小，因此，綜合上述分析，將方案1（A4B1C1D4）作為最優(yōu)工藝方案，即澆注時(shí)間為28 s，澆注溫度為 700 ℃，模具預(yù)熱溫度為300℃，冷卻水溫度為 35℃。

表6 優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

依據(jù)最優(yōu)工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)試制，得到圖5所示的含澆注系統(tǒng)的制動(dòng)鉗鑄件成品，可見(jiàn)在此金屬型重力鑄造工藝方案下能夠得到充型完整且表面光潔的鑄件。經(jīng)檢驗(yàn)，制動(dòng)鉗鑄件成形質(zhì)量較高，沒(méi)有縮松縮孔缺陷，符合預(yù)期效果，從而驗(yàn)證了此優(yōu)化工藝方案的可行性。

圖5 含澆注系統(tǒng)的制動(dòng)鉗鑄件成品

3結(jié)論

（1）通過(guò)鋁合金制動(dòng)鉗金屬型重力鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬，對(duì)凝固過(guò)程的固相率進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了制動(dòng)鉗體中縮松縮孔缺陷的可能分布情況，并在分析其形成原因后進(jìn)行冷卻優(yōu)化。

（2）針對(duì)本文研究的鋁合金制動(dòng)鉗，基于正交試驗(yàn)，得到了各工藝參數(shù)對(duì)制動(dòng)鉗成形質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，并綜合分析確定了其金屬型重力鑄造的最優(yōu)工藝方案，即澆注時(shí)間28 s，澆注溫度700℃，模具預(yù)熱溫度300 ℃，冷卻水溫度35 ℃。

（3）相比于初始工藝方案，優(yōu)化后的方案在消除了縮松縮孔缺陷的同時(shí)，二次枝晶間距也減小到42.73，最終通過(guò)生產(chǎn)試制驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

（4）采用文中優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鋁合金制動(dòng)鉗鑄件，其工藝出品率為59%。如果需要進(jìn)一步提高工藝出品率，可采用低壓鑄造或擠壓鑄造等其他特種鑄造方法。

本文作者：
張濤 蘇小平 毛旭海
南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

本文來(lái)自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴