沈華剛

（鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450064）

砂型鑄造在工業(yè)中常被用來(lái)制造由鐵、銅和鋁做成的零件，砂型鑄造應(yīng)用廣泛，工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉。傳統(tǒng)的砂型鑄造需要根據(jù)鑄造工藝方案試制一個(gè)樣品，然后檢測(cè)該鑄件樣品的缺陷，反復(fù)修訂工藝方案，最終得到符合實(shí)際生產(chǎn)要求的產(chǎn)品。但這種制造方法對(duì)于單件、小批量生產(chǎn)或具有復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的零件會(huì)造成很大的浪費(fèi)。隨著鑄件模流分析技術(shù)的發(fā)展，AnyCasting、ProCAST、Flow-3D 模擬仿真軟件的出現(xiàn)，可以利用殘余熔體模數(shù)、Niyama 判據(jù)判定鑄件的縮孔縮松位置，模擬鑄件的沖型順序、凝固順序、卷氣順序、溫度梯度、冷卻率等一系列鑄造過(guò)程中的參數(shù)[1]。

1 建模與仿真過(guò)程

1.1 零件選擇

選擇碟式制動(dòng)器制動(dòng)盤作為研究對(duì)象，利用兩種砂型鑄造方案鑄造該零件。盤式制動(dòng)器的兩個(gè)制動(dòng)片分布在制動(dòng)盤的兩側(cè)。工作時(shí)液壓油推動(dòng)活塞，活塞推動(dòng)制動(dòng)盤的兩個(gè)制動(dòng)片夾緊自動(dòng)盤。在剎車過(guò)程中，制動(dòng)盤受到較大的切向力和法向力，局部溫度高達(dá)600 ℃，所以制動(dòng)盤需要有較好的力學(xué)性能，減少鑄造過(guò)程中有縮孔縮松的存在。制動(dòng)盤使用HT250 作為鑄造材料，具有較好的鑄造性能，耐磨性、耐熱性，HT250 化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 鑄件HT250 化學(xué)成分（wt%）

1.2 CAD 設(shè)計(jì)

本次使用SolidWorks 軟件繪制制動(dòng)盤的三維CAD 圖見(jiàn)圖1，在anycasting 鑄造分析過(guò)程中忽略制動(dòng)盤上面的圓孔。

圖1 制動(dòng)盤的三維CAD 圖

1.3 預(yù)處理

利用anyPRE 分5 步進(jìn)行預(yù)處理：（1） 劃分網(wǎng)格。①設(shè)置實(shí)體，兩種方案各部件的實(shí)體設(shè)置見(jiàn)圖2；②設(shè)置砂型鑄造的模具，采用“澆注系統(tǒng)+模具”的方式，設(shè)置砂型鑄造模具壁厚40 mm；③設(shè)置求解域，利用系統(tǒng)默認(rèn)的求解域；④劃分均勻網(wǎng)格，劃分均勻網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)劃分網(wǎng)格的速度快，后期仿真速度快，第一種方案（圖2a）劃分822 120 個(gè)正方體網(wǎng)格，第二種方案（圖2b）劃分914 054 個(gè)正方體網(wǎng)格。（2）基本過(guò)程。①任務(wù)設(shè)計(jì)：采用非金屬模砂型鑄造，并對(duì)鑄造的沖型過(guò)程和冷卻過(guò)程進(jìn)行分析；②材料設(shè)置，兩種鑄造方案各部件所使用的材料見(jiàn)表2，F(xiàn)C250 是日本牌號(hào)，對(duì)應(yīng)我國(guó)的HT250，初晶溫度1 227.64℃，固相線溫度1 147.64 ℃，本次澆注溫度是1 420℃，沖型速度45 cm/s，澆注過(guò)程中保持澆口杯中液態(tài)FC250 的體積恒為整個(gè)澆口杯的80%左右；③熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置，使用系統(tǒng)默認(rèn)的熱傳導(dǎo)系數(shù)[2-3]。

圖2 兩種鑄造方案

表2 碟形制動(dòng)盤兩種鑄造方案所采用的材料

1.4 后處理

后處理使用anycasting 軟件的AnyPOST 模塊，模擬兩種方案的不同充型率與溫度的關(guān)系、不同凝固率與溫度的關(guān)系、利用殘余熔體模數(shù)分析兩種鑄造方案可能出現(xiàn)縮孔縮松的位置與概率。

2 AnyPOST 模擬過(guò)程分析

2.1 兩種方案沖型過(guò)程分析

第一種方案的沖型過(guò)程見(jiàn)圖3，1 420 ℃的HT250 金屬液倒入澆口杯，在整個(gè)充型過(guò)程中，保持液體的體積占整個(gè)澆口杯體積的80%左右，液體從澆口杯經(jīng)直澆道、橫澆道進(jìn)入鑄件。從澆注開(kāi)始到如圖3（a）的過(guò)程是：由于金屬液受重力作用，金屬液流入腔體時(shí)有一定的速度，金屬液往前流動(dòng)，碰到型腔壁后向兩側(cè)移動(dòng)，部分金屬液沿凸臺(tái)的側(cè)壁向上、向側(cè)壁的兩側(cè)移動(dòng)，并逐步到達(dá)碟形剎車盤凸臺(tái)的上表面，同時(shí)有一少部分金屬液在底部邊緣有向澆口方向回流的現(xiàn)象，但體積少，速度慢。這個(gè)過(guò)程總體來(lái)說(shuō)，在型腔底部的向前流動(dòng)的速度高于向側(cè)壁方向向上流動(dòng)的速度，同時(shí)金屬液沿側(cè)壁向上流動(dòng)的速度又大于少部分金屬液向澆口方向回流的速度。圖3（a）到圖3（b）的鑄造過(guò)程是：在型腔底部的向前流動(dòng)的金屬液完成了鑄件底部的填充，有部分金屬液開(kāi)始從底部靠近冒口處沿側(cè)壁向上填充，同時(shí)有少量的金屬液流入冒口。圖3（b）到圖3（c）的過(guò)程是：鑄件上部凸臺(tái)左邊的金屬液與右邊的金屬液相向流動(dòng)并完成匯合，鑄件澆注入口處的金屬液也相向流動(dòng)完成匯合，同時(shí)冒口處的金屬液越來(lái)越多，直至冒口沖型完成。整個(gè)沖型時(shí)間為3.4 s，在沖型過(guò)程中，溫度從1 420 ℃降低到1 338 ℃，始終高于HT250 的液化溫度1 227.64 ℃，沖型過(guò)程中金屬液沒(méi)有飛濺的現(xiàn)象，按照從下往上、由左向右的順序進(jìn)行沖型，與實(shí)際的工藝吻合。

圖3 第一種方案各種充型率與溫度關(guān)系

第二種鑄造方案見(jiàn)圖4，圖4（a）為從開(kāi)始澆注到?jīng)_型率達(dá)到20%金屬液的充型與溫度的關(guān)系，在這個(gè)過(guò)程中金屬液從澆口經(jīng)直澆道、橫澆道進(jìn)入鑄件，每個(gè)鑄件與橫澆道都有四個(gè)澆注入口，提高了沖型效率，金屬液從兩個(gè)澆注入口注入型腔，首先完成離澆注入口近的地方的沖型，同時(shí)金屬液快速沿澆注入口兩側(cè)流動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中溫度在1 392 ℃～1 420 ℃。圖4（b）為沖型率從20%到51.5%金屬液的充型與溫度的關(guān)系，在這個(gè)過(guò)程中沿兩側(cè)流動(dòng)的金屬液完成匯合，有一部分金屬液開(kāi)始沿凸臺(tái)的側(cè)壁向上流動(dòng)，同時(shí)有一部分金屬液向冒口流動(dòng)。這個(gè)過(guò)程溫度在1 338 ℃～1 392 ℃之間，其中沖型率從20%～35%，溫度主要分布在1 365 ℃～1 392 ℃，冒口處在1 338℃～1 365 ℃；沖型率35%～51.5%，溫度主要在1 338℃～1 365 ℃，少部分地方在1 365 ℃～1 392 ℃。圖4（c）為沖型率從51.5%到75%金屬液的充型與溫度的關(guān)系，在這個(gè)過(guò)程中金屬液沿型腔側(cè)壁向上流動(dòng)，完成側(cè)壁的充型并完成凸臺(tái)大部分地方的充型，溫度主要分布1 338 ℃～1 365 ℃，少部分地方在1 311 ℃～1 338 ℃。最后金屬液完成凸臺(tái)頂面的沖型，直到整個(gè)鑄件完成沖型，溫度在1 311 ℃～1 365 ℃。第二種方案整個(gè)鑄件的沖型時(shí)間為7.48 s，沖型過(guò)程與實(shí)際方案相符。

圖4 第二種方案各種充型率與溫度關(guān)系

2.2 兩種方案凝固過(guò)程與溫度關(guān)系分析

第一種方案不同的凝固率與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖5，整個(gè)凝固時(shí)間為658.6 s，從凝固開(kāi)始至凝固率10%，如圖5（a）所示，鑄件凸臺(tái)的內(nèi)孔處先凝固，鑄件的圓周邊緣也開(kāi)始凝固，凝固處的溫度在1 147 ℃～1 202℃，其它地方的溫度為1 202 ℃～1 311 ℃；從凝固10%到凝固率51.5%，如圖5（b）所示，鑄件凸臺(tái)的內(nèi)孔處邊緣已凝固，鑄件其它地方溫度下降很快，在1 147 ℃～1 229 ℃；從凝固51.5%到凝固率84.8%，如圖5（c）所示，此時(shí)鑄件已完全凝固，澆口的部分地方?jīng)]有凝固，冒口也沒(méi)有凝固，冒口起到補(bǔ)縮作用，冒口處的溫度為1 147℃～1 202 ℃。

圖5 第一種方案各種凝固率與溫度關(guān)系

第二種方案不同的凝固率與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖6，從開(kāi)始凝固到凝固率為10%，從圖中可以看到，放冷鐵的部位先凝固，部分橫流道支路也發(fā)生了凝固。鑄件表面溫度1 202 ℃～1 338 ℃，冷鐵部位降到1 147 ℃，如圖6（a）所示。凝固率從10%～51.5%的凝固過(guò)程如圖6（b）所示，冷鐵周圍迅速凝固，然后鑄件的底部邊緣和凸臺(tái)底部也快速凝固，溫度在1 147 ℃以下。凝固率從51.5%～84.8%的凝固過(guò)程如圖6（c）所示，鑄件從底部邊緣和凸臺(tái)平面開(kāi)始凝固，然后是凸臺(tái)側(cè)面凝固，同時(shí)橫流道和主流道也逐步凝固，當(dāng)?shù)竭_(dá)凝固率84.8%時(shí)，鑄件也完全凝固，但冒口和主流道底部未凝固，冒口最后凝固，起到補(bǔ)充金屬液，防止縮孔縮松的作用；最后從凝固率84.8%到凝固率100%，完成整個(gè)澆注系統(tǒng)的凝固。整個(gè)凝固過(guò)程總共歷時(shí)591.02 s，與實(shí)際過(guò)程吻合[4-6]。

圖6 第二種方案各種凝固率與溫度關(guān)系

2.3 兩種鑄造方案缺陷分析

兩種鑄造方案鑄件分析見(jiàn)圖7，鑄件缺陷分析采用殘余熔體模數(shù)來(lái)進(jìn)行分析，圖7（a）第一種方案表示在鑄件的底部圓周出現(xiàn)縮孔縮松的概率為30%～55%，第二種方案由于安置了合適的冷鐵實(shí)現(xiàn)了順序凝固，就基本消除縮孔縮松缺陷。

圖7 兩種方案鑄件缺陷分析

3 結(jié)論

（1） 第一種鑄造方案整個(gè)沖型時(shí)間為3.4 s，凝固時(shí)間為658.6 s；第二種鑄造方案整個(gè)沖型時(shí)間為7.48 s，凝固時(shí)間為591.02 s；第二種鑄造方案采用一模三腔，一次鑄造，可以形成三個(gè)鑄件，提高了生產(chǎn)效率。

（2） 第一種鑄造方案，在鑄件部分地方會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松，概率為30%～55%，第二種方案沒(méi)有發(fā)現(xiàn)縮孔縮松鑄造缺陷。