基于AnyCasting 碟式制動盤兩種鑄造工藝仿真對比與分析

沈華剛

（鄭州科技學院機械工程學院，河南鄭州 450064）

砂型鑄造在工業(yè)中常被用來制造由鐵、銅和鋁做成的零件，砂型鑄造應用廣泛，工藝過程相對簡單、成本低廉。傳統(tǒng)的砂型鑄造需要根據鑄造工藝方案試制一個樣品，然后檢測該鑄件樣品的缺陷，反復修訂工藝方案，最終得到符合實際生產要求的產品。但這種制造方法對于單件、小批量生產或具有復雜機械結構的零件會造成很大的浪費。隨著鑄件模流分析技術的發(fā)展，AnyCasting、ProCAST、Flow-3D 模擬仿真軟件的出現，可以利用殘余熔體模數、Niyama 判據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程中的參數[1]。

1 建模與仿真過程

1.1 零件選擇

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

表1 鑄件HT250 化學成分（wt%）

1.2 CAD 設計

本次使用SolidWorks 軟件繪制制動盤的三維CAD 圖見圖1，在anycasting 鑄造分析過程中忽略制動盤上面的圓孔。

圖1 制動盤的三維CAD 圖

1.3 預處理

利用anyPRE 分5 步進行預處理：（1） 劃分網格。①設置實體，兩種方案各部件的實體設置見圖2；②設置砂型鑄造的模具，采用“澆注系統(tǒng)+模具”的方式，設置砂型鑄造模具壁厚40 mm；③設置求解域，利用系統(tǒng)默認的求解域；④劃分均勻網格，劃分均勻網格的優(yōu)點是系統(tǒng)劃分網格的速度快，后期仿真速度快，第一種方案（圖2a）劃分822 120 個正方體網格，第二種方案（圖2b）劃分914 054 個正方體網格。（2）基本過程。①任務設計：采用非金屬模砂型鑄造，并對鑄造的沖型過程和冷卻過程進行分析；②材料設置，兩種鑄造方案各部件所使用的材料見表2，FC250 是日本牌號，對應我國的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，澆注過程中保持澆口杯中液態(tài)FC250 的體積恒為整個澆口杯的80%左右；③熱傳導系數設置，使用系統(tǒng)默認的熱傳導系數[2-3]。

圖2 兩種鑄造方案

表2 碟形制動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系、不同凝固率與溫度的關系、利用殘余熔體模數分析兩種鑄造方案可能出現縮孔縮松的位置與概率。

2 AnyPOST 模擬過程分析

2.1 兩種方案沖型過程分析

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

圖3 第一種方案各種充型率與溫度關系

第二種鑄造方案見圖4，圖4（a）為從開始澆注到沖型率達到20%金屬液的充型與溫度的關系，在這個過程中金屬液從澆口經直澆道、橫澆道進入鑄件，每個鑄件與橫澆道都有四個澆注入口，提高了沖型效率，金屬液從兩個澆注入口注入型腔，首先完成離澆注入口近的地方的沖型，同時金屬液快速沿澆注入口兩側流動，這個過程中溫度在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系，在這個過程中沿兩側流動的金屬液完成匯合，有一部分金屬液開始沿凸臺的側壁向上流動，同時有一部分金屬液向冒口流動。這個過程溫度在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系，在這個過程中金屬液沿型腔側壁向上流動，完成側壁的充型并完成凸臺大部分地方的充型，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頂面的沖型，直到整個鑄件完成沖型，溫度在1 311 ℃～1 365 ℃。第二種方案整個鑄件的沖型時間為7.48 s，沖型過程與實際方案相符。

圖4 第二種方案各種充型率與溫度關系

2.2 兩種方案凝固過程與溫度關系分析

第一種方案不同的凝固率與溫度的關系見圖5，整個凝固時間為658.6 s，從凝固開始至凝固率10%，如圖5（a）所示，鑄件凸臺的內孔處先凝固，鑄件的圓周邊緣也開始凝固，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，鑄件凸臺的內孔處邊緣已凝固，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，此時鑄件已完全凝固，澆口的部分地方沒有凝固，冒口也沒有凝固，冒口起到補縮作用，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系

第二種方案不同的凝固率與溫度的關系見圖6，從開始凝固到凝固率為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%的凝固過程如圖6（c）所示，鑄件從底部邊緣和凸臺平面開始凝固，然后是凸臺側面凝固，同時橫流道和主流道也逐步凝固，當到達凝固率84.8%時，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%，完成整個澆注系統(tǒng)的凝固。整個凝固過程總共歷時591.02 s，與實際過程吻合[4-6]。

圖6 第二種方案各種凝固率與溫度關系

2.3 兩種鑄造方案缺陷分析

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

圖7 兩種方案鑄件缺陷分析

3 結論

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

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