1、西安航空职业学院毕业论文制动器卡钳体倾斜铸造过程数值模拟及其优化设计姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要： 根据实际生产中倾斜铸造工艺特点，采用有限元软件 ProCAST对制动器卡钳体充型和凝固过程进行数值模拟。通过对充型过程的结果分析，研究了铝液流场和温度场的分布特点；通过对凝固过程的结果分析，研究了铝液固相率的变化规律，并预测了缺陷位置。结果表明，在充型过程中铝液流动平稳，无冷隔浇不足等缺陷；在凝固过程中存在缩孔、缩松缺陷，主要集中在臂端、底部厚大部位及中心通孔附近。最后提出工艺优化方案并进行模拟，改善了卡钳体缩孔缩松的分布情况，并运用到实际生产进行验证，提
2、高了铸件成品率。关键词： 制动器卡钳体； 数值模拟； 充型过程； 凝固过程 制动系统在汽车正常行驶过程中起着安全保障作用，属于汽车上举足轻重的部分。目前，在轿车及商用车的制动系统中应用最为广泛的是盘式制动器1-3。当汽车盘式制动器工作时，其制动力的大小主要反映在横跨制动盘两边的卡钳体上，卡钳体几何形状比较复杂、机械力学性能要求较高，因而一般采用先进的开发手段和较优良的生产技术。基于平稳充型和顺序凝固控制出发点的倾斜铸造法是将铸型在倾斜位置进行浇注的铸造生产方法，该工艺适合铝合金铸造生产，具有浇注系统简单，液态金属收缩率高且充型平稳，无金属液飞溅等特点。制定优化的浇注机旋转工艺，并辅以计算机模拟
3、充型和凝固过程，对于取得高品质的铸件具有重要的意义 4-5。本文针对卡钳体采用倾斜铸造生产方法，采用 Procast 软件对充型和凝固过程进行数值模拟，并分析铸件可能存在的缺陷；通过模拟结果的分析，对原工艺方案进行优化设计，改善缩孔缩松缺陷，最终提高铸件品质和合格率。1 产品、建模与工艺参数1.1 产品结构特点本文以卡钳体为研究对象，轮廓尺寸为 290 mm384 mm137 mm，其中最薄处厚度为12 mm。根据实际生产情况，将浇注系统设计为“一体两件”顶注式浇注方式。考虑到材料的收缩率，设置两个圆柱形暗冒口进行补缩，同时，为便于对充型和凝固过程分析，将该铸件结构分为七个部分，分别为浇冒口、
4、暗冒口、卡钳体上端、臂端、中心圆孔、下端厚大部位和底脚，具体如图 1 所示。由于该铸件的模具结构对充型和凝固过程影响较小，将其简化为立方体，并与铸件进行装配。图 1 卡钳体零件结构图暗冒口浇冒口臂端下端厚大部位中心圆孔卡钳体上端底脚Fig1 Structure of the brake caliper1.2 有限元网格模型的建立应用 ProE 软件对铸件和模具进行三维造型，导出模型为 igs 格式，再利用 Visual Environment 中 Visual Mesh 模块对模型进行网格划分，为使计算结果精确，且避免计算时间过长，将铸件精度设置为 1.5 mm，得到面网格有 174706 个
5、，体网格单元数为 1913103 个。1.3 铸造工艺参数设定由于卡钳体长度与厚度差距较大，为避免充型过程中裹气、夹杂等缺陷，选择倾斜浇注方式，倾斜浇注角度由 10转动到 90，充型时间为 4.5 s。铝合金采用 A356 牌号，浇注温度为 730 ；为加快铝液冷却速度，促使形成细的等轴晶，铸型采用 H13 钢，初始温度为 150 ，空冷 5 分钟后分模。根据文献 6-8和实际经验，设定铸件与铸型之间的传热系数为 2000 W/(m2K)。2 充型过程数值模拟分析2.1 充型速度分析由于铝液通过暗冒口流入卡钳体内部，因此暗冒口处的流速对充型过程有着重要影响。考虑到结构的对称性，选取其中一个暗冒
6、口在不同位置处设置节点观察铝液的流速，即分别在暗冒口的下表面、侧面、上表面和中心位置设置节点 243673、242429、241466 和307795，具体节点位置如图 2 所示。铝液在不同位置时流速变化如图 3 所示。在充型 15%时，铝液率先到达下表面节点243673，流速为 50 cm/s；当充型 18%时，铝液到达中心节点 307795，流速为 90 cm/s，由于受型壁摩擦阻力及流体黏度的影响，导致中心流速约为下表面流速的一倍，在随后的充型过程中，中心节点与下表面节点流速波动较为一致，速度在 5070 cm/s 变化，流速稳定；在充型 80%时，中心及下表面节点流速逐渐减小直至为 0
7、。选取的侧面节点在中心节点和下表面节点附近，当充型 20%时侧面节点流速达到 40 cm/s，随后速度在 1025 cm/s 变化，波动幅度较小，不易发生卷起和返流现象。由于倾斜角度的原因，在充型前期上表面节点 241466一直为 0，直到充型后期，当铸件几乎处于直立状态时，铝液才刚开始到达上表面，此时整个铸件充型率已达到 96%，此时的流速约为 10 cm/s，铸件整体充型平缓有序。图 2 暗冒口周围节点位置Fig2 The nodes location around the blind riser 图 3 暗冒口节点速度变化Fig3 The velocity change of the b
8、lind riser2.2 充型温度场分析铝液充型过程温度场分布如图 4 所示。在充型 20%时，铝液温度均在 700 以上，在充型 40%时，暗冒口下端的温度较低，几乎接近液相线，出现这一现象主要原因是倾斜角较小，大量铝液流入型腔下端面，在暗冒口处难以积聚，暗冒口与型壁进行大量换热，导致暗冒口附近温度急剧下降，当充型 60%时，暗冒口处接近液相线的区域面积达到最大。随着倾斜角度的转变，铝液逐步充型到暗冒口附近，此时原先暗冒口附近的低温区能够得到高温铝液的补偿，在充型 80%时，液相线临近区域的面积进一步缩小。当充型 98%时，暗冒口附近温度在 710 720 ，型腔内温度高于液相线 60 以
9、上，此时卡钳体各处温度分布均匀，表明充型过程不会发生浇不足、冷隔等缺陷。241466242429307795243673波动较为一致金属液到达表面节点充型 20% 充型 40%充型 60% 充型 80%充型 98%图 4 充型过程温度场分布图Fig4 The temperature distribution during the filling process3 凝固过程数值模拟分析图 5 为铸件各部分在凝固过程中不同时刻的固相率，当铸件固相率为 0.8 时（即补缩通道封闭） ，则铸件该部分不可见。在 27.4 s 时铸件凝固 40%，此时铸件表面首先凝固，主要集中在臂端、底脚和中心圆孔处，在
10、 39.4 s 时铸件凝固 60%，此时臂端区域已凝固完全，在53.4 s 时铸件凝固 80%，浇冒口与暗冒口连接通道已经断开，凝固进程进一步向内部进行，在 65.8 s 时铸件凝固 96%，此时铸件主体部分凝固结束，出现了明显的孤立液相区，主要位接近液相线温度于卡钳下端厚大部位和中心圆孔附近。由于孤立液相区得不到铝液的补缩，最终会出现收缩缺陷。图 6 为缩松缩孔位置预测图，发现缺陷位置主要位于臂端、下端厚大部位和中心圆孔附近。臂端出现缩孔缩松是因为臂端厚度较小，与周围结构易形成热节，而在下端厚大部位和中心圆孔处出现缺陷的共同原因是由于凝固时间晚，铝液温度降低过快，暗冒口起不到有效地补缩作用，
11、因此需要对原方案进行优化设计。27.4 s，凝固 40% 39.4 s，凝固 60%53.4 s，凝固 80% 65.8 s，凝固 96%图 5 不同时刻固相率云图Fig5 The fraction solid at the different time图 6 缩孔缩松位置预测图Fig6 The prediction location of shrinkage cavity孤立液相区连接通道断开首先凝固部位4 改进方案本次改进方案通过在臂端和底脚区域增加散热涂料，加速凝固进程，而在暗冒口处涂覆保温材料，强化补缩能力，从而达到消除缩孔缩松的目的，散热材料和保温材料涂覆位置如图 7 所示。根据经验
12、，散热材料和保温材料的换热系数分别设置为 2500 W/(m2K)和 500 W/(m2K)。改进方案后凝固总时间为 96.7 s，超过原方案凝固时间一半，这主要由于保温材料的作用，降低了铝液冷却速率。此时，铸件臂端和下端厚大部位凝固时间最短，铸件由下而上凝固时间呈现递增规律，符合顺序凝固的特点。图 8 为改进方案后不同时刻固相率云图。在 6.6 s 时铸件凝固 10%，臂端和底脚由于强冷设置，首先凝固，而其他部位温度场仍然很高；在 22.1 s 时铸件凝固 40%，铸件臂端和下端厚大部位的绝大部分也已凝固完全，而此时中心圆孔处才刚开始凝固；在 42.1 s 时铸件凝固70%，铸件中心圆孔处进
13、一步凝固，暗冒口处铝液对中心圆孔进行有效补缩；在 69.2 s 时铸件凝固 92%，此时卡钳体上端凝固完全，仅剩暗冒口存在孤立液相区。图 9 为缩孔缩松位置预测图，这与最终出现孤立液相区的位置相一致，而在实际使用中，无论是浇冒口还是暗冒口都会被切除，不会对卡钳体整体性能产生影响。最终，使用改进后的工艺方案进行试验生产，获得经切除浇注系统后的卡钳体结构件，可以看出，实际浇注的铸件外观轮廓清晰，无冷隔、气孔等缺陷，如图 10 所示。同时，采用工业 CT 断层扫描技术检测该卡钳体中心圆孔处，也无缩孔缩松缺陷，如图 11 所示，表明改进后的浇注工艺能满足实际浇注需要，铸件的品质和合格率得到了极大提高。
14、图 7 涂料增加位置示意图Fig7 The schematic diagram for the location of add coating保温涂料（共 2 处）散热涂料（共 6 处）6.6s，凝固 10% 22.1s，凝固 40%42.1s，凝固 70% 69.2s，凝固 92%图 8 改进后不同时刻固相率云图Fig8 The improved fraction solid at the different time 图 9 改进后缩孔缩松位置预测图Fig9 The improved prediction location of shrinkage cavity图 10 卡钳体铸件实物图F
15、ig10 The product of the caliper casting图 11 工业 CT 断层扫描缺陷检测Fig11 Tomography defect detection by industrial CT5 结论（1）通过对卡钳体充型过程的数值模拟，研究了充型时间、铝液流场以及温度场的变化特点。结果表明在铝液 730 ，模温 150 ，充型时间 4.5 s，倾角由 10到 90的充型过程中，浇口流动速度平稳，倾斜参数设置合理、无冷隔及浇不足缺陷。（2）通过对卡钳体凝固过程的数值模拟，观测了固相率的变化情况，并预测了在臂端、下端厚大部位及中心圆孔存在缩孔缩松缺陷，这与孤立液相区所在位
16、置一致，提出了产生缺陷的原因是由于暗冒口未能进行有效补缩和臂端及下端厚大部位存在热节。（3）采用在暗冒口表面涂覆保温材料而在臂端及底脚涂覆散热材料的工艺方案，改变原先的凝固进程，最终实现顺序凝固，将缩孔缩松集中在冒口中；最后，利用该仿真模拟的工艺参数指导实际生产，铸件的品质和合格率得到了极大提高。参考文献：1 王利容,杨海员. 轿车盘式制动器钳体铝铸件的开发研究J机电工程技术,2012,41(10)：105-1072 马鸣图,毕祥玉,游江海. 铝合金汽车板性能及其应用的研究进展J机械工程材料,2010,34(6)：1-53 彭勇,王顺成,郑开宏, 等. 锻压力对铸锻复合成形 6061 铝合金组
17、织性能的影响J铸造,2013,62(4)：324-3294 张国俊,孙志平,邹丽艳. 铸造过程数值模拟的应用与展望J热加工工艺,2010,39(21)：61-645 杨戈涛. 金属凝固过程数值模拟及应用M北京：化学工业出版社,2009：22-256 胡红军. ProCAST 软件的特点及其在铸件成形过程中的应用J热加工工艺,2005,34(1)：70-717 杨杰,姚山,温斌, 等. 充型过程流动及其对凝固进程影响的研究J铸造,2003,99(1)：6-98 Katzarov I H, Arsov Y B, Stoyanov P. Porosity formation in asi-symmetric castings produced by counter-pressure casting methodJInternational Journal of Heat and Mass Transfe,2001,44(3)：111-119.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
