汽車鋁合金制動鉗重力鑄造工藝的多目標優化

原標題：鋁合金制動鉗金屬型重力鑄造工藝的多目標優化

摘要

利用數值模擬對鋁合金制動鉗金屬型重力鑄造過程進行分析，預測了鉗體中縮鬆縮孔缺陷的分布情況，並分析其形成原因，改進了冷卻方案，基於正交試驗對工藝參數進行了多目標優化。得到最優工藝參數爲：澆注時間28 s、澆注溫度700 ℃、模具預熱溫度300 ℃、冷卻水溫度35 ℃。結果表明，優化後的制動鉗鑄件無縮鬆縮孔缺陷。通過生產試制驗證了此優化工藝的可行性。

近年來，新能源汽車得到飛速發展，但是新能源汽車的續航裏程仍是瓶頸，同時碳中和已成爲全球範圍內應對氣候變化的長期發展戰略。因此無論是在傳統汽車節能減排的要求下，還是新能源汽車克服裏程焦慮以及碳中和等環保目標的推動下，汽車輕量化技術已成爲世界汽車工業發展的趨勢，如鋁合金和鎂合金等輕量化材料也已逐漸被廣泛應用於汽車零部件的生產中。制動鉗是汽車制動系統中最主要的受力部件，其材質一般爲球墨鑄鐵，大多通過砂型鑄造得到，質量較大，表面較爲粗糙且容易出現鑄造缺陷。相比於砂型鑄造的球墨鑄鐵制動鉗，通過金屬型重力鑄造制成的鋁合金制動鉗具有質量更小，表面較爲光潔、組織致密等優點。本文針對某車用鋁合金制動鉗，通過MAGMAsoft軟件對其金屬型重力鑄造成形過程進行模擬分析，採用正交試驗法對工藝參數進行多目標優化，以期提高鑄件的成形質量。

1原始工藝分析

1.1 數值模擬模型建立

按金屬型重力鑄造的工藝要求，通過CATIA軟件建立鋁合金制動鉗澆注系統的三維模型，如圖1所示，設計爲一模兩件式澆注工藝方案。單個制動鉗鑄件質量爲3.744 kg，三維尺寸爲296 mm×152 mm×130 mm。由於該型鋁合金制動鉗爲整體型固定式，結構較爲復雜，主體壁厚爲9~45 mm不等，壁厚不均勻，其中兩側活塞孔處所在的部位厚度較厚。爲使鉗體兩側能夠得到鋁合金液補縮並使鑄件實現順序凝固，採用側注式澆注系統，在鉗體兩側設置內澆道，並在其兩側上方添加冒口以增強澆注系統的補縮能力，同時爲避免鑄件充型過程中產生卷氣和夾渣等鑄造缺陷，設計了三維尺寸爲130 mm×80 mm×5 mm的10×10-6濾網片。將建立好的三維模型以stl格式導出，並導入到MAGMAsoft軟件中，在網格劃分模塊採用有限差分法進行自動網格劃分，根據試驗將網格數設置爲3 900 000。

圖1 澆注系統三維模型

1.2 材料及工藝參數設置

制動鉗材料爲A356鋁合金，其熱物性參數如表1所示。模具採用H13鋼。制動鉗壁厚不均勻，採用金屬型重力鑄造成形時，爲避免鉗體薄壁部分過早凝固而使後續難以補縮，造成冷隔和澆不足等鑄造缺陷，應適當提高澆注溫度和模具預熱溫度，故設置初始澆注溫 度爲740 ℃，模具預熱溫度爲340 ℃。同時設置初始澆注時間爲22 s。設定金屬液與模具之間的傳熱系數爲2 000 W/（㎡·K），模具間的傳熱系數爲3 500 W/（㎡·K），爲便於制動鉗鑄件活塞孔等部位的成形，在模具內放置有砂芯，設定砂芯與金屬液、模具與砂芯之間的傳熱系數分別爲1 000 W/（㎡·K）和300 W/（㎡·K），初始冷卻方式爲室溫20 ℃自然冷卻。

表1 A356鋁合金的熱物性參數

1.3 原始工藝數值模擬結果分析

圖2是制動鉗鑄件在原始工藝下凝固過程中的固相率變化，模擬結果表明，鑄件整體上有呈順序凝固的趨勢，即從鉗體頂端和兩側薄壁處先凝固，並逐漸向兩側活塞孔所在厚壁處凝固。但由於活塞孔兩側部位較爲厚大，傳熱困難，容易出現孤立液相區，在凝固時間爲74.49 s和136.73 s時分別出現如圖中圈出部位所示的孤立液相區，由於是採用一模兩件工藝，故圖中的孤立液相區呈對稱分布。在金屬型重力鑄造的鑄件凝固過程中，孤立液相區無法通過重力作用和冒口進行補縮，隨着凝固過程體積的收縮將會出現縮鬆縮孔缺陷。

圖2 鑄件凝固過程中的固相率變化

2優化分析

2.1 冷卻優化

通過對原始工藝方案數值模擬結果凝固過程中固相率的分析，鑄件在凝固過程中出現了孤立液相區，不能實現順序凝固，因此需要對鉗體兩側活塞孔所在厚壁處的孤立液相區強化冷卻，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是強化的冷卻系統，冷卻管路的直徑和流量根據縮鬆縮孔缺陷的體積大小進行設置，各管路的開閉時間結合凝固過程中的溫度和固相率變化確定，初始冷卻水溫度爲25 ℃，表2是具體的初始冷卻方案參數。在實際生產中，模具的水冷卻系統是通過內外部管道連接形成閉合回路結構，其中冷卻系統設備的控制採用單獨的水路控制閥和流量控制閥，使每個冷卻水通道的冷卻水流速可以通過調節閥和流量計精確地調節和顯示，從而實現冷卻水的流速大小和開關閉時刻的控制。冷卻水溫度則可通過比例閥調節混合冷水與冷卻回水，以達到要求的溫度。

表2 初始冷卻方案參數

圖3 冷卻系統

2.2 基於正交試驗的工藝參數優化

在原始工藝方案基礎上添加冷卻措施後，利用正交試驗設計進行工藝參數的多目標優化。根據經驗，澆注時間、澆注溫度、模具預熱溫度和冷卻水溫度是金屬型重力鑄造工藝的重要參數，對鑄件成形質量有顯著影響，因此選取上述4個因素作爲優化參數，並對每個因素在合適範圍內設置4個水平，得到如表3所示的正交試驗因素水平表，採用正交表L16（44）進行試驗方案設計。

表3 正交試驗的因素和水平

本文以縮鬆縮孔缺陷和二次枝晶間距作爲對鑄件質量的評價指標。縮鬆縮孔缺陷是制動鉗鑄件主要的內部缺陷，其直接影響鑄件的力學性能和疲勞壽命。本文縮鬆縮孔缺陷的評判值是在考慮局部溫度梯度和冷卻速度的基礎上，引入局部凝固時間的適用於預測鋁合金鑄件中的縮鬆縮孔缺陷的判據式：

式中：G爲局部溫度梯度，℃/mm；t爲局部凝固時間，s；R爲冷卻速度，℃/s；Porosity爲鋁合金的縮鬆縮孔缺陷的判斷值，當鑄件某處的判斷值大於1時，則可認爲該處將產生縮鬆縮孔缺陷。由於縮鬆縮孔缺陷的嚴重程度不僅與該判據式的計算結果有關，還與缺陷的體積和位置有關，因此綜合以上要素，對試驗結果中縮鬆縮孔缺陷的大小進行重新取值：當判據式計算結果的最大值大於1時，賦予1~9之間的值，值越小表明縮鬆縮孔缺陷的嚴重程度越低；當該值小於1時，則直接採用判據式計算結果的最大值。圖4是重新取值的縮鬆縮孔缺陷評判值的示意圖。二次枝晶間距對鑄件的力學性能有重要影響，在鑄件沒有縮鬆縮孔缺陷時，二次枝晶間距越小，則鑄件的力學性能越好。根據L16（44）正交試驗，得到的試驗結果如表4所示。

圖4 縮鬆縮孔評判值的取值示例

表4 正交試驗結果

2.3 工藝參數對評價指標的影響

爲了揭示各因素對評價指標的影響規律，並確定各因素的優水平，基於正交試驗的結果，進行均值和極差分析，結果如表5所示。

根據表5均值與極差分析的結果，縮鬆縮孔評判值隨着澆注時間的增加而減小，隨着澆注溫度的升高而增大，而隨着模具預熱溫度和冷卻水溫度的變化呈現出波動變化，各因素對縮鬆縮孔缺陷的影響權重排序爲：澆注溫度＞澆注時間＞冷卻水溫度＞模具預熱溫度。二次枝晶間距隨着澆注時間的增加而先增大後減小，隨着澆注溫度和模具預熱溫度以及冷卻水溫度的升高而增大，各因素對二次枝晶間距影響權重的排序爲模具預熱溫度＞澆注溫度＞澆注時間＞冷卻水溫度。

表5 均值和極差分析表

2.4 優化方案的確定及試制驗證

基於對上述工藝參數對評價指標的影響規律分析，確定的優化方案如下：

（1）縮鬆縮孔缺陷是實際鑄件生產過程中首先需解決的鑄造缺陷，工藝方案應首先保證鑄件中無縮鬆縮孔缺陷，使縮鬆縮孔評判值最小的工藝組合方案爲A4B1C1D4。在確保鑄件沒有縮鬆縮孔缺陷的同時，二次枝晶間距應當越小越好，以提高鑄件的力學性能。根據極差分析的結果，模具預熱溫度對二次枝晶間距的影響最大，而對縮鬆縮孔評判值的影響最小。由於模具預熱溫度對減小二次枝晶間距和縮鬆縮孔缺陷的最優水平均爲C1，因此可將工藝參數組合A4B1C1D4作爲第一組優化方案。（2）正交試驗的結果中有兩組工藝參數組合沒有縮鬆縮孔缺陷，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爲第二組和第三組優化方案進行比較。

上述的優化方案數值模擬的結果如表6所示。3個優化方案的縮鬆縮孔評判值均小於1，即均不發生縮鬆縮孔缺陷。其中方案1的縮鬆縮孔評判值最小，且對應的二次枝晶間距也最小，因此，綜合上述分析，將方案1（A4B1C1D4）作爲最優工藝方案，即澆注時間爲28 s，澆注溫度爲 700 ℃，模具預熱溫度爲300℃，冷卻水溫度爲 35℃。

表6 優化方案結果對比

依據最優工藝方案進行生產試制，得到圖5所示的含澆注系統的制動鉗鑄件成品，可見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。經檢驗，制動鉗鑄件成形質量較高，沒有縮鬆縮孔缺陷，符合預期效果，從而驗證了此優化工藝方案的可行性。

圖5 含澆注系統的制動鉗鑄件成品

3結論

（1）通過鋁合金制動鉗金屬型重力鑄造過程的數值模擬，對凝固過程的固相率進行分析，預測了制動鉗體中縮鬆縮孔缺陷的可能分布情況，並在分析其形成原因後進行冷卻優化。

（2）針對本文研究的鋁合金制動鉗，基於正交試驗，得到了各工藝參數對制動鉗成形質量評價指標的影響規律，並綜合分析確定了其金屬型重力鑄造的最優工藝方案，即澆注時間28 s，澆注溫度700℃，模具預熱溫度300 ℃，冷卻水溫度35 ℃。

（3）相比於初始工藝方案，優化後的方案在消除了縮鬆縮孔缺陷的同時，二次枝晶間距也減小到42.73，最終通過生產試制驗證了優化方案的可行性。

（4）採用文中優化工藝生產的鋁合金制動鉗鑄件，其工藝出品率爲59%。如果需要進一步提高工藝出品率，可採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 毛旭海南京工業大學 機械與動力工程學院

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴