1、第4 2 卷第4 期2023年8 月文章编号：2 0 9 5-7 3 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 8 7-0 8DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2023.04.013武汉轻工大学学报Journal ofWuhanPolytechnicUniversityVol.42 No.4Aug.2023基于PAGM模型的制动油缸铸件的工艺分析和改进汪双君1,汪红兴,陈应航1,徐磊1（1.蚌埠学院机械与车辆工程学院，安徽蚌埠2 3 3 0 3 0；2.安徽晶科能源有限公司工艺部，安徽合肥2 3 16 0 0）摘要：针对铝合金汽车制动油缸铸件在生产实际中的夹渣缺陷，在夹渣
2、聚合长大模型(PAGM,Particles Aggregation GrowthModel)的基础上，对铸件的充型及凝固过程进行了数值模拟，分析了铸件夹渣缺陷的形成原因，并提出了改进方案。分析结果表明，使用PAGM进行模拟后，发现夹渣缺陷分布预测与实际生产统计结果一致，且夹渣缺陷产生的主要原因是浇注温度较低、充型速度过快。改进方案通过提高浇注温度、降低浇注速度、采用卧式浇注系统和改变内浇口位置的方式进行浇注工艺和模具结构的优化，模拟分析结果显示可以有效地消除关键部位的夹渣缺陷。应用PAGM进行铸造仿真能有效地预测铸造过程中的夹渣分布，为优化铸造工艺和减少夹渣缺陷提供了参考。关键词：制动油缸；夹
3、渣缺陷；聚合长大；数值模拟中图分类号：TG245；T P3 9 1Process analysis and improvement of brake cylinder castingbased on Particles Aggregation Growth ModelWANG Shuangjun,WANG Hongzing,CHEN Yinghang,XULeil(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Bengbu University,Bengbu 233030,China;2.Anhui Jingke Energy Co.,Ltd.
4、,Process Department,Hefei 231600,China)Abstract:Aiming at the slag inclusion defects in aluminum alloy automobile brake cylinder casting,the fill-ing and solidification process of the casting were simulated based on the Particles Aggregation GrowthModel(PAGM),and the causes of slag inclusion defects
5、 were analyzed,and the improvement schemeswere put forward.The results show that the distribution of slag inclusion defects predicted by PAGM isconsistent with the actual production statistics,and the main reason of slag inclusion defects is that thepouring temperature is lower and the flling speed
6、is too fast.By raising the pouring temperature,reducingthe pouring speed,adopting the horizontal pouring system or changing the position of the inner gate to op-timize the pouring process and mould structure,the simulation results show that the inclusion defects in thekey parts can be effectively el
7、iminated.The application of PAGM in casting simulation can effectively pre-dict the distribution of slag inclusion in the casting process,which provides a reference for optimizing cast-ing process and reducing slag inclusion defects.Key words:brake cylinder;slag inclusion defect;aggregation growth;n
8、umerical simulation文献标识码：A收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 6.作者简介：汪双君（19 9 0-），女，助教，硕士研究生，E-mail：10 2 57 2 54 3 1 q q.c o m基金项目：安徽省教育厅高校科研项目（2 0 2 2 AH051922)；蚌埠学院校级自然科学研究重点项目（2 0 2 1ZR01zd)。881引言目前国内的汽车制动油缸主要采用铝合金材料和金属型铸造方法进行生产。由于该零件工作在高压环境下，且要求具有较高的安全系数，因此对铸件的致密性和质量要求较高。某生产企业采用金属型重力开放式铸造作为其主要生产方式，采用一般手段精炼处理后，人工
9、用勺子将熔化的铝液起浇到模具中。然而，采用此种工艺方法所得铸件中较厚的部位，特别是机加工表面存在大量的气孔和夹渣，废品率高达7%17%，这对铸件质量和生产的稳定性产生了较大影响1,2 。为了对上述问题进行分析改进,并考虑到在浇铸过程中，当弥散于金属液中的夹渣物颗粒之间距离很近或相互接触、碰撞时，会在夹渣物颗粒液膜的表面张力作用下发生聚合长大行为，从而形成为一个体积更大的渣粒，因此基于夹渣聚合长大模型（PAGM，Particles Aggregation Growth Model)3-5 将其植入到商业流体动力学软件中，对现有的铸件浇注方案进行充型和凝固过程模拟，分析并预测铸件中夹渣缺陷产生的原
10、因和位置，从而判断浇注系统的浇冒口设置、浇铸工艺和操作流程等是否合理。同时，在此基础上改进现有的工艺方案和模具结构，以消除关键部位的夹渣缺陷，为工厂生产提供借鉴。2销铸件缺陷及形成原因分析2.1浇注工艺及缺陷位置描述铸件采用金属型立式浇注，充型材料为ZL1116,在埚式电阻炉内进行熔化精炼后，将熔融金属人工入金属模具中进行浇注，浇注温度为6296 3 4，模具预热温度约为3 10，平均浇注时间为7.5S。为了保证充型过程平稳，采用了蛇形直浇道进行底铸式浇注，并在铸件顶部设置了冒口进行集渣和补缩2 。铸件三维模型（未去除浇道和冒口)如图1所示。图1铸件及浇注系统三维模型Fig.1 Three-d
11、imensional model ofcasting and gating system武汉轻工大学学报通过对机加工后的4 3 8 件废品进行统计分析，发现存在缺陷的部位如图2 所示，其对应位置上出现缺陷的类型和比例如表1所示。从表1可以看出位置出现夹渣缺陷的概率高达4 4%，其中铸件中心位置出现夹渣缺陷的概率比其它位置高。2?图2 铸件缺陷位置图Fig.2The position of casting defects表1铸件缺陷产生位置、类型及产生概率Table 1The location,type and probabilityof casting defects位置标号缺陷类型皮下气孔皮
12、下气孔、夹渣皮下气孔、夹渣皮下气孔、夹渣?缩孔、夹渣皮下气孔皮下气孔2.2数值模拟分析为了分析夹渣缺陷产生的原因、了解铸件充型和凝固过程，基于现场工艺参数对铸件的充型和凝固过程进行了数值模拟7。由于一般未处理的铝熔体中夹杂物的体积分数约为0.0 0 5%0.0 2%8.9，制动油缸铸件体积为4 8 5.2 9 4 cm，故在数值模拟过程中加人57 8 0 颗渣粒，其中初始直径为0.6 mm的渣粒占总渣粒数量的6.7 0%，它们用于模拟大颗粒外来夹杂物；初始直径为0.0 50.1mm的渣粒占总渣粒数量的9 3.3 0%，它们用于模拟浇注过程中金属液氧化反应产生的内生夹杂物，渣粒总体积占铸件体积的
13、0.0 18%。充型模具为金属型，因此固壁边界条件可当做无滑移边界条件。浇注及凝固过程中不同时刻的温度场分布及渣粒位置分布如图3所示，图中温度显示单位为开尔文（K），渣粒直径单位为厘米(cm)。2023年?产生概率25%12%0%4%28%1%3%4期汪双君，汪红兴，陈应航，等：基于PAGM模型的制动油缸铸件的工艺分析和改进89temperature903.000896.481889.963883.444876.926870.407863.889Particle Diameter0.0600.0450.0300.0150.000(a)充型率=2 0%temperatureParticleDia
14、meter903.0000.095882.0240.071861.048840.072819.096798.119777.1430.0480.0240.000(b)充型率=4 0%temperatureParticle Diameter903.000863.908824.816785.724746.632707.540668.4480.1480.1110.0740.0370.000(c)充型率=6 0%temperatureParticle Diameter902.9920.176857.3380.132811.685766.032720.379674.725645.9870.0880.044
15、0.000(d）充型率=8 0%90武汉轻工大学学报2023年temperatureParticle Diameter902.992856.348809.705763.061716.417669.774638.9380.1760.1320.0880.0440.000（e）充型率=10 0%temperature828.748796.614764.481732.347700.213668.079623.130ParticleDiameter0.2300.1260.0840.0420.0002（f）凝固时间t=60 s图3 充型及凝固过程中的温度场及渣粒分布Fig.3 Temperature fi
16、eld and the slag particle distribution during the filling and solidification process从图3 中可以看出，渣粒主要分布在浇注系统及冒口中,同时铸件的位置内部能够明显看到夹渣颗粒，且渣粒直径相对较小，与实际生产统计情况一致，铸件其他位置上表面可见少许夹渣分布。这主要是由于金属液的浇注速度非常快，充型前期金属液紊流程度严重，金属液面并非是平缓地逐层上移，而是快速充满凸台，并封住其人口，使得渣粒被封在凸台内部。同时由于金属液充型温度较低，金属模具散热较快，以及顶部冒口的补缩距离达不到这些位置，使得凸台内部和铸件中心位置
17、温度下降较快，金属液黏度较大，渣粒来不及聚集和上浮，因此较多渣粒停留在铸件的位置处，而来不及上浮至冒口。通过对金属液熔炼及浇注过程的分析，得出铸件夹渣缺陷的可能原因如下：（1)炉料不清洁，回炉料使用量过多；（2)熔炼过程中过多搅动炉内铝水和带人了氧化物；（3)精炼变质处理后静置时间不够，熔渣未充分上浮；（4)合金液中的熔渣未清除干净；(5)浇注系统设计不良；（6)浇注操作不当，带人了夹杂，如浇包距离浇口杯过高，浇注速度太快造成金属液飞溅，浇注过程中的断流、乱流等。3铸造工艺改进方案及模拟分析针对上述夹渣缺陷产生的原因，提出以下改进方法：（1)炉料应经过吹砂，同时适当降低回炉料的使用量；（2)优
18、化浇注系统设计，从而改变金属液在型腔中的流动状态，减少夹渣缺陷的产生；（3)采用适宜的熔剂去渣；（4)在浇注过程中保持平稳，并应注意挡渣；（5)经精炼处理后，合金液在浇注前需静置一定时间。考虑到上述改进方法中的（1)（3)（5）在当前的生产环境下可直接操作，因此针对其中（2)和（4)提出两种具体的改进方案，以研究减少夹渣缺陷的可行性和有效性。3.1改进方案1及模拟分析方案1：（1)提高浇注温度，由原来的6 3 0 提高到6 8 0；（2)降低浇注速度，浇注时间由原来的4期7.5s延长到9 s；（3)内浇口位置改至号位置凸台上，有利于渣粒上浮；（4)提高模具预热温度，由原来的3 0 0 提高到3
19、 3 0。基于改进方案1中的工艺汪双君，汪红兴，陈应航，等：基于PAGM模型的制动油缸铸件的工艺分析和改进的温度场和渣粒分布如图4 所示。91参数对铸件进行了充型和凝固过程模拟，得到铸件temperatureParticleDiameter983.000964.522946.044927.566909.088890.610872.1320.0760.0570.0380.0190.000(a）充型率=2 0%temperatureParticleDiameter983.0000.087964.2960.065945.5930.043926.8890.022908.1860.000889.4828
20、70.779(b）充型率=4 0%temperatureParticleDiameter983.000963.846944.693925.539906.385887.232868.0780.0870.0650.0430.0220.000(c）充型率=6 0%92武汉轻工大学学报2023年temperatureParticleDiameter983.000963.373943.747924.120904.493884.867865.2400.0870.0650.0430.0220.000(d)充型率=8 0%temperatureParticle Diameter982.988963.04994
21、3.109923.170903.231883.291863.3520.1030.0770.0510.0260.000（e）充型率=10 0%temperatureParticleDiameter856.4610.173826.2720.130796.0820.087765.8930.043735.7040.000705.515675.325（f ）凝固时间t=60 s图4 基于改进方案1的铸件温度分布和渣粒空间分布Fig.4 The temperature distribution and slag particles spatial distribution in the castingba
22、sed on improved scheme 1通过图4 可以看出，铸件位置内部的夹渣缺陷得到明显改善。由于降低浇注速度后金属液经过蛇形直浇道的缓冲作用，到达内浇口的流动速度较低，金属液和渣粒混合相通过内浇口后平缓地逐层充填，因此进入凸台的渣粒缓慢上浮至表面，且由于浇注温度和金属型预热温度的提高，金属液流动性较好，金属液对渣粒拖电力的方向与浮力方向一致，对渣粒的上浮有促进作用，因此铸件中心位置及铸件顶部位置的夹渣得到充分上浮，使得夹渣缺陷得到了很大的改善。4期3.2改进方案2 及模拟分析方案2：（1)由立式浇注系统改为卧式浇注系统，在凸台上设置两个冒口；（2)提高浇注温度，由原来的6 3 0
23、提高到6 8 0；（3)降低浇注速度，temperature983.000964.339945.677927.016908.355889.694871.033(a）充型率=2 0%temperature983.000963.164943.328923.493903.657883.821863.986汪双君，汪红兴，陈应航，等：基于PAGM模型的制动油缸铸件的工艺分析和改进93浇注时间由原来的7.5s延长到9 s；（4)提高模具预热温度，由原来的3 0 0 提高到3 3 0。基于方案2 对铸件进行了充型和凝固过程模拟10-12 1，得到铸件的温度场和渣粒空间分布如图5所示。ParticleDia
24、meter0.1200.0900.0600.0300.000ParticleDiameter0.1480.1110.0740.0370.000(b)充型率=4 0%temperature983.000962.136941.273920.409899.545878.682857.818(c）充型率=6 0%temperature983.000949.474915.948882.422848.896815.370781.844(d)充型率=8 0%temperature982.996939.512896.029852.545809.061765.578722.094(e）充型率=10 0%Part
25、icle Diameter0.1480.1110.0740.0370.000ParticleDiameter0.1990.1490.0990.0500.000Particle Diameter0.2370.1770.1180.0590.00094武汉轻工大学学报2023年temperature723.169707.761692.352676.944661.535646.127630.719(f)凝固t=60 s图5卧式浇注下铸件充型及凝固过程的温度及渣粒分布Fig.5 The casting temperature and slag particles distribution during
26、the filling andsolidification process under horizontal gating casting从图5中可以看出，铸件顶部和铸件中心处均没有渣粒，只在凸台上表面有少量渣粒，大部分渣粒上浮至冒口，且渣粒聚合程度高，直径较大。这主要是由于卧式浇注充型横截面积大，金属液上升缓慢，渣粒有足够时间聚集并上浮，且上浮距离较短，冒口的补缩距离能够到达这些位置。铸件表面后续需进行机加达到最终尺寸要求，机加过程中铸件表面的夹渣也将被去除，不影响铸件性能。3.3方案改进效果对比为了便于观察，将铸件关键部位进行放大，如图6为工艺方案改进前后铸件中凸台、凸台、铸件中心以及铸件
27、顶部的夹渣分布对比图。从图中可Particle Diameter0.2640.1980.1320.0660.000以看出，工艺参数的优化极大地改善了铸件的夹渣缺陷。工艺方案改进前铸件中心、凸台和顶部的夹渣数量较多，凸台上表面有少量夹渣；在改进方案1下铸件中心和顶部没有渣粒，主要上浮至冒口中，只在冒口与铸件连接处的拐角位置有少量夹渣，而凸台和凸台中渣粒全部上浮至凸台表面并聚合长大；在方案2 下铸件中心和凸台中没有渣粒，它们中的渣粒全部被冒口收集，在凸台和铸件顶部的表面有少量聚合后的大颗粒夹渣。从模拟分析结果来看，2 种改进方案对减少铸件夹渣缺陷都有很大的改善，实际效果需通过实践验证，同时可从金属
28、液的用量上结合成本综合考虑。?Particle diameter?0.2300.172?0.1150.0580.000?ParticleDiameter0.1840.1380.0920.046?0.000?Particle Diameter0.264?0.1980.1320.0660.00(a）改进前图6 工艺方案改进前后铸件局部夹渣分布对比图Fig.6 The contrast of casting local inclusions distribution before and after process improvement4结论通过对铸造工艺方案改进前后铝合金制动油缸的充型和凝固过程
29、进行数值模拟，可以清楚地看到：(1)使用夹渣聚合长大模型进行模拟后，发现夹渣缺陷分布预测与实际生产统计结果一致，因此，利用夹渣聚合长大模型对铸件充型和凝固过程进行数值模(b）改进方案1拟可以有效地模拟金属液与渣粒混合相在充型过程中渣粒的运动轨迹，预测渣粒的最终分布，为优化浇注工艺方案、减少夹渣缺陷提供理论参考；（2)铸件夹渣缺陷产生的主要原因是由于浇注速度过快和浇注温度偏低，因此对于此类截面积较小且带有凸台结构的铸件，采用卧式浇注方式能使充型过程液面(下转第10 5页）(c）改进方案24期rials Properties Microstructure and Process-ing,2016,
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