目前 ,国内铸造业正随汽车工业的发展而发展 ,铸件种类繁多、技术含量高。以我厂制动盘为例 ,现有的桑塔纳轿车系列制动盘有ＳＴＮ制动盘 ;2 0 0 0型制动盘 ,别克轿车系列的ＳＧＭ前、后制动盘 ;帕萨特轿车系列的Ｂ5前、后制动盘 ,重庆红宇轿车各个系列的制动盘等 ,品种有 10多种 ,这些制动盘基本都采用国外的技术标准 ,品质要求高 ,需经过一系列的认可试验。由于制动盘属轿车制动系统的 1个安全零件 ,品质出现问题就会酿成较为严重的事故。除了材料必须符合规定的要求外 ,铸件内部不允许有缩松、缩孔、砂眼等降低力学性能的铸造缺陷。该系列产品的生产技术 ,研究和报道主要是在水平分型生产线上生产 ,而在垂直分型生产线生产应用和研究 ,则少见报道。由于在垂直平面上分型 ,使得原本结构均匀对称的铸件 ,在浇注充型和凝固补缩过程中 ,处于极不对等的位置 ,导致渣气孔缺陷、缩孔和缩松缺陷成为生产中的难题。本文针对在垂直分型条件下生产Ｂ5后制动盘铸件 ,应用均衡凝固技术进行浇注系统、补缩系统设计和工艺改进 ,有效地消除了铸件的缩松、砂眼等铸造缺陷。1 生产条件和技术要求1 1 铸件结构铸件属于薄壁均匀轮盘类件 ,最薄处 9ｍｍ ,轮廓尺寸 2 4 9ｍｍ× 6 6 .9ｍｍ ,铸件质量 6 .4ｋｇ ,见图 1。图 1 制动盘铸件外形尺寸Ｆｉｇ .1 Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｅａｒｂｒａｋｅｄｉｓｋ1 2 技术要求(1)铸件外轮廓和内轮廓全部加工 ,加工后不得有任何缩松、缩孔、砂眼等铸造缺陷 ,铸件表面不允许有裂纹。(2 )金相组织为片状珠光体 ,心部铁素体含量<10 % ,石墨形态Ⅰ ,结构和大小Ａ4～ 7。(3)机械性能 :抗拉强度σｂ ≥ 2 5 0ＭＰａ ,硬度ＨＢ2 2 0± 2 5 ,楔压强度σＫ≥ 175ＭＰａ。(4)化学成分为 :2 .8%～ 3.4 %Ｃ ;1.8%～ 2 .8%Ｓｉ;0 .3%～ 1.0 %Ｍｎ ;≤ 0 .2 5 %Ｐ ;≤ 0 .1%Ｓ ;≤ 0 .3%Ｃｒ;≤ 0 .8%Ｃｕ ;≤ 0 .0 7%Ｓｎ ;≤ 0 .2 5 %Ｎｉ;≤ 0 .1%Ｔｉ;≤ 0 .98%Ｓｃ 。 Ｓｃ =Ｃ4 .3- (Ｓｉ+Ｐ) × 1/ 31 3 原生产工艺方案采用ＤＩＳＡ2 0 13ＭＫ5造型设备 ,电炉熔炼铁液。1.5ｔ保温浇注炉浇注 ,浇注炉内孕育处理和浇注时随流孕育。图 2是采用传统的小孔出流理论设计的浇注系统 ,采用底注工艺 ,设计时取浇注时间 8ｓ ,计算得阻流截面积为 2 .1ｃｍ2 ,试验时浇注温度控制在 140 0℃左右 ,实际的浇注时间为 12ｓ,同理论计算相差较大。试制浇注后 ,铸件经Ｘ射线探伤内部发现缩松 ,虽然浇注系统在此工艺基础上进行过多次修改也未能够消除铸件内部的缩松缺陷 ,所以最后考虑结合均衡凝固技术重新进行工艺设计。1 4 铸件生产中的问题和主要缺陷(1)金相组织不能满足要求 :主要表现在出现一定数量的Ｅ型石墨 ,产生原因为温度分布不合理。由于Ｅ型石墨的方向性被认为是裂纹源 ,在制动盘类零件中是不允许出现的。由于制动盘属于安全零件 ,其材料必须具备较高的综合性能 ,如机械性能、热疲劳性能。为满足其高的综合性能要求 ,关键在于有较好的内部组织 ,表现在基体和石墨形态 ,即高的珠光体含量和高比例的Ａ型石墨。铸件的材料主要由熔炼工艺和浇注工艺予以控制。经过大量的对比试验 ,确定了铸件合理的化学成分为 :3.0 %～ 3.4 %Ｃ ;2 .0 %～ 2 .4 %Ｓｉ;0 .5 %～0 .8%Ｍｎ ;0 .0 6 %～ 0 .0 8%Ｓ ;≤ 0 .0 8%Ｐ ;0 .15 %～ 0 .18%Ｃｒ;0 .4 %～ 0 .6 %Ｃｕ ;≤ 0 .0 7%Ｓｎ ;<0 .2 5 %Ｎｉ;≤ 0 .1%Ｔｉ;0 .89%～ 0 .93%Ｓｃ。(2 )缩松 :由于铸件结构的特殊性 ,该类铸件很容易出现缩松 ,从安全性能要求出发是不允许存在的。一般缩松位置 ,如图 1Ａ处所示。(3)表面铸造缺陷 :夹渣、砂眼等。生产统计 ,其材质不合格率超过 2 0 % ,渣气孔、缩孔缩松类缺陷废品率超过 5 0 %。生产中发现 ,熔炼工艺和铸件出现的缺陷是密切相关的。有时可以通过适当提高碳当量来消除少量的缩松 ,且有利于Ａ型石墨的生成 ,但这样在一定程度上会降低其机械性能 ,且易受生产条件波动的影响 ,所以必须考虑通过合理的工艺设计和措施来消除这些缺陷。2 Ｂ5后制动盘铸件的工艺分析原工艺采用小孔出流理论设计 ,导致浇注时间偏长 ,冒口放置在铸件顶部 ,形成接触热节 ,冒口虽然较大 ,但不能起到应有的作用 ,从而产生缩松等铸造缺陷。按照该铸件结构 ,若在热节部位出现缩松 ,靠传统的顺序凝固补缩是相当困难的 ,因为很难形成有效的补缩通道。所以必须综合利用铸件的自补缩和浇注系统的补缩。根据铸件的尺寸 ,初步的工艺布置图 ,见图3。除了保证铸件有足够的吃砂量外 ,尽可能保证铸件有足够大的静压头。此处应用均衡凝固技术设计考虑的因素有 :(1)均衡凝固技术强调铸件自补缩 ,即充分利用石墨化膨胀消除一部分液态收缩 ,冒口是补充不足的差额 ;(2 )冒口要离开热节部位 ,对均匀结构和壁厚的盘类零件 ,垂直分型方式生产 ,冒口偏转一定角度设置 ,此工艺中受到位置限制 ,所以将冒口偏离顶部30ｍｍ ;(3)设计工艺时 ,应考虑充型液流平稳 ,此处选用底注方案 ;但底注不利于补缩 ,所以浇注时间应强调短时间、大流量。图 2 Ｂ5后制动盘原 图 3 Ｂ5后制动盘工艺布置图工艺布置图Ｆｉｇ .2 Ｔｈｅｕｓｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆ Ｆｉｇ .3 Ｔｈｅｒｅｎｅｗｅｄｄｅｓｉｇｎｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ3 采用均衡凝固技术工艺设计3 1 铸件结构参数为 :铸件质量 6 .4ｋｇ ;铸件凝固模数Ｍｃ=0 .5 3ｃｍ ;质量周界商Ｑｍ=4 3ｋｇ/ｃｍ3 ;收缩时间分数Ｐｃ=0 .5 ,补缩率 4 %。3 2 收缩模数Ｍｓ 计算Ｍｓ =Ｐｃ ×Ｍｃ =0 .5× 0 .5 3=0 .375ｃｍ3 3 冒口的计算由Ｑｍ=4 3ｋｇ/ｃｍ3 ,取ｆ3 =1.4 ,试取ｆ1=1.7,计算冒口模数ＭＲ。ＭＲ =ｆ1× ｆ3 ×Ｍｓ =1.7× 1.4 × 0 .375 =0 .89ｃｍ 取 5 5 × 5 5等高圆柱形标准冒口体 ,表面积ＡＲ= 142 .5ｃｍ2 ,冒口质量 1ｋｇ。按冒口提供全部补缩液量校核 ｆ1ｆ 1=1+ 6 .40 .0 0 6 9× 4 % / ｆ3 /Ｍｓ/ＡＲ =1.5ｆ 1<ｆ1,原 ｆ1设定为 1.7有一定的安全范围。冒口颈模数Ｍｎ的计算Ｍｎ=(0 .4 5～ 0 .5 ) ×Ｍｓ =0 .17～ 0 .19ｃｍ取Ｍｎ =0 .18ｃｍ设计计算冒口颈如下冒口颈厚度ｅ 3Ｍｎ =0 .5 4ｃｍ ,取ｅ =6ｍｍ冒口颈宽度Ｗ 3ｅ=2 1,取Ｗ =2 5ｍｍ冒口颈长度Ｌ 3ｅ =2 1,取Ｌ =18ｍｍ3 4 浇注时间计算铸件质量Ｇ′ =6 .4ｋｇ ,冒口质量 1ｋｇ ,加上浇注系统 ,工艺出品率按 5 5 %计算。每型质量Ｇ =2Ｇ′/ 5 5 % =2× 6 .4 / 5 5 % =2 3.3ｋｇ采用统计平均法算式计算浇注时间 ,ｔ =Ｇ1/2 +Ｇ1/3 =2 3.31/2 + 2 3.31/3 =7.7ｓ取ｔ=8ｓ3 5 按四单元要求计算浇注系统截面积 ,采用底注式。(以下计算中 ,考虑到浇口杯未被完全浇满的因素 ,假设浇口杯液面距上平面 2 0ｍｍ)μ1为直浇道流量因数 ,μ2 为横浇道流量因数 ,μ3为内浇道流量因数 ,Ｋ1为直浇道与横浇道的有效截面比 ,Ｋ2 为直浇道与内浇道的有效截面比。各单元截面积的计算 :(1)设浇注系统截面比 :Ａ1∶ΣＡ2 ∶ΣＡ3 =(0 .9)∶ (1.2 ) ∶ 1(2 )确定流量因素 ,取 :μ1=0 .6 ,μ2 =0 .5 5 ,μ3 =0 .5 0(3)计算Ｋ1、Ｋ2Ｋ1=μ1Ａ1/ μ2 Ａ2 =0 .6× 0 .9/ (0 .5 5 × 1.2 )=0 .81,取Ｋ1=0 .8Ｋ2 =μ1Ａ1/ μ3 Ａ3 =0 .6 × 0 .9/ (0 .5 0 × 1)=1.0 8,取Ｋ2 =1 (4)计算平均压头 :内浇口的静压头Ｈ =4 4 .2ｃｍｈｐ =Ｋ22 / (1+Ｋ21+Ｋ22 ) × (Ｈ -Ｃ/ 2 )=12 / (1+ 0 .82 + 12 )× (44.2 - 12 .5 ) =12ｃｍ (而小孔出流量 ,平均压头 4 4 .2 - 12 .5 =31.7ｃｍ)(5 )计算内浇道截面积 :ΣＡ3 =Ｇ0 .31μｔ ｈｐ=2× ( 6 .4+1)0 .31× 0 .5× 812 =3.45ｃｍ2 (而小孔出流时内浇口截面积为 2 .1ｃｍ2 )内浇口采用薄浇口 ,分二道引入 ,每道内浇道截面形状为 :2 9ｍｍ× 3ｍｍ。(6 )横浇道截面积 :ΣＡ2 =ΣＡ3 × 1.2 =3.4 5 × 1.2 =4 .14ｃｍ2 横浇道截面形状采用梯形 ,由于有 2个横浇道 ,每个横浇道截面形状为 :12 / 16ｍｍ× 15ｍｍ。(7)直浇道截面积 :Ａ1=ΣＡ3 × 0 .9=3.4 5× 0 .9=3.1ｃｍ2 直浇道截面形状采用梯形 ,尺寸为 :11/ 2 0ｍｍ×2 0ｍｍ。4 生产验证结论按均衡凝固技术确定的工艺方案经过试制 ,投入生产 ,铸件全数经过Ｘ射线探伤和用户机加工后 ,都未发现缩
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