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    数值模拟在铝合金压铸件浇注系统设计中的应用


    压力铸造已成为生产铝合金部件的重要工艺。

      随着计算机模拟技术的快速发展,压铸领域也广泛采用数值模拟技术来优化和改进工艺。数值模拟分析技术以铸件充型及凝固过程的数值模拟为核心,对铸件进行铸造工艺分析,这对提高铸件品质、缩短开发周期、降低生产成本等方面具有重要的意义。本文在设计铝合金压铸件的浇注系统时,借助数值仿真MAGMA软件,对铸件两种不同浇注系统方案的充型及凝固过程进行了模拟,运用模拟结果分析铸件成形过程中可能出现的缺陷,对选择合理的浇注系统提供了理论依据。

      铸件形状复杂,结构多变,壁厚不均匀,属于大型复杂压铸件。

      2浇注系统的设计浇注系统设计时,需根据压铸工艺及铸件参数做―些必要的计算。首先是内浇口相关尺寸的确定。内浇口截面积的计算采用传统的流量计算法得到:1铸件的结构分析该铝合金压铸件的实体模型如所示,外形尺寸396爪爪320爪爪172爪爪,最大壁厚15爪爪,最小壁厚3mm,铸件材料为ADC12铝合金,材料的热物性参数见表1,产品质量5.3kg.从实体模型图可以看出该表1ADC12铝合金热物性参数密度液相线温度固相线温度~比热容潜热热导率收稿曰期:2012-07-23收到初稿,2012-08-22收到修订稿。

      属液质量,包括溢流槽的质量,g;P为液态金属的密度,g/cm3;vg为内浇口处金属液的流速,m/s;t为型腔的充填时间,s.如表1,铸件密度p=2.7g/cm3.溢流槽的质量取压铸件质量的30%,得G=6 890g;对于该大型复杂铝合金压铸件,取V=60m/s,t=0.06s,计算得到Ag=708mm2.内浇口的厚度取4mm,则内浇口的总宽度为177mm.横浇道应具有一定的长度和宽度。若横浇道过薄,则热量损失过大;若过厚则冷却速度缓慢,影响生产率,增大金属消耗。设计中横浇道采用T形浇道,截面形状为扁梯形,金属液在浇道内能得到稳定的流动,金属液热量损失小。直浇道一般由压铸机上的压室和压铸模上的浇口套组成,是传递压力的首要部位。铸件成形用卧式冷室压铸机,所以直接采用其压室作为浇注系统的直浇道,直径为0130mm,设计料饼厚度30mm,脱模斜度为5°。

      根据上述理论计算,并结合铸件结构特点,提出了两种不同的浇注系统方案,如所示。按照金属液导入的方向分类,两种浇注系统均属于侧浇口,横浇道形式都是变形分叉式。不同之处在于:方案的浇注系统在铸件曲折边侧,并分成七条分支横浇道;方案二浇注系统在铸件平直边侧,由六条分支横浇道组成。两种不同的浇注系统方案使得分支浇道在到达内浇口的时间上有很大的差异,而金属液通过分支浇道能否同时到达内浇口,对铸件充型质量有较大的影响。两种不同的浇注系统设置了两种不同方案的溢流槽,溢流槽位置开设是否合理也影响铸件的质量。

      3计算模型及参数设置本研究运用MAGMA铸造分析软件中的高压铸造专业模块MAGMAhpdc对铸件进行模拟计算,它运用仿真传热及流体的物理行为,凝固过程中的应力及应变,微观组织的形成,得以准确地预测铸件缺陷,提高铸件质量。MAGMA模拟软件利用有限差分数值方法求解,铸件充型过程是伴随热量损失和凝固的变温两种不同浇注系统设计方案流动过程,它可以通过动量守恒方程和质量守恒方程描述。在铸件凝固过程中,模具无相变过程,可看作无内热源的热传导问题。铸件与模具之间的热传递过程,用热传导率来处理交界处的边界条件。MAGMA对于热传导率有自己的数据库,可以根据材料的属性查到对应的热导率。

      在压铸过程中,压铸工艺参数如压力、充填速度、模具和合金的温度等,对铸件质量影响较大。根据压铸件结构及压铸机的参数,确定出合理的压铸工艺参数如下:铝液浇注温度为670°C、模具初始温度为230°C、慢压射速度0.3m/s、快压射速度4.8m/s.在采用上述相同压铸参数的前提下,对两种浇注系统方案进行模拟计算。

      4数值模拟分析4.1充型过程的模拟分析为浇注系统方案模型充填不同阶段速度场分布的模拟结果,压铸件未充填部分用灰色表示。铝液从压室进入直浇道,在横浇道处展开,从七个内浇道进入铸件型腔。由a金属液充填36%进入内浇口时可以看出,由于方案选择的进浇位置在铸件曲折边―侧,使得各分支浇道金属液到达内浇口的时间不一致,速度不均匀。

      结合a方案一分支浇道金属液相汇时示踪粒子情况可以看出,左侧分支浇道的金属液有回流现象,金属液在铸孔处相汇时充型紊乱,充型过程中涡流卷阁3方案一充填过程气现象非常严重,由此可以判断铸件在此阶段很可能产生卷入性气孔缺陷,曲折边处的铸孔成型不良。b、c、d是铸件中后期的充填情况,可以看出方案一铸件整体充填模式是中间快,两侧慢,没有形成顺序充填的模式,且充型前沿金属液飞溅严重,产生了强烈的卷气及涡流的现象。d中椭圆标注处显示了铸件最后充填部位的充填情况,由于该处溢流槽位置设置的不合理,导致该部位充填过程中的气体被金属液流包裹,无法顺利排出,从而增大了孔洞类缺陷出现的可能性。

      浇注系统方案二模型充填不同阶段速度场分布的W4分支浇道金属液相汇时的示踪粒子悄况Fig.模拟结果见。方案二进浇位置在铸件平直边一侧,六道分支浇道的金属液达到各内浇口的时间基本同步,见a,速度比较均匀,流动平稳。由b可以看出,方案二分支金属液相汇时,分支浇道相互之间干扰不大,也没有金属液回流发生,充型过程中涡流卷气现象大为减轻,减少了铸件在分支浇道金属液相汇时产生缺陷的可能性。c在铸件末端充填时稍有紊流现象的出现,但铸件末端设置的溢流槽及排气道与铸件最后充填部分相通,排气良好,有效地转移了涡流裹气的部位,很大程度上减少了孔洞类缺陷出现的可能性。浇注系统方案二整体保持顺序充填的模式,在充填各阶段金属液流动基本保持平稳,没有出现大的波动、飞溅等情况;设置的溢流槽发挥了排气排渣的作用,方案二铸件的充填效果较好。

      4.2凝固过程的模拟分析许多铸造缺陷,如热裂、缩孔、缩松等都是在凝固过程中产生的。对凝固规律的认识和研究,有利于防止产生铸造缺陷,改善铸件组织和提高铸件的性能,从而获得优质铸件。本文通过数值模拟获得铸件凝固过程中不同时刻固相率的变化,来对比分析两种浇注系统方案的凝固过程对铸件质量影响。两种浇注系统方案二允填过程Fig.方案铸件完全凝固后不同部位的凝固时间分别见a和b.从a铸件各位置凝固时间可以看出方案一铸件的凝固顺序,首先是排气道及铸件薄壁部位凝固,紧接着是铸件较厚部位、部分溢流槽及两侧分支浇道的凝固,然后是其余内浇口和溢流槽的凝固,最后是浇口和铸件最厚部位凝固,该方案铸件的凝固顺序不合理。铸件最厚部位凝固时得不到来自溢流槽或浇注系统的补缩,该肥厚部位必然产生缩松缩孔等缺陷。

      方案二凝固顺序可由b分析可知,排气道及铸件薄壁部位首先凝固,接着是铸件较厚部位及部分溢流槽和两侧横浇道的凝固,然后是铸件最厚部位与相关溢流槽的凝固,最后是浇口的凝固,该方案铸件整体的凝固顺序较合理。相比于方案,方案二铸件最厚部位凝固时可以从溢流槽得到补缩,方案二铸件出现缩松缩孔缺陷概率较方案大为降低。

      阁6两种方案铸件凝间时间的对比Fig. 5浇注系统方案确定及验证通过对浇注系统两种方案充型和凝固过程的模拟,对比分析可知,方案二实现了铸件的顺序充填和顺序凝固,不仅减小了铸件充填过程中气孔、氧化夹杂等的缺陷,且铸件最后凝固的肥厚部位可以得到补缩,减少了铸件缩松、缩孔的可能。

      采用第二种浇注系统设计方案进行模具设计和制作,并经试模和生产验证表明,模具在使用过程中操作安全方便、动作可靠,满足压铸工艺要求,铸件有很好的外观和内部品质,生产所得产品见下。确定了方案二作为该铸件批量生产的工艺方案。

      阁7浇注系统方案二产品6结语借助MAGMA数值模拟软件,对铝合金压铸件进行浇注系统的设计。在浇注温度为670°C、模具初始温度为230°C、慢压射速度0.3m/s、快压射速度4.8m/s的压铸工艺参数条件下,模拟分析了两种不同浇注系统方案的铸件的充型和凝固过程,预测可能产生的铸造缺陷。模拟分析表明,浇注系统设计在铸件平直边能够实现铸件的顺序充填及顺序凝固,很大程度的减少铸件成型过程中缺陷产生的概率,提高铸件的品质。


    【上一个】 箱体铸件的国产化对整个地铁国产化有着积极地推动作用 【下一个】 铸件产生夹砂结疤与铸件结构、造型方法、型芯砂质量、浇注等因素有关