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    數值模擬在鋁合金壓鑄件澆注系統設計中的應用


    壓力鑄造已成為生產鋁合金部件的重要工藝。

      隨著計算機模擬技術的快速發展,壓鑄領域也廣泛采用數值模擬技術來優化和改進工藝。數值模擬分析技術以鑄件充型及凝固過程的數值模擬為核心,對鑄件進行鑄造工藝分析,這對提高鑄件品質、縮短開發周期、降低生產成本等方面具有重要的意義。本文在設計鋁合金壓鑄件的澆注系統時,借助數值仿真MAGMA軟件,對鑄件兩種不同澆注系統方案的充型及凝固過程進行了模擬,運用模擬結果分析鑄件成形過程中可能出現的缺陷,對選擇合理的澆注系統提供了理論依據。

      鑄件形狀復雜,結構多變,壁厚不均勻,屬于大型復雜壓鑄件。

      2澆注系統的設計澆注系統設計時,需根據壓鑄工藝及鑄件參數做―些必要的計算。首先是內澆口相關尺寸的確定。內澆口截面積的計算采用傳統的流量計算法得到:1鑄件的結構分析該鋁合金壓鑄件的實體模型如所示,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,鑄件材料為ADC12鋁合金,材料的熱物性參數見表1,產品質量5.3kg.從實體模型圖可以看出該表1ADC12鋁合金熱物性參數密度液相線溫度固相線溫度~比熱容潛熱熱導率收稿曰期:2012-07-23收到初稿,2012-08-22收到修訂稿。

      屬液質量,包括溢流槽的質量,g;P為液態金屬的密度,g/cm3;vg為內澆口處金屬液的流速,m/s;t為型腔的充填時間,s.如表1,鑄件密度p=2.7g/cm3.溢流槽的質量取壓鑄件質量的30%,得G=6 890g;對于該大型復雜鋁合金壓鑄件,取V=60m/s,t=0.06s,計算得到Ag=708mm2.內澆口的厚度取4mm,則內澆口的總寬度為177mm.橫澆道應具有一定的長度和寬度。若橫澆道過薄,則熱量損失過大;若過厚則冷卻速度緩慢,影響生產率,增大金屬消耗。設計中橫澆道采用T形澆道,截面形狀為扁梯形,金屬液在澆道內能得到穩定的流動,金屬液熱量損失小。直澆道一般由壓鑄機上的壓室和壓鑄模上的澆口套組成,是傳遞壓力的首要部位。鑄件成形用臥式冷室壓鑄機,所以直接采用其壓室作為澆注系統的直澆道,直徑為0130mm,設計料餅厚度30mm,脫模斜度為5°。

      根據上述理論計算,并結合鑄件結構特點,提出了兩種不同的澆注系統方案,如所示。按照金屬液導入的方向分類,兩種澆注系統均屬于側澆口,橫澆道形式都是變形分叉式。不同之處在于:方案的澆注系統在鑄件曲折邊側,并分成七條分支橫澆道;方案二澆注系統在鑄件平直邊側,由六條分支橫澆道組成。兩種不同的澆注系統方案使得分支澆道在到達內澆口的時間上有很大的差異,而金屬液通過分支澆道能否同時到達內澆口,對鑄件充型質量有較大的影響。兩種不同的澆注系統設置了兩種不同方案的溢流槽,溢流槽位置開設是否合理也影響鑄件的質量。

      3計算模型及參數設置本研究運用MAGMA鑄造分析軟件中的高壓鑄造專業模塊MAGMAhpdc對鑄件進行模擬計算,它運用仿真傳熱及流體的物理行為,凝固過程中的應力及應變,微觀組織的形成,得以準確地預測鑄件缺陷,提高鑄件質量。MAGMA模擬軟件利用有限差分數值方法求解,鑄件充型過程是伴隨熱量損失和凝固的變溫兩種不同澆注系統設計方案流動過程,它可以通過動量守恒方程和質量守恒方程描述。在鑄件凝固過程中,模具無相變過程,可看作無內熱源的熱傳導問題。鑄件與模具之間的熱傳遞過程,用熱傳導率來處理交界處的邊界條件。MAGMA對于熱傳導率有自己的數據庫,可以根據材料的屬性查到對應的熱導率。

      在壓鑄過程中,壓鑄工藝參數如壓力、充填速度、模具和合金的溫度等,對鑄件質量影響較大。根據壓鑄件結構及壓鑄機的參數,確定出合理的壓鑄工藝參數如下:鋁液澆注溫度為670°C、模具初始溫度為230°C、慢壓射速度0.3m/s、快壓射速度4.8m/s.在采用上述相同壓鑄參數的前提下,對兩種澆注系統方案進行模擬計算。

      4數值模擬分析4.1充型過程的模擬分析為澆注系統方案模型充填不同階段速度場分布的模擬結果,壓鑄件未充填部分用灰色表示。鋁液從壓室進入直澆道,在橫澆道處展開,從七個內澆道進入鑄件型腔。由a金屬液充填36%進入內澆口時可以看出,由于方案選擇的進澆位置在鑄件曲折邊―側,使得各分支澆道金屬液到達內澆口的時間不一致,速度不均勻。

      結合a方案一分支澆道金屬液相匯時示蹤粒子情況可以看出,左側分支澆道的金屬液有回流現象,金屬液在鑄孔處相匯時充型紊亂,充型過程中渦流卷閣3方案一充填過程氣現象非常嚴重,由此可以判斷鑄件在此階段很可能產生卷入性氣孔缺陷,曲折邊處的鑄孔成型不良。b、c、d是鑄件中后期的充填情況,可以看出方案一鑄件整體充填模式是中間快,兩側慢,沒有形成順序充填的模式,且充型前沿金屬液飛濺嚴重,產生了強烈的卷氣及渦流的現象。d中橢圓標注處顯示了鑄件最后充填部位的充填情況,由于該處溢流槽位置設置的不合理,導致該部位充填過程中的氣體被金屬液流包裹,無法順利排出,從而增大了孔洞類缺陷出現的可能性。

      澆注系統方案二模型充填不同階段速度場分布的W4分支澆道金屬液相匯時的示蹤粒子悄況Fig.模擬結果見。方案二進澆位置在鑄件平直邊一側,六道分支澆道的金屬液達到各內澆口的時間基本同步,見a,速度比較均勻,流動平穩。由b可以看出,方案二分支金屬液相匯時,分支澆道相互之間干擾不大,也沒有金屬液回流發生,充型過程中渦流卷氣現象大為減輕,減少了鑄件在分支澆道金屬液相匯時產生缺陷的可能性。c在鑄件末端充填時稍有紊流現象的出現,但鑄件末端設置的溢流槽及排氣道與鑄件最后充填部分相通,排氣良好,有效地轉移了渦流裹氣的部位,很大程度上減少了孔洞類缺陷出現的可能性。澆注系統方案二整體保持順序充填的模式,在充填各階段金屬液流動基本保持平穩,沒有出現大的波動、飛濺等情況;設置的溢流槽發揮了排氣排渣的作用,方案二鑄件的充填效果較好。

      4.2凝固過程的模擬分析許多鑄造缺陷,如熱裂、縮孔、縮松等都是在凝固過程中產生的。對凝固規律的認識和研究,有利于防止產生鑄造缺陷,改善鑄件組織和提高鑄件的性能,從而獲得優質鑄件。本文通過數值模擬獲得鑄件凝固過程中不同時刻固相率的變化,來對比分析兩種澆注系統方案的凝固過程對鑄件質量影響。兩種澆注系統方案二允填過程Fig.方案鑄件完全凝固后不同部位的凝固時間分別見a和b.從a鑄件各位置凝固時間可以看出方案一鑄件的凝固順序,首先是排氣道及鑄件薄壁部位凝固,緊接著是鑄件較厚部位、部分溢流槽及兩側分支澆道的凝固,然后是其余內澆口和溢流槽的凝固,最后是澆口和鑄件最厚部位凝固,該方案鑄件的凝固順序不合理。鑄件最厚部位凝固時得不到來自溢流槽或澆注系統的補縮,該肥厚部位必然產生縮松縮孔等缺陷。

      方案二凝固順序可由b分析可知,排氣道及鑄件薄壁部位首先凝固,接著是鑄件較厚部位及部分溢流槽和兩側橫澆道的凝固,然后是鑄件最厚部位與相關溢流槽的凝固,最后是澆口的凝固,該方案鑄件整體的凝固順序較合理。相比于方案,方案二鑄件最厚部位凝固時可以從溢流槽得到補縮,方案二鑄件出現縮松縮孔缺陷概率較方案大為降低。

      閣6兩種方案鑄件凝間時間的對比Fig. 5澆注系統方案確定及驗證通過對澆注系統兩種方案充型和凝固過程的模擬,對比分析可知,方案二實現了鑄件的順序充填和順序凝固,不僅減小了鑄件充填過程中氣孔、氧化夾雜等的缺陷,且鑄件最后凝固的肥厚部位可以得到補縮,減少了鑄件縮松、縮孔的可能。

      采用第二種澆注系統設計方案進行模具設計和制作,并經試模和生產驗證表明,模具在使用過程中操作安全方便、動作可靠,滿足壓鑄工藝要求,鑄件有很好的外觀和內部品質,生產所得產品見下。確定了方案二作為該鑄件批量生產的工藝方案。

      閣7澆注系統方案二產品6結語借助MAGMA數值模擬軟件,對鋁合金壓鑄件進行澆注系統的設計。在澆注溫度為670°C、模具初始溫度為230°C、慢壓射速度0.3m/s、快壓射速度4.8m/s的壓鑄工藝參數條件下,模擬分析了兩種不同澆注系統方案的鑄件的充型和凝固過程,預測可能產生的鑄造缺陷。模擬分析表明,澆注系統設計在鑄件平直邊能夠實現鑄件的順序充填及順序凝固,很大程度的減少鑄件成型過程中缺陷產生的概率,提高鑄件的品質。


    【上一個】 箱體鑄件的國產化對整個地鐵國產化有著積極地推動作用 【下一個】 鑄件產生夾砂結疤與鑄件結構、造型方法、型芯砂質量、澆注等因素有關

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