摘 要: 分析了壓鑄工藝的特點(diǎn)以及壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬軟件的要求, 利用鑄造過(guò)程分析軟件模擬鎂合金壓鑄件凝固過(guò)程 的溫度場(chǎng), 基于溫度場(chǎng)分析結(jié)果, 預(yù)測(cè)在鑄件凝固時(shí)形成縮孔、縮松等缺陷的位置及分布, 優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)。 鎂合金具有較高的比強(qiáng)度、良好的減震性和切削 加工性及尺寸的穩(wěn)定性等 , 這些優(yōu)良的特性使它成為 非常重要的現(xiàn)代工業(yè)材料。目前鎂合金壓鑄件被廣泛 應(yīng)用于汽車、航空航天和計(jì)算機(jī)制造業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域 。 由于其熱流動(dòng)性好 , 適合薄壁件的壓鑄生產(chǎn) 。 隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展 , 凝固過(guò)程數(shù) 值模擬技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用 。由于 金屬液體積的收縮及雜質(zhì)的富集 , 鑄件中凝固最慢的 區(qū)域容易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷 。本文應(yīng)用鑄造模擬 軟件對(duì)壓鑄件進(jìn)行凝固過(guò)程的數(shù)值模擬 , 預(yù)測(cè)在鑄件 凝固時(shí)形成縮孔、縮松等缺陷的位置及分布 , 指導(dǎo)模具 設(shè)計(jì)過(guò)程中合理設(shè)置溢流槽。 1 模型的建立 1.1 有限元溫度場(chǎng)計(jì)算原理 偏微分方程熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱 , 屬于接觸傳熱 , 是連 續(xù)介質(zhì)就地傳遞熱量而沒(méi)有各部分物質(zhì)之間宏觀的相 對(duì)位移的過(guò)程。熱力學(xué)第一定律說(shuō)明了只有在各物體或者 物體各部分處于不同溫度時(shí) , 熱量才能從一個(gè)物體傳遞 到另一個(gè)物體 , 或者從物體的某一部分傳遞到物體的另 一部分 , 并且熱量總是從溫度最高處流向溫度最低處。 傅里葉定律就是處理導(dǎo)熱問(wèn)題的基本定律： 式中 : q 是比熱流量 , λ是導(dǎo)熱系數(shù) , & T/&n 是溫度梯度。 靜止的液體金屬或形成凝固層以后的金屬向鑄型 傳熱主要以不穩(wěn)定導(dǎo)熱方式進(jìn)行。實(shí)際情況中多以三 維不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程為基本數(shù)學(xué)模型 , 即 : 式 (2) 是依據(jù)傅里葉定律采用微元體積法在三維 直角坐標(biāo)系下推導(dǎo)得出的。針對(duì)鑄件凝固過(guò)程中由于 潛熱釋放而產(chǎn)生的內(nèi)熱源 , 式 (2) 應(yīng)為 : 式中 : ρ 為密度 ; C P 為比熱容 ; L 為潛熱 ; f s 為固相率 ; T 為凝固溫度 ; τ 凝固時(shí)間。 式 (3) 為鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬基本數(shù)學(xué)模型 , 其 中最后一項(xiàng)為內(nèi)熱源項(xiàng)。 1.2 邊界條件 對(duì)于金屬型鑄件模擬的邊界條件 , 確定鑄件與模 具之間的界面換熱系數(shù)最為重要 , 本模擬采用的方法 如下 : 式中 : H 為界面換熱系數(shù) ; H c 為間隙氣體導(dǎo)熱系數(shù) ; H t 為輻射換熱系數(shù) ; X g 為間隙寬度 ; T ic 為界面處鑄件溫度; T im 為界面處模具表面溫度; σ是波爾滋曼常數(shù); e 1 為鑄件熱輻射系數(shù); e 2 為模具表面熱輻射系數(shù)。 1.3 潛熱處理 由于 AZ91B 合金結(jié)晶溫度范圍較窄, 所以采用溫 度回升法進(jìn)行潛熱釋放的處理 : 式中: C P 為合金的比熱容; !T 為回升的溫度; T l 為合 金的液相線溫度; T 為合金的當(dāng)前溫度; L 為合金凝固 潛熱。 2 鎂合金壓鑄件凝固數(shù)值模擬 換檔殼體零件平均壁厚為 4.2 mm, 采用鎂合金為 材料。根據(jù)使用條件, 要求零件具有較好的氣密性和 光潔表面, 采用壓力鑄造。本文鑄造模擬軟件是采用 基于有限元 (FEM) 的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法, 對(duì) 鑄件凝固和冷卻過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和電 磁場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。 壓 鑄 件 采 用 AZ91B 合 金 , 澆 注 溫 度 設(shè) 定 為 650℃, 沖頭直徑 40 mm, 沖頭速度為 1.5 m/s 。計(jì)算時(shí) 鑄件的網(wǎng)格單元為 201 175 個(gè), 在 PⅣ 2.6GHz 微機(jī)上 進(jìn)行, 所用 CPU 時(shí)間為 3 h 。鑄件和模具的物理性能如 表 1 所示。 圖 1~ 圖 4 是 鑄 件 充 型 完 成 后 不 同 時(shí) 間 的 凝 固 溫 度, 從圖中可以清楚的看到 不 同 時(shí) 間 壓 鑄 件 的 凝 固 順 序, 這樣可以迅速的確定潛 在問(wèn)題的區(qū)域。從圖 1 可以 看 出 , 壓 鑄 件 最 高 溫 度 650℃, 通過(guò)模擬結(jié)果, 可知鑄 件的凝固時(shí)間為 0.2 s, 固相比 例為 0.000 1% 時(shí), 可以認(rèn)為 鑄件剛開(kāi)始凝固。從圖中可 以看出溫度分布根據(jù)殼體鑄 件的厚度增加而升高。鑄件 的薄壁處和邊緣溫度明顯低 于上端厚大處和左端最后充 型處。 圖 2 是充型后 3s 時(shí)的 鑄件溫度分布, 壓鑄件最高 溫度 580℃, 固相比例為 38%,正處于凝固過(guò)程的中期階段。由于厚度不均勻, 溫度在 鑄件的厚大部位和復(fù)雜部位的溫度較高, 在薄殼部位 溫度下降較快, 所以凝固時(shí)的溫度分布不均勻, 可能造 成鑄件內(nèi)部組織的不均勻, 但這時(shí)鑄件液相還占有很 大的比例, 可以對(duì)組織稀松處進(jìn)行補(bǔ)縮。 圖 3 是充型后 8 s 的鑄件溫度分布, 壓鑄件最高溫度 510℃, 固相比例 為 84%, 這時(shí)鑄件主體已經(jīng)凝固, 只有在零件壁較厚和 結(jié)構(gòu)復(fù)雜處還沒(méi)有完全凝固。 圖 4 是鑄件澆注后 10 s 時(shí)鑄件溫度分布, 壓鑄件最高溫度 450℃, 通過(guò)模擬結(jié) 果, 可知固相比例為 92%, 這是因?yàn)殇撡|(zhì)金屬型比普通 砂型有著較高的導(dǎo)熱率和蓄熱能力的緣故。在澆注后 10 s 時(shí), 鑄件大部分已經(jīng)凝固, 只有在鑄件上端厚大處 和左端最后充型處有液相的存在, 隨著鑄件凝固過(guò)程 的進(jìn)行, 合金的體積收縮, 又沒(méi)有合金液的填補(bǔ), 往往 在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)縮孔。容積大而集中的孔 洞體為集中縮孔 , 細(xì)小而分散的孔洞為縮松。所以, 可 以確定鑄件上端厚大處和左端最后充型處為縮孔、縮 松等缺陷富集的區(qū)域。根據(jù)模擬分析結(jié)果 , 指導(dǎo)模具設(shè) 計(jì)過(guò)程中在上端厚大處和左端最后充型處設(shè)置溢流 槽, 避免缺陷在該處產(chǎn)生。 3 結(jié)論 通過(guò)模擬分析換檔殼體零件, 得到在澆注溫度為 650℃ 、速度為 40 m/s 、模具溫度為 200℃ 的條件下, 充 型、凝固效果較好, 鑄件整體質(zhì)量較高, 需要充型時(shí)間 0.0579 s, 完全凝固時(shí)間 10 s 。根據(jù)模擬結(jié)果可知凝固過(guò) 程 中 在 鑄 件 的 上 端 厚 大 處 和 最 后 充 型 處 會(huì) 富 集 縮 孔、縮松等缺陷, 指導(dǎo)鎂合金壓鑄模具設(shè)計(jì)在該處設(shè)置溢流槽, 避免缺陷在這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生。 通過(guò)對(duì)換檔殼體零件溫度場(chǎng)數(shù)值模擬, 可見(jiàn)采用 有限元法模擬計(jì)算薄壁鑄件的凝固過(guò)程是一種行之有 效的方法?？商岣哞T造工藝設(shè)計(jì)的精度和鑄造工藝出 品率 , 降低鑄件的廢品率。能夠準(zhǔn)確的反映壓鑄件溫度 場(chǎng)的變化, 并預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的縮孔、縮松等缺陷的區(qū)域 及大小。 更多資訊詳細(xì)請(qǐng)登錄東莞低熔點(diǎn)合金：www.xdssyy.com