镁合金压铸件凝固过程计算机模拟

摘 要: 分析了压铸工艺的特点以及压铸过程数值模拟软件的要求, 利用铸造过程分析软件模拟镁合金压铸件凝固过程 的温度场, 基于温度场分析结果, 预测在铸件凝固时形成缩孔、缩松等缺陷的位置及分布, 优化铸造工艺设计。 镁合金具有较高的比强度、良好的减震性和切削 加工性及尺寸的稳定性等 , 这些优良的特性使它成为 非常重要的现代工业材料。目前镁合金压铸件被广泛 应用于汽车、航空航天和计算机制造业等各个领域 。 由于其热流动性好 , 适合薄壁件的压铸生产 。 随着计算机软、硬件技术的飞速发展 , 凝固过程数 值模拟技术在铸造生产中得到了广泛的应用 。由于 金属液体积的收缩及杂质的富集 , 铸件中凝固最慢的 区域容易产生缩孔、缩松等缺陷 。本文应用铸造模拟 软件对压铸件进行凝固过程的数值模拟 , 预测在铸件 凝固时形成缩孔、缩松等缺陷的位置及分布 , 指导模具 设计过程中合理设置溢流槽。 1 模型的建立 1.1 有限元温度场计算原理 偏微分方程热传导简称导热 , 属于接触传热 , 是连 续介质就地传递热量而没有各部分物质之间宏观的相 对位移的过程。热力学第一定律说明了只有在各物体或者 物体各部分处于不同温度时 , 热量才能从一个物体传递 到另一个物体 , 或者从物体的某一部分传递到物体的另 一部分 , 并且热量总是从温度最高处流向温度最低处。 傅里叶定律就是处理导热问题的基本定律： 式中 : q 是比热流量 , λ是导热系数 , & T/&n 是温度梯度。 静止的液体金属或形成凝固层以后的金属向铸型 传热主要以不稳定导热方式进行。实际情况中多以三 维不稳定导热偏微分方程为基本数学模型 , 即 : 式 (2) 是依据傅里叶定律采用微元体积法在三维 直角坐标系下推导得出的。针对铸件凝固过程中由于 潜热释放而产生的内热源 , 式 (2) 应为 : 式中 : ρ 为密度 ; C P 为比热容 ; L 为潜热 ; f s 为固相率 ; T 为凝固温度 ; τ 凝固时间。 式 (3) 为铸件凝固过程数值模拟基本数学模型 , 其 中最后一项为内热源项。 1.2 边界条件 对于金属型铸件模拟的边界条件 , 确定铸件与模 具之间的界面换热系数最为重要 , 本模拟采用的方法 如下 : 式中 : H 为界面换热系数 ; H c 为间隙气体导热系数 ; H t 为辐射换热系数 ; X g 为间隙宽度 ; T ic 为界面处铸件温度; T im 为界面处模具表面温度; σ是波尔滋曼常数; e 1 为铸件热辐射系数; e 2 为模具表面热辐射系数。 1.3 潜热处理 由于 AZ91B 合金结晶温度范围较窄, 所以采用温 度回升法进行潜热释放的处理 : 式中: C P 为合金的比热容; !T 为回升的温度; T l 为合 金的液相线温度; T 为合金的当前温度; L 为合金凝固 潜热。 2 镁合金压铸件凝固数值模拟 换档壳体零件平均壁厚为 4.2 mm, 采用镁合金为 材料。根据使用条件, 要求零件具有较好的气密性和 光洁表面, 采用压力铸造。本文铸造模拟软件是采用 基于有限元 (FEM) 的数值计算和综合求解的方法, 对 铸件凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场和电 磁场进行模拟分析。 压 铸 件 采 用 AZ91B 合 金 , 浇 注 温 度 设 定 为 650℃, 冲头直径 40 mm, 冲头速度为 1.5 m/s 。计算时 铸件的网格单元为 201 175 个, 在 PⅣ 2.6GHz 微机上 进行, 所用 CPU 时间为 3 h 。铸件和模具的物理性能如 表 1 所示。 图 1~ 图 4 是 铸 件 充 型 完 成 后 不 同 时 间 的 凝 固 温 度, 从图中可以清楚的看到 不 同 时 间 压 铸 件 的 凝 固 顺 序, 这样可以迅速的确定潜 在问题的区域。从图 1 可以 看 出 , 压 铸 件 最 高 温 度 650℃, 通过模拟结果, 可知铸 件的凝固时间为 0.2 s, 固相比 例为 0.000 1% 时, 可以认为 铸件刚开始凝固。从图中可 以看出温度分布根据壳体铸 件的厚度增加而升高。铸件 的薄壁处和边缘温度明显低 于上端厚大处和左端最后充 型处。 图 2 是充型后 3s 时的 铸件温度分布, 压铸件最高 温度 580℃, 固相比例为 38%,正处于凝固过程的中期阶段。由于厚度不均匀, 温度在 铸件的厚大部位和复杂部位的温度较高, 在薄壳部位 温度下降较快, 所以凝固时的温度分布不均匀, 可能造 成铸件内部组织的不均匀, 但这时铸件液相还占有很 大的比例, 可以对组织稀松处进行补缩。 图 3 是充型后 8 s 的铸件温度分布, 压铸件最高温度 510℃, 固相比例 为 84%, 这时铸件主体已经凝固, 只有在零件壁较厚和 结构复杂处还没有完全凝固。 图 4 是铸件浇注后 10 s 时铸件温度分布, 压铸件最高温度 450℃, 通过模拟结 果, 可知固相比例为 92%, 这是因为钢质金属型比普通 砂型有着较高的导热率和蓄热能力的缘故。在浇注后 10 s 时, 铸件大部分已经凝固, 只有在铸件上端厚大处 和左端最后充型处有液相的存在, 随着铸件凝固过程 的进行, 合金的体积收缩, 又没有合金液的填补, 往往 在铸件最后凝固的部位出现缩孔。容积大而集中的孔 洞体为集中缩孔 , 细小而分散的孔洞为缩松。所以, 可 以确定铸件上端厚大处和左端最后充型处为缩孔、缩 松等缺陷富集的区域。根据模拟分析结果 , 指导模具设 计过程中在上端厚大处和左端最后充型处设置溢流 槽, 避免缺陷在该处产生。 3 结论 通过模拟分析换档壳体零件, 得到在浇注温度为 650℃ 、速度为 40 m/s 、模具温度为 200℃ 的条件下, 充 型、凝固效果较好, 铸件整体质量较高, 需要充型时间 0.0579 s, 完全凝固时间 10 s 。根据模拟结果可知凝固过 程 中 在 铸 件 的 上 端 厚 大 处 和 最 后 充 型 处 会 富 集 缩 孔、缩松等缺陷, 指导镁合金压铸模具设计在该处设置溢流槽, 避免缺陷在这两个区域产生。 通过对换档壳体零件温度场数值模拟, 可见采用 有限元法模拟计算薄壁铸件的凝固过程是一种行之有 效的方法。可提高铸造工艺设计的精度和铸造工艺出 品率 , 降低铸件的废品率。能够准确的反映压铸件温度 场的变化, 并预测可能产生的缩孔、缩松等缺陷的区域 及大小。 更多资讯详细请登录东莞低熔点合金：www.dgwochang.com