摘 要: 分析了壓鑄工藝的特點以及壓鑄過程數值模擬軟件的要求, 利用鑄造過程分析軟件模擬鎂合金壓鑄件凝固過程 的溫度場, 基于溫度場分析結果, 預測在鑄件凝固時形成縮孔、縮松等缺陷的位置及分布, 優化鑄造工藝設計。 鎂合金具有較高的比強度、良好的減震性和切削 加工性及尺寸的穩定性等 , 這些優良的特性使它成為 非常重要的現代工業材料。目前鎂合金壓鑄件被廣泛 應用于汽車、航空航天和計算機制造業等各個領域 。 由于其熱流動性好 , 適合薄壁件的壓鑄生產 。 隨著計算機軟、硬件技術的飛速發展 , 凝固過程數 值模擬技術在鑄造生產中得到了廣泛的應用 。由于 金屬液體積的收縮及雜質的富集 , 鑄件中凝固最慢的 區域容易產生縮孔、縮松等缺陷 。本文應用鑄造模擬 軟件對壓鑄件進行凝固過程的數值模擬 , 預測在鑄件 凝固時形成縮孔、縮松等缺陷的位置及分布 , 指導模具 設計過程中合理設置溢流槽。 1 模型的建立 1.1 有限元溫度場計算原理 偏微分方程熱傳導簡稱導熱 , 屬于接觸傳熱 , 是連 續介質就地傳遞熱量而沒有各部分物質之間宏觀的相 對位移的過程。熱力學第一定律說明了只有在各物體或者 物體各部分處于不同溫度時 , 熱量才能從一個物體傳遞 到另一個物體 , 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熱問題的基本定律： 式中 : q 是比熱流量 , λ是導熱系數 , & 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 傳熱主要以不穩定導熱方式進行。實際情況中多以三 維不穩定導熱偏微分方程為基本數學模型 , 即 : 式 (2) 是依據傅里葉定律采用微元體積法在三維 直角坐標系下推導得出的。針對鑄件凝固過程中由于 潛熱釋放而產生的內熱源 , 式 (2) 應為 : 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 凝固時間。 式 (3) 為鑄件凝固過程數值模擬基本數學模型 , 其 中最后一項為內熱源項。 1.2 邊界條件 對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最為重要 , 本模擬采用的方法 如下 : 式中 : H 為界面換熱系數 ; H c 為間隙氣體導熱系數 ; H t 為輻射換熱系數 ; 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; e 1 為鑄件熱輻射系數; e 2 為模具表面熱輻射系數。 1.3 潛熱處理 由于 AZ91B 合金結晶溫度范圍較窄, 所以采用溫 度回升法進行潛熱釋放的處理 : 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 為合金的當前溫度; L 為合金凝固 潛熱。 2 鎂合金壓鑄件凝固數值模擬 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) 的數值計算和綜合求解的方法, 對 鑄件凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應力場和電 磁場進行模擬分析。 壓 鑄 件 采 用 AZ91B 合 金 , 澆 注 溫 度 設 定 為 650℃, 沖頭直徑 40 mm, 沖頭速度為 1.5 m/s 。計算時 鑄件的網格單元為 201 175 個, 在 PⅣ 2.6GHz 微機上 進行, 所用 CPU 時間為 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 間 的 凝 固 溫 度, 從圖中可以清楚的看到 不 同 時 間 壓 鑄 件 的 凝 固 順 序, 這樣可以迅速的確定潛 在問題的區域。從圖 1 可以 看 出 , 壓 鑄 件 最 高 溫 度 650℃, 通過模擬結果, 可知鑄 件的凝固時間為 0.2 s, 固相比 例為 0.000 1% 時, 可以認為 鑄件剛開始凝固。從圖中可 以看出溫度分布根據殼體鑄 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雜部位的溫度較高, 在薄殼部位 溫度下降較快, 所以凝固時的溫度分布不均勻, 可能造 成鑄件內部組織的不均勻, 但這時鑄件液相還占有很 大的比例, 可以對組織稀松處進行補縮。 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%, 這時鑄件主體已經凝固, 只有在零件壁較厚和 結構復雜處還沒有完全凝固。 圖 4 是鑄件澆注后 10 s 時鑄件溫度分布, 壓鑄件最高溫度 450℃, 通過模擬結 果, 可知固相比例為 92%, 這是因為鋼質金屬型比普通 砂型有著較高的導熱率和蓄熱能力的緣故。在澆注后 10 s 時, 鑄件大部分已經凝固, 只有在鑄件上端厚大處 和左端最后充型處有液相的存在, 隨著鑄件凝固過程 的進行, 合金的體積收縮, 又沒有合金液的填補, 往往 在鑄件最后凝固的部位出現縮孔。容積大而集中的孔 洞體為集中縮孔 , 細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 松等缺陷富集的區域。根據模擬分析結果 , 指導模具設 計過程中在上端厚大處和左端最后充型處設置溢流 槽, 避免缺陷在該處產生。 3 結論 通過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, 鑄件整體質量較高, 需要充型時間 0.0579 s, 完全凝固時間 10 s 。根據模擬結果可知凝固過 程 中 在 鑄 件 的 上 端 厚 大 處 和 最 后 充 型 處 會 富 集 縮 孔、縮松等缺陷, 指導鎂合金壓鑄模具設計在該處設置溢流槽, 避免缺陷在這兩個區域產生。 通過對換檔殼體零件溫度場數值模擬, 可見采用 有限元法模擬計算薄壁鑄件的凝固過程是一種行之有 效的方法?？商岣哞T造工藝設計的精度和鑄造工藝出 品率 , 降低鑄件的廢品率。能夠準確的反映壓鑄件溫度 場的變化, 并預測可能產生的縮孔、縮松等缺陷的區域 及大小。 更多資訊詳細請登錄東莞低熔點合金：www.guiaogroup.com