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数值模拟在砂型铸造和压铸中的应用
发布日期:2017-02-15  来源:科技论坛  作者:付立宾 白云鹏 张 磊  浏览次数:547
核心提示:欲获得健全的铸件,必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的,就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算,分析工艺参数对工艺实施结果的影响,便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化,以及寻求工艺问题的尽快解决办法。数值模拟的过程就是建立数学模型,采用更加科学合理的求解方式,最终实现铸造在生产条件下,预测出液态充型和凝固过程,得出缺陷情况,优化铸造工艺。

由于铸造是一个固态到液态再到固态的过程,在这个过程中充 满了不可控因素,尤其是液态充型过程及凝固过程,但是随着数值 模拟技术的发展,我们可以预先设定好一些可控因素的参数(以砂 型铸造为例,如:型砂的各种参数,金属液体的出炉温度、 化学成 分),按照这些参数设置在数值模拟软件中(如 procast),来进行流动 和凝固模拟,根据模拟的结果再进行工艺优化。铸件充型凝固过程 计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段, 铸造生产正在由凭 经验走向科学理论指导。铸造充型凝固过程的数值模拟, 可以帮助 工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、 部位 和发生的时间予以有效的预测,在浇注前采取对策以确保铸件的质 量, 缩短试制周期, 降低生产成本。

1 垂直无箱造型(砂型)

在制作模具前,可以根据现场实际生产条件,型砂的各种参数, 金属液体的浇注温度、 化学成分,实行重力铸造,对铸造工艺方案进 行模拟分析。

可以在较短的时间内得到优化后的工艺方案,从而减少成本和 开发时间,剔除铸造缺陷,提高产品质量。

铸造模拟的主要内容包括:

(1)液体流动模拟(充型);

(2)凝固模拟;

(3)微观组织模拟;

(4)缺陷分析与预测(缩孔、 缩松、 冲砂、 浇不足)。

QQ图片20170215094449

从流动模拟中可以看出存在涡流现象,可能会形成气泡、 渣滓 等缺陷,可以调整方案,使充型平稳。凝固模拟中会出现如图所示的 温度场变化,根据这些变化设置冒口并进行调整使方案最优化,并 可以增加收率,实现效益的最大化。

2 低压铸造(轮毂)

在轮毂铸件低压铸造过程中,现在低压铸造均使用底注式浇 注,采用风冷和水冷的方法来控制模具温度,对防止产生缩孔缩松 缺陷、 组织粗大以及生产周期延长很重要。现在以水冷为例,在金属 型模具设计中模拟计算和水冷控制器,通过模拟循环过程中轮毂铸件的流动和凝固设计合理的冷却系统。通过使用水冷控制器控制模 具的热量散失或积聚。在铸造厂家的低压铸造轮毂铸件生产线上通 过减少循环时间和铸造缺陷可以提高生产率。

模拟计算首先进行前处理,前处理的主要工作是对铸件铸型的 3 维实体造型进行网格分析,然后在模拟软件中导入实体造型文 件,输入实际设置条件,包括入流边界、 初始温度、 热电偶位置设置、 浇注温度,铝液的化学成分,浇注时间等。前处理完毕之后开始数值 模拟计算,包括一个循环当中的合型和开型过程,合型过程考虑充 型和凝固,开型过程只考虑铸型型腔的传热。数值模拟计算部分可 以考虑多个循环过程,以便于观察生产过程是否稳定。

模拟计算完成后是后处理过程,主要是对模拟计算结果进行可 视化分析,对铸造工艺参数进行调整。

(少量卷气多发生在金属液交汇处)

QQ图片20170215094529

通过这种模拟分析,可以预测出温度和充型对于轮毂缺陷方面 的影响,作为参考,工艺人员可以根据此结果进行方案优化,对温度 进行控制,从而提高产品的质量。最终可得出实际结果与模拟结果 进行对比,进一步验证。

3 压铸过程数值模拟研究进展

高压铸造(简称压铸)生产过程是一种动态循环的过程在压铸过 程中模具温度随压铸周期的进行呈周期性的上升或下降。在压入金 属液后的极短时间内模具温度上升至最高点然后迅速下降其后的 变化平稳且随着离铸件距离的增大模具温度变化的幅度和速度渐 小。这些周期性的变化使模具表面产生周期性的热膨胀、 收缩及热 应力最终导致模具热疲劳失效[1]。故采用数值模拟方法,预测铸件与 模具各部位的温度分布及变化规律,可达到优化工艺方案控制及确 保铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本提高经济效益的目的。

压铸模具成本较高,制作困难,精度高,这就对设计者有较高的 要求,最好的成果就是一次成功,达到效益最大化。数值模拟提供了 一个良好的平台,使模具的制作前有一个检验的过程,使压铸过程 数字化体现。

4 结论

通过上述介绍,描述了数值模拟技术砂型铸造和压铸实际生产 中的应用过程,结果表明铸造数值模拟技术可帮助设计人员能够预 测铸造过程可能产生的缺陷,使用不同方案对比,从而制定出最优 工艺方案最终实现对铸造工艺的优化。在模具成本方面,可以减少 因工艺原因造成的模具制作费用和改善修理费用,缩短了产品研发 周期。同时节约了试验成本,在成本 CI 方面有显著成效。随着计算 机软硬软件技术的发展,数值模拟技术将更加广泛的在铸造生产中 得到应用,使不可控的流动、 凝固过程逐步实现为可控因素。

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