大型薄壁復(fù)雜鋁合金油底殼低壓鑄造過程數(shù)值模擬

針對航天各型號結(jié)構(gòu)用大型薄壁鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)特點和內(nèi)部質(zhì)量要求,結(jié)合低壓鑄造的工藝要求和生產(chǎn)實踐,從加工余量和鑄造斜度、澆注系統(tǒng)、冷鐵結(jié)構(gòu)、排氣結(jié)構(gòu)和冒口的設(shè)計等方面進行了分析和總結(jié),特別是提出了縫隙式內(nèi)澆道上端設(shè)置暗冒口的工藝設(shè)計,有效地改進了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

采用有限元模擬仿真軟件結(jié)合正交試驗方法,對鋁合金汽車座椅骨架低壓鑄造工藝進行數(shù)值模擬,研究了低壓鑄造加壓工藝參數(shù)對鑄件縮松、縮孔、充型及凝固規(guī)律的影響。結(jié)果表明,當充型時間為1.5s、增壓壓力為7kpa及保壓時間為100s時,鑄件縮孔、縮松率最小,且成形質(zhì)量最佳。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬試驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。實驗結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進;當真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進行了比較,兩者具有良好的一致性。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬試驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。試驗結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進;當真空度為-0.02mpa。加壓氣壓為0.02mpa時為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進行了比較,兩者具有良好的一致性。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對鋁液的低壓充型過程進行了模擬實驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進行抽真空。實驗結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進;當真空度為-0.02mpa、加壓氣壓為0.02mpa時,為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進行了比較,兩者具有良好的一致性。

利用viewcast軟件對某大型薄壁鋁合金筒體鑄件差壓鑄造充型和凝固過程進行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,由于鑄件較高,縫隙式澆注系統(tǒng)無法實現(xiàn)逐層充填,金屬液在充型過程中飛濺嚴重。在改進方案中,采用環(huán)形橫澆道和環(huán)形內(nèi)澆道取代縫隙式澆道,并吸取縫隙式澆注系統(tǒng)橫向補縮的優(yōu)點,在鑄件相應(yīng)部位設(shè)置工藝筋并配合使用冷鐵。再次模擬結(jié)果表明,改進后的方案是合理可行的,實現(xiàn)了平穩(wěn)逐層充型和鑄件的順序凝固。

利用流體模擬軟件flow-3d對輪轂在低壓鑄造過程中的應(yīng)力進行了模擬研究。結(jié)果表明,應(yīng)力集中的位置與輪轂實際產(chǎn)生裂紋的位置一致。在這個基礎(chǔ)上,對輪轂的模具結(jié)構(gòu)進行了分析,發(fā)現(xiàn)由于模具結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致應(yīng)力集中,改進結(jié)構(gòu)后消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

水冷機殼鋁合金薄壁零件低壓鑄造工藝非常復(fù)雜。為降低產(chǎn)品試制成本,應(yīng)用anycasting軟件對充型過程中的壓力變化及充填時間進行數(shù)值模擬,以研究各種工藝因素對充型凝固過程的影響,并預(yù)測螺旋砂芯的存在引起的充填不足、縮松等低壓鑄造缺陷。結(jié)果顯示,合理調(diào)整壓力、增壓速度和模具溫度等工藝參數(shù),可提高產(chǎn)品質(zhì)量,穩(wěn)定水冷機殼低壓鑄造生產(chǎn)。

針對大型鋁合金輪轂低壓鑄造過程中在熱節(jié)處產(chǎn)生的縮松、縮孔問題,提出改變模具溫度和模具厚度的方法消除缺陷,但對＂孤立熔池＂現(xiàn)象影響較小。為此在以上兩種優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上,又在對應(yīng)產(chǎn)生缺陷部位的模具上加設(shè)水冷管。結(jié)果表明,該方法不僅使輪轂實現(xiàn)順序凝固,消除了輪轂厚大部位的缺陷,還提高了輪轂的冷卻速度,縮短了生產(chǎn)周期。

鋁合金大型薄壁復(fù)雜件鑄造工藝—熔模石膏型

鋁合金大型薄壁復(fù)雜件鑄造工藝—熔模石膏型

論述了低壓鑄造充型模擬的數(shù)學(xué)模型,由于低壓鑄造充填速度較慢、充型平穩(wěn),因此充型計算采用層流模型。采用sola-vof算法對模型進行求解,其中sola法用于求解流體的速度場和壓力場,vof法用于處理自由表面。采用ug軟件進行鑄件三維造型,采用procast軟件進行網(wǎng)格劃分,對葉輪的充型過程進行了模擬,并通過對葉輪的澆注試驗,驗證了低壓鑄造充型的數(shù)學(xué)模型及算法在保證模擬精度、提高計算效率上的有效性。

以計算流體力學(xué)和計算傳熱傳質(zhì)學(xué)作為理論基礎(chǔ),利用大型模擬軟件ansys對箱體的低壓鑄造過程進行了數(shù)值模擬,分析了鋁合金在低壓鑄造充型過程中的流場以及凝固過程中的溫度、固相分數(shù)的分布情況,預(yù)測鑄件可能出現(xiàn)的缺陷,為優(yōu)化鑄造工藝和模具設(shè)計提供參考。

磁動力真空調(diào)壓鑄造技術(shù)是在電磁充型低壓鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種鑄造技術(shù),其充型能力強,補縮能力高。通過研究磁動力真空調(diào)壓鑄造中影響金屬液充型能力的因素,如真空度和澆注系統(tǒng)等,得出了磁動力真空調(diào)壓鑄造法的最佳充型工藝參數(shù)。該技術(shù)尤其適合復(fù)雜薄壁鑄件的高品質(zhì)鑄造,具有廣闊的發(fā)展前景。

利用鑄件凝固過程數(shù)值分析方法研究了鋁合金汽缸蓋的低壓鑄造凝固過程,預(yù)測了缸蓋鑄件內(nèi)部可能產(chǎn)生的缺陷。模擬顯示,內(nèi)澆口到零件厚壁之間的通道易形成縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果及理論,對低壓鑄造工藝進行了優(yōu)化設(shè)計,分別采用增設(shè)冷卻系統(tǒng)、控制模具的預(yù)熱溫度、對澆口進行保溫處理三種工藝措施。同時采用上述三種工藝措施,對消除缸蓋鑄件熱節(jié)點的縮孔、縮松缺陷效果最好。

以鋁合金汽車輪轂為研究對象,運用鑄造模擬軟件進行了低壓鑄造數(shù)值模擬計算,獲得了充型和凝固的動態(tài)過程,觀察到了低壓鑄造中金屬液流動的狀態(tài),獲得了金屬液停止流動和凝固的時間點以及預(yù)測了存在縮松縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果進行改進并重新進行模擬,結(jié)果表明,充型過程中金屬液流動更加平穩(wěn),凝固過程中可能產(chǎn)生的縮孔、縮松等缺陷得到有效的消除。

近年，隨著國防和民用領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)大型復(fù)雜鋁合金鑄件，尤其是汽車行業(yè)對鋁合金輪轂日益增長的迫切需求，兼有低壓鑄造和增壓鑄造優(yōu)點的差壓鑄造技術(shù)，進一步顯示出重要的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

利用procast軟件對某鋁合金輪轂新產(chǎn)品的多種工藝方案進行模擬分析。模擬結(jié)果顯示,鋁合金,輪輞與輪輻的肋部交接位置易出現(xiàn)"孤立熔池"現(xiàn)象,為此提出降低邊模溫度,同時設(shè)計了輪輻與輪輞交接處的冷卻系統(tǒng)及相應(yīng)的工藝參數(shù)。通過對多種工藝方案模擬結(jié)果的對比分析,證明改進后的工藝方案幾乎不出現(xiàn)"孤立熔池"現(xiàn)象,且實現(xiàn)了順序凝固的要求。將改進后的工藝方案投入試生產(chǎn),產(chǎn)品抽檢結(jié)果與模擬結(jié)果基本符合。

以實際生產(chǎn)中的鋁合金輪轂鑄件為例,采用商用軟件anycasting和自己開發(fā)的低壓鑄造過程數(shù)值模擬軟件對其充型過程進行了模擬,并針對鋁合金輪轂件的氣孔缺陷分析提出了工藝改進方案。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證,有氣孔缺陷的產(chǎn)品明顯減少,表明數(shù)值模擬技術(shù)在低壓鑄造領(lǐng)域中對于改進生產(chǎn)工藝、減少鑄件廢品等方面具有實際指導(dǎo)意義。

利用viewcast軟件對殼體鑄件石膏型低壓鑄造工藝進行充型、凝固模擬,根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測鑄件中可能產(chǎn)生缺陷的位置及大小。結(jié)果表明,鑄件側(cè)耳部位存在大面積縮松、縮孔缺陷,生產(chǎn)的鑄件側(cè)面組織存在不同程度縮松現(xiàn)象。分析缺陷產(chǎn)生的位置及原因,對初始工藝方案進行優(yōu)化,通過在厚壁處增加冷鐵、增設(shè)內(nèi)澆道等,再進行凝固模擬。最終模擬結(jié)果表明,方案優(yōu)化后減少了鑄造缺陷。經(jīng)實際生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部無缺陷,獲得了滿足生產(chǎn)要求的鑄件。

在低壓鑄造成形過程中,液態(tài)金屬流體的充型和凝固是其中最核心和最重要的兩步流程,其工藝水平將決定鑄件的成型質(zhì)量和成品率,而且鑄造過程中所產(chǎn)生的各類鑄造缺陷大都來自于這兩個階段。本文將對盤體類零件低壓鑄造的充型和凝固過程進行計算機數(shù)值模擬,介紹其理論基礎(chǔ),并將溫度場數(shù)值模擬技術(shù)和流場數(shù)值模擬技術(shù)耦合仿真,運用ansys有限元軟件中的cfd流體仿真模塊和thermal模塊,對盤體類零件低壓鑄造充型和凝固過程中的流場和溫度場變化進行研究。

摩托車鋁合金缸蓋的低壓鑄造