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(diǎn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行抽真空。實(shí)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(jìn);當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn);當(dāng)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(jìn)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(jìn)行了模擬實(shí)驗研究,利用氣體向液面加壓的同時對模具型腔進(jìn)行抽真空。實(shí)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(jìn);當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)逐層充填,金屬液在充型過程中飛濺嚴(yán)重。在改進(jìn)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(bǔ)縮的優(yōu)點(diǎn),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(jìn)后的方案是合理可行的,實(shí)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(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明,應(yīng)力集中的位置與輪轂實(shí)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(jìn)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(jìn)結(jié)構(gòu)后消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

水冷機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(jìn)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(jìn)行鑄件三維造型,采用procast軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對葉輪的充型過程進(jìn)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(jìn)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?jǐn)?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(qiáng),補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(yùn)用鑄造模擬軟件進(jìn)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(diǎn)以及預(yù)測了存在縮松縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)并重新進(jìn)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(diǎn)的差壓鑄造技術(shù)，進(jìn)一步顯示出重要的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

鑄旋鋁合金輪轂以其高強(qiáng)度、輕量化的特點(diǎn)逐漸成為鋁合金輪轂的一個重要發(fā)展方向。通過鑄造模擬軟件magmasoft對鑄旋的壓鑄過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，解決輪輻根部縮松問題，提高鑄造成品率，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

利用procast軟件對某鋁合金輪轂新產(chǎn)品的多種工藝方案進(jìn)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(jìn)后的工藝方案幾乎不出現(xiàn)"孤立熔池"現(xiàn)象,且實(shí)現(xiàn)了順序凝固的要求。將改進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)方案。經(jīng)過實(shí)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(jìn)生產(chǎn)工藝、減少鑄件廢品等方面具有實(shí)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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化,通過在厚壁處增加冷鐵、增設(shè)內(nèi)澆道等,再進(jìn)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(shí)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。

借助光滑粒子流體動力學(xué)（sph）方法,對所建立的低壓鑄造充型模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果與win-cast軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明,sph方法與win-cast軟件模擬結(jié)果基本一致,能夠較準(zhǔn)確地模擬低壓鑄造充型過程。