鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過(guò)程的模擬講解課件

1、鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過(guò)程的模擬 研究背景/目的鋁合金半固態(tài)壓鑄(觸變成形)研發(fā)階段的工作雖已接近于成熟,但與充型系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)數(shù)據(jù)尚不充分。為改進(jìn)計(jì)算機(jī)模擬精度,需要準(zhǔn)備一些基本的參數(shù)。輔助充型系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),改善零件的質(zhì)量。 主要內(nèi)容通過(guò)對(duì)壓鑄過(guò)程的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模擬相結(jié)合的方法,確認(rèn)模擬的初始參數(shù),奠定模擬的準(zhǔn)確性分析和驗(yàn)證典型試樣充型流場(chǎng)與鑄造缺陷的關(guān)系,優(yōu)化模具設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用于汽車(chē)零件的研發(fā)過(guò)程,預(yù)測(cè)缺陷和對(duì)策 研 究 方 法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)材料 A356鋁合金主要實(shí)驗(yàn)工藝過(guò)程(制坯二次加熱壓鑄)制造坯料的水平連鑄裝置電磁攪拌多工位旋轉(zhuǎn)式坯料感應(yīng)二次加熱設(shè)備感應(yīng)圈控制面板500噸壓鑄機(jī)壓鑄條件模具

2、溫度: 523K(250)坯料溫度: 858-863K(585-590)試樣的三維CAD模型, 10個(gè) 測(cè)試點(diǎn) 試制零件的三維CAD模型Rear bridge support Rear bridge support(type)Rear bridge support(type)Forward control arm計(jì)算條件(模擬軟件: ADSTEFAN)Physical properties of Aluminum alloy A356 * Function of solid fractionRelationship between kinematic viscosity and solid f

3、raction Densitykg/m3 SpecificheatkJ/(kg K) ThermalconductivityW/(m K) LatentheatKJ/kg Kinematic viscositym2/s LiquidsK SolidusK 27000.96 155 389 *887 850 Solid fraction, % 0 0-6060KinematicViscositym2/s 1E-06 Linear inserting value 1E-05 力學(xué)性能測(cè)試研究(實(shí)驗(yàn)與模擬)結(jié)果半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響f=0f=1f=0.5半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響

4、摩擦系數(shù)雖然幾乎不影響總的充型時(shí)間以及最終匯流的位置,但對(duì)流體的表面充型狀態(tài),匯流方式和充型模樣存在一定的影響。因?qū)嶋H摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定是十分困難的,本研究根據(jù)反復(fù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)在該階梯形板狀試樣以及其他零件模具的模擬計(jì)算中選擇了0.5的摩擦系數(shù)。半固態(tài)流體充型時(shí)背壓(排氣)的影響物理模型V=A(c3/L)(P-P0)tS V為空氣的體積; A為空氣的流動(dòng)系數(shù); L和c分別是排氣口的長(zhǎng)度和寬度; P和P0分別為型內(nèi)外的空氣壓力; t和S分別是時(shí)間步長(zhǎng)和排氣面積 網(wǎng)格長(zhǎng)度單位為1cm排出的空氣有無(wú)背壓的對(duì)比 未考慮背壓 考慮背壓鑄型/鑄件之間換熱系數(shù)的影響5000Wm2K 9500Wm2K 1400

5、0Wm2K 壓鑄機(jī)的推桿速度的影響 0.1m/s 0.5m/s 0.8m/s壓鑄機(jī)沖頭的位移曲線慢壓式 快壓式充型主要階段充型末期和保壓階段此前為推桿空走預(yù)備充型(含將料缸中的坯料推至模具入口的預(yù)備期)充型主要階段充型末期和保壓階段位移曲線測(cè)試結(jié)果小結(jié)(1)慢壓式和快壓式各具有明顯不同的位移曲線,各次測(cè)試的結(jié)果均反映出相似的曲線特征,說(shuō)明壓鑄機(jī)系統(tǒng)可以保證相對(duì)穩(wěn)定的充型狀態(tài);(2)慢壓條件下兩種方法得到的位移曲線非常相似,雖然壓鑄初期的推桿空走和后期的保壓階段存在少許位移的差別,但模具型腔充填時(shí)的位移變化斜率(即速度)基本一致,涉及充型的部分包括充型主要階段和充型末期,由位移曲線的斜率變化可以

6、推算出這兩個(gè)階段的推桿速度分別約為0.25 m/s(按70%計(jì))和0.06 m/s(按30%計(jì)),這將作為后續(xù)模擬的初始條件;(3)快壓條件下的位移曲線按前圖所示同樣可分為充型主要和充型末期兩個(gè)階段,從曲線的斜率可以推算出推桿速度分別為0.79 m/s(按70%計(jì))和0.09 m/s(按30%計(jì));(4)壓鑄機(jī)測(cè)試記錄系統(tǒng)和高速攝像機(jī)測(cè)試的結(jié)果雖存在差異,但反映的趨勢(shì)是一致的,也說(shuō)明了測(cè)試記錄系統(tǒng)的準(zhǔn)確與可靠。 型內(nèi)流動(dòng)的測(cè)試坯料加熱后的組織形貌中心位置邊緣位置充型過(guò)程的Short shot實(shí)驗(yàn)(快壓式)充型模擬（溫度場(chǎng)顯示）模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比 Short-shot Simulation def

7、ects analysisDistribution imageCombination photowith low magnification50m模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比X-ray inspection Simulated cross-section充型過(guò)程的Short shot實(shí)驗(yàn)(慢壓式)充型模擬（溫度場(chǎng)顯示）輔助模具優(yōu)化因現(xiàn)行模具在快壓式的成形條件下,存在著如上所述的鑄造缺陷,通過(guò)觀察模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本研究擬從修改模具型腔局部形狀,澆口(gate)大小和形狀等方面尋求優(yōu)化的工藝方案,在模擬計(jì)算時(shí)固定通常的模具預(yù)熱溫度(523K)和壓鑄機(jī)的推桿速度(0.8m/s)。 模具型腔的局部形狀模擬結(jié)果ga

8、te的形狀與大小模擬結(jié)果局部中空的設(shè)計(jì)模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(1)模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(2)模擬結(jié)果該處的充滿較方案11明顯加快試樣上部大致呈逐層充填特征凸臺(tái)作為局部的最終充填之處,可望實(shí)現(xiàn)排渣集氣的目的凸臺(tái)作為局部的最終充填之處,可望實(shí)現(xiàn)排渣集氣的目的試樣上部大致呈逐層充填特征初始方案的凝固模擬 凝固特征的比較 改進(jìn)方案的凝固模擬 模具溫度分布的求解半固態(tài)壓鑄的成形周期穩(wěn)定狀態(tài)下的模具溫度分布在30個(gè)壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化 (模具初始預(yù)熱至250)在30個(gè)壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化 (模具不預(yù)熱)模具優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證缺陷分析快壓式慢壓式凸臺(tái)內(nèi)組織分布快壓式慢壓式力學(xué)性能的對(duì)比模具

9、的不同壓鑄方式抗拉強(qiáng)度MPa延伸率%備注原模具快壓2074.43平均值慢壓2217.99優(yōu)化后的模具快壓2387.65慢壓26510.3汽車(chē)零件的研制 (后橋支撐座) A severe demand for desk frame fatigue experiment (all samples450000 cycles) A trouble example In testing machine Crack position in diecasting Analyzing reason by computer simulation animation Un-filling area in the

10、front of gate To optimize design of gating sysytemThe shape and size of gate are optimizedX-ray inspection(1)X-ray inspection(2)結(jié) 論（一）系統(tǒng)地比較了壓鑄過(guò)程不同主要因素(溶體/型壁的摩擦系數(shù),模具型腔的背壓,溶體/型壁的換熱系數(shù)和壓鑄機(jī)的推桿速度)對(duì)充型狀態(tài)的影響,為確定后續(xù)模擬的主要使用條件打下了基礎(chǔ)。通過(guò)測(cè)試并驗(yàn)證壓鑄過(guò)程的位移曲線較為準(zhǔn)確地推測(cè)壓鑄速度,有益于提高模擬的精度;通過(guò)型內(nèi)充型軌跡實(shí)測(cè)和模擬的對(duì)比以及引入獨(dú)特的Short shot實(shí)驗(yàn)法為模擬提供了有力的支持和旁證手段。結(jié) 論（二）試樣鑄造缺陷的分析與模擬以及Short shot結(jié)果的反復(fù)對(duì)比表明，流場(chǎng)與缺陷形成有緊密的相關(guān)性,通過(guò)流場(chǎng)的模擬可以預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生缺陷的位置