zl101a鋁合金壓鑄工藝的數(shù)值模擬

zl101a鋁合金壓鑄工藝的數(shù)值模擬

鋁是世界上最重要的金屬元素，鋁也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。1u2004試驗(yàn)材料和方法1.1鑄造工藝對(duì)模具材料燃燒的影響鑄件材質(zhì)為ZL101A鋁合金，化學(xué)成分如表1所示，其液相溫度為615℃，固相溫度為555℃。壓鑄件外觀如圖1所示，其尺寸為75mm×100mm×100mm，主體部分平均壁厚3.5mm，質(zhì)量為0.56kg。根據(jù)工業(yè)用鋁合金壓鑄技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定鋁合金壓射速度分別為1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s，模具溫度分別為200℃、250℃、300℃，澆注溫度分別為640℃、650℃、660℃。本文采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)壓鑄鋁合金工藝方案進(jìn)行研究，表2是超聲振動(dòng)法制備鋁合金半固態(tài)漿料的正交實(shí)驗(yàn)方案。1.2加熱及冷卻爐的保溫本實(shí)驗(yàn)利用超聲振動(dòng)法制備ZL101A鋁合金漿料，采用不同的超聲振動(dòng)功率制備了四組試樣。首先稱取每組50g的ZL101A鋁合金放在直徑61mm、深度60mm的剛玉坩堝中，在電阻爐中加熱至740℃并保溫30min。當(dāng)熔體冷卻至650℃時(shí)，由于超聲波變幅桿需要浸入熔體中，須將變幅桿和處理爐保持在相同的溫度下進(jìn)行保溫。在650℃下對(duì)熔體進(jìn)行超聲處理，超聲功率分別為0、600W、800W、1000W，超聲頻率為20kHz。從四組試樣中部中取小塊試樣鑲嵌成Φ22mm的金相試樣，用200目、800目、1500目及2000目的砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光，先用水和酒精清洗，再用0.7%HF溶液對(duì)金相進(jìn)行腐蝕，使用OLYMPUSPMG-3光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌。2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格劃分本研究將壓鑄件模型STL格式文件導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)其充型過程進(jìn)行模擬仿真，先對(duì)壓鑄件進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為100000個(gè)。設(shè)置工藝參數(shù)壓射速度、模具溫度、澆注溫度和其他參數(shù)，其中重力方向和澆注方向是沿Y軸負(fù)方向，進(jìn)行模擬。3模擬結(jié)果與u2004分析3.1充型中期、后鑄件特點(diǎn)圖3是鑄件完整充型過程2D圖。由圖3可知，在充型初期，鋁合金熔體經(jīng)沖頭推入模具腔體內(nèi)，只在沿腔體內(nèi)壁推進(jìn)受阻。在充型中期，熔體在90°轉(zhuǎn)角處熔體撞擊內(nèi)壁產(chǎn)生飛濺，一部分向兩邊流動(dòng)，一部分回濺并產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象。在充型后期，鑄件的空隙幾乎被熔體充填滿，表面平臺(tái)最后被填滿，壓力分布均勻，有梯度。由圖3a、b、c、d中分別充型到15%、35%、75%、100%的充型過程圖可知，在鋁合金鑄件的90°拐角處容易產(chǎn)生缺陷。3.2壓鑄件的最低溫圖4是鋁合金鑄件正交實(shí)驗(yàn)方案的充型結(jié)果溫度模擬圖。整個(gè)充型過程中，溫度梯度沿著充型的方向逐漸減小，在澆口有源源不斷的熔體流入，溫度最高；最低溫在鑄件底部出現(xiàn)，因?yàn)槟汤鋮s時(shí)間最長。溫度梯度分布均勻3.3模具腔體撞擊造成圖5是鑄件壓力場模擬結(jié)果圖。從圖5中可以看出，金屬熔體從澆口進(jìn)入模具腔體，撞擊內(nèi)壁，在90°轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)一些壓力不均現(xiàn)象，易導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。圖5e、f兩組壓力梯度較小，分布較均勻，有利于減少鑄件表面缺陷的出現(xiàn)。3.4缺陷模擬結(jié)果圖6顯示了鑄件充型100%后的表面缺陷，模擬結(jié)果顯示缺陷一般產(chǎn)生在內(nèi)壁邊緣和轉(zhuǎn)角處，此處壓力和溫度分布較不均勻。圖6e模擬的鑄件表面缺陷相對(duì)較少，鑄件成形較為理想。3.5工藝參數(shù)對(duì)模具溫度和壓力場分布的影響結(jié)合九組正交實(shí)驗(yàn)的溫度場、壓力場、表面缺陷的模擬圖，綜合考慮最佳的壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度=2.0m/s，澆注溫度=650℃，模具溫度=300℃。從溫度場和壓力場分布看，試驗(yàn)e組的溫度和壓力分布較均勻，溫差小，不易發(fā)生縮孔、熱裂等現(xiàn)象；就鑄件的充型結(jié)果而言，試驗(yàn)e組的表面缺陷也較少。4超聲功率對(duì)zl1a鋁合金微觀組織的影響壓鑄工藝決定了壓鑄鋁合金零件的宏觀結(jié)構(gòu)，鋁合金的微觀組織很大程度上影響著壓鑄件的性能，因此獲得較好的鋁合金微觀組織是有必要的。圖7是超聲溫度為650℃，超聲時(shí)間為60s時(shí)在不同超聲功率下的ZL101A鋁合金微觀組織圖。在未進(jìn)行超聲時(shí)，ZL101A鋁合金基體的微觀組織形貌較粗糙，初生α-Al顆粒尺寸較大，主要呈現(xiàn)為長度大于200μm的粗大枝晶，如圖7a所示。當(dāng)施加600W的超聲功率時(shí)如圖7b所示，粗大枝晶被打碎。當(dāng)超聲功率為800W時(shí)，如圖7c所示初生α-Al顆粒尺寸變小。當(dāng)增大超聲功率到1000W時(shí)，初生α-Al顆粒晶粒細(xì)小圓整，形貌最好。所以選擇超聲功率1000W可使壓鑄件微觀組織形貌更圓整。5u2004零件特性分析在正交方案所得最佳工藝參數(shù)和超聲振動(dòng)作用下，進(jìn)行實(shí)際零件的壓鑄。采用J1118F臥式冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行試生產(chǎn)，壓室直徑為50mm，優(yōu)化后和未進(jìn)行優(yōu)化的所得的零件外觀分別如圖8a、b所示。從圖8a中發(fā)現(xiàn)，鑄件表面無明顯缺陷；而在圖8b可明顯看出在鑄件90度拐角處出現(xiàn)充型不完整，表面縮孔等缺陷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，試生產(chǎn)零件產(chǎn)品合格率在93%以上，符合生產(chǎn)使用要求。6確定模具工藝(1）用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真軟件模擬了鋁合金壓鑄件的充型過程，通過對(duì)充型結(jié)果的溫度場、壓力場、表面缺陷的對(duì)比分析，確定了壓鑄工藝：壓射速度2.0m/s，澆注