汽車變速器頂蓋壓鑄工藝的數(shù)值模擬

鋁合金具有密度小、變形能力強(qiáng)、耐腐蝕性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、汽車、船舶、通訊、化工等行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)CAD/CAE技術(shù)在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用,采用仿真模擬軟件對(duì)鑄件成形過程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,可有效預(yù)判實(shí)際生產(chǎn)中鑄件可能出現(xiàn)的缺陷的種類、大小、位置及發(fā)生時(shí)間,進(jìn)而提出工藝優(yōu)化方案,提高產(chǎn)品品質(zhì),降低產(chǎn)品試制成本和廢品率。1金屬液凝固過程物理過程金屬液充型過程與傳熱及傳質(zhì)密切相關(guān),是一個(gè)伴隨熱量散失的非穩(wěn)定傳質(zhì)傳熱過程。其中金屬液充型過程可用連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程來描述;而充型過程中金屬液與模具之間的熱交換過程可用傅里葉定律、能量守恒定律來描述。式中,D為散度;μ、v、w分別為x,y,z方向的速度分量,m/s。式中,q為熱流密度,W/(m2·s);λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);t為溫度;n為溫度傳遞方向上的距離,m;ρ為金屬液密度,kg/m3;c為比熱容,J/(kg·K);qv為內(nèi)熱源項(xiàng)。金屬液凝固過程伴隨著金屬液能量的散失和溫度降低,以及復(fù)雜模具型腔的熱阻和向周圍空氣的傳熱,是一個(gè)具有熱源的非穩(wěn)定態(tài)傳熱過程。該物理過程遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律。假設(shè)液態(tài)金屬為不可壓縮的理想流體,并忽略紊流作用,可用連續(xù)性方程、體積函數(shù)方程、能量守恒方程、液粒凝固過程的動(dòng)力學(xué)理論來描述這一過程[5~7]。2模擬前處理2.1magmen網(wǎng)格劃分依照二維圖紙,利用Pro/E軟件對(duì)汽車變速箱頂蓋進(jìn)行三維造型,其輪廓尺寸(包括澆注系統(tǒng))為168mm×260mm×66mm,見圖1。鑄件總體積為4.67×105mm3,平均壁厚為7.5mm,內(nèi)澆口面積為300mm2,沖頭直徑為70mm。利用MAGMA網(wǎng)格劃分工具enmeshment進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。為保證模擬精度及合理的計(jì)算時(shí)間,將型腔(Cast)、內(nèi)澆道(Ingate)采用高級(jí)網(wǎng)格劃分,而澆注系統(tǒng)(Gating)、定模(Cover)、動(dòng)模(Injector)采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格劃分,即總網(wǎng)格數(shù)為14900000個(gè)。變速箱頂蓋的網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。2.2材料參數(shù)的配置模具材料為H13鋼,鑄件材料為ADC12。表1為H13鋼和ADC12合金的熱物性參數(shù)。2.3影響因素的選取工藝參數(shù)的選擇直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此根據(jù)壓鑄過程的影響因素,選取4個(gè)具有代表性的因素進(jìn)行正交試驗(yàn):壓射比壓(A)、壓射速度(B)、澆注溫度(C)、模具溫度(D)。建立4因素3水平的正交試驗(yàn)表L9(34),見表2。3正交試驗(yàn)分析與充型模擬3.1模擬結(jié)果及分析根據(jù)正交試驗(yàn)表分別進(jìn)行9組模擬試驗(yàn),將模擬結(jié)果數(shù)據(jù)中的FEEDING(補(bǔ)縮)項(xiàng)作為試驗(yàn)結(jié)果,得到的結(jié)果見表3。通過極差分析可知,壓射速度對(duì)補(bǔ)縮的影響最大,其次是模具溫度,再次是壓射比壓,最后是澆注溫度。故方案2為最佳工藝,即:壓射比壓為40MPa、壓射速度為1.2m/s、澆注溫度為650℃、模具溫度為190℃。3.2充型過程模擬結(jié)果基于方案2的參數(shù),對(duì)鑄件進(jìn)行充型、凝固過程分析。圖3為充型過程的模擬結(jié)果。圖3a為金屬液填充型腔各部分的時(shí)間先后順序?？梢钥闯?金屬液按照預(yù)定的設(shè)計(jì)進(jìn)行填充,由澆口套進(jìn)入,通過直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口填充型腔,在型腔中金屬液近似平行地向上推移,符合金屬液整體平行、全壁厚向前充型的理論,有效降低了金屬液充型過程中卷氣、夾渣缺陷的產(chǎn)生。圖3b為金屬液充型速度模擬結(jié)果?？梢钥闯鼋饘僖涸趦?nèi)澆道處速度最大,達(dá)到19.85m/s,而型腔位置顏色梯度變化較小,只在型腔遠(yuǎn)澆口端局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生明顯顏色梯度。說明金屬液在型腔內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)快速,而在遠(yuǎn)澆口端因開設(shè)溢流槽,能夠更好地降低金屬液因匯流所產(chǎn)生的渦流、卷氣、夾渣等缺陷。圖3c為金屬液充型過程中的氣壓分布,圖3c反映鑄件各部分出現(xiàn)氣孔的傾向。可以看出型腔在90%以上的部分氣壓均在16.16MPa以下,只在遠(yuǎn)澆口端型芯處氣壓較高,達(dá)到31.00MPa左右。說明充型過程總體排氣順暢,只在充型結(jié)束區(qū)的微小區(qū)域內(nèi)存在卷氣現(xiàn)象,由此得出鑄件排氣槽、溢流槽的設(shè)計(jì)基本符合要求。圖3d反映了金屬液在充型過程中與空氣接觸的情況,接觸時(shí)間越長,說明氧化夾渣的傾向越嚴(yán)重?？梢钥闯?在鑄件近澆口端顏色較為平緩,說明溢流槽很好地起到了排氣排渣的作用,而在遠(yuǎn)澆口端,顏色梯度明顯,說明氧化夾渣傾向略微嚴(yán)重,說明雖然整體工藝良好,但仍會(huì)出現(xiàn)微小的卷氣、夾渣現(xiàn)象,需增加溢流槽改善排氣。圖3e為金屬液填充型腔時(shí)個(gè)部分的充型過程,可以看出,金屬液流動(dòng)平穩(wěn)。圖3f為模擬追蹤粒子的流動(dòng)情況,可以看出,金屬液在填充型腔的絕大部分過程中,粒子彎折的情況較少,大部分以流暢的曲線向前充型,只在遠(yuǎn)澆口端型芯處出現(xiàn)渦流。通過增設(shè)溢流槽可有效地降低缺陷的產(chǎn)生。綜上所述,方案2充型過程的模擬結(jié)果整體較好,基本符合設(shè)計(jì)的要求,仍需要在填充末端金屬液匯流處增加溢流槽數(shù)量及截面積,優(yōu)化工藝過程。圖4為凝固過程模擬結(jié)果。圖4a為金屬液凝固時(shí)間的模擬結(jié)果,可以看出在10.37s左右內(nèi)澆口已經(jīng)完全凝固,此時(shí)作用在沖頭上的增壓壓力將無法作用在鑄件上,即此時(shí)刻為最佳保壓時(shí)間,這與設(shè)計(jì)的保壓時(shí)間10s符合較好,說明設(shè)計(jì)合理。圖4b為金屬液凝固區(qū)間的模擬結(jié)果,反映了鑄件各部位晶粒的大小?？梢钥闯鲨T件大部分區(qū)域凝固時(shí)間在5s左右,只在近澆口位置由于澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮,導(dǎo)致凝固速度較慢,凝固時(shí)間較長,達(dá)到11s左右,但同樣由于高壓壓力的作用,使鑄件整體組織更加致密,降低內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生,結(jié)合圖3a可知設(shè)計(jì)的留模時(shí)間25s比較合理。圖4c為鑄件凝固過程可能出現(xiàn)的熱節(jié)的分布情況。與圖4d鑄件凝固過程可能出現(xiàn)的縮孔、縮松的分布形成良好的等價(jià)關(guān)系。從圖4d可知,鑄件整體并沒有出現(xiàn)明顯的縮孔、縮松,只在鑄件非重要部位出現(xiàn)微小的縮松,說明鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理。對(duì)于熱節(jié)較大的部位,可以考慮增加局部冷卻裝置,從而改善局部的傳熱狀況,以達(dá)到減小縮松尺寸或轉(zhuǎn)移縮松位置的目的,提高鑄件的內(nèi)部品質(zhì)。4型腔遠(yuǎn)澆口增設(shè)水冷系統(tǒng)根據(jù)以上分析結(jié)果,現(xiàn)對(duì)模具做出優(yōu)化設(shè)計(jì)(見圖5):(1)在型腔遠(yuǎn)澆口端增設(shè)溢流槽和排氣槽,最大限度排出氣體、氧化夾渣;(2)在鑄件局部熱節(jié)處增加水冷裝置,降低縮孔、縮松的產(chǎn)生;(3)在型腔直澆道位置增大冷卻水管直徑,促進(jìn)凝固溫度場(chǎng)平衡。5實(shí)際生產(chǎn)性能分析根據(jù)模具設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果制造模具,使用華藝5000kN壓鑄機(jī),按優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試制。經(jīng)X射線探傷機(jī)進(jìn)行批量檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鑄件整體沒有出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔等缺陷見圖6。只是在鑄件非重要的部位出現(xiàn)了縮松,見圖6d。說明鑄件模具設(shè)計(jì)合理,工藝參數(shù)選擇合理。6agma工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)(1)將MAGMA模擬結(jié)果與試制鑄件的探傷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,