鎂合金壓鑄件凝固過程計算機模擬（nǐ）

摘 要: 分析了壓鑄工藝的特點以及（jí）壓鑄過程數值模擬軟（ruǎn）件的要（yào）求, 利用鑄造過（guò）程分析軟件模擬鎂（měi）合金（jīn）壓鑄件（jiàn）凝固過程 的（de）溫度場, 基於溫度場分析結（jié）果, 預（yù）測在鑄件凝固時形成縮孔、縮鬆等缺陷的位置及分布, 優（yōu）化鑄造工藝設計。 鎂合金具有（yǒu）較高（gāo）的比（bǐ）強度、良好（hǎo）的減震性（xìng）和切削 加工性及尺寸的穩定性等 , 這些優良的特性使它成為 非常（cháng）重要的現代工業材料。目前鎂合（hé）金壓鑄件被廣泛 應用於汽車、航空航天和計算機製（zhì）造業等各個領域 。 由於其熱流動性好（hǎo） , 適合薄壁件的（de）壓鑄（zhù）生產 。 隨著計（jì）算機軟、硬（yìng）件技術（shù）的飛速發（fā）展 , 凝固過程數 值模擬（nǐ）技術在（zài）鑄造生產中得到了廣泛的（de）應用 。由於 金屬液體積的收縮及雜質的富集 , 鑄件中凝固最（zuì）慢的 區域容易產生（shēng）縮孔、縮鬆等缺陷 。本文應用鑄造（zào）模擬 軟件對壓（yā）鑄（zhù）件進行凝（níng）固過程的數值模擬 , 預測在鑄件 凝固時形成縮（suō）孔、縮（suō）鬆等缺（quē）陷的位置及分布 , 指導模具 設計過程中合理設置（zhì）溢流槽。 1 模型的建立 1.1 有限元溫度場計算原理 偏微分方程熱（rè）傳（chuán）導簡稱導熱 , 屬於接觸傳熱 , 是連 續介質就（jiù）地（dì）傳遞熱量而沒有各部分物質之間宏觀的相 對位移的過程。熱力（lì）學第（dì）一定律說明了隻有在各物體或者 物體各部分處於不同溫度時 , 熱（rè）量才能從一（yī）個（gè）物體傳遞（dì） 到另一個物體 , 或者從（cóng）物（wù）體（tǐ）的某一（yī）部分傳遞到物體的另 一部分 , 並且熱量總是從溫（wēn）度最高處流向（xiàng）溫度最低處。 傅裏葉定律就是處理導（dǎo）熱問題的基本（běn）定律： 式中 : q 是比熱流量 , λ是導熱係（xì）數 , & T/&n 是溫度（dù）梯度（dù）。 靜止的液（yè）體金屬或形成凝固層以後的金屬向鑄型 傳熱主要以不穩定導熱方式進（jìn）行。實際情況中多以三 維不穩定導（dǎo）熱偏微分方程為基（jī）本（běn）數學模型 , 即 : 式 (2) 是依據傅裏葉定律采用微元體積法在三維 直角坐標係下推導得出的。針對鑄件凝固過程中由於（yú） 潛（qián）熱釋放而產生的內熱源 , 式 (2) 應為 : 式中 : ρ 為（wéi）密度（dù） ; C P 為比熱容 ; L 為潛熱 ; f s 為固相率（lǜ） ; T 為凝固溫度 ; τ 凝固時間。 式 (3) 為鑄件凝固過（guò）程數值模擬基本數學模型 , 其 中最後一項為內熱源項（xiàng）。 1.2 邊界條件 對於金屬型鑄件模擬的邊（biān）界條件 , 確定鑄件與模 具之間的界麵換熱（rè）係數最為（wéi）重要 , 本模（mó）擬采用的方法 如下 : 式中 : H 為界麵換熱係數 ; H c 為間隙氣體導熱係數 ; H t 為輻射換熱係數 ; X g 為間隙（xì）寬度 ; T ic 為界麵處鑄件溫度; T im 為（wéi）界麵處模具表麵溫度; σ是（shì）波（bō）爾（ěr）滋曼常數; e 1 為鑄件熱輻射係數; e 2 為模具表麵熱輻射係數。 1.3 潛熱處理 由於 AZ91B 合金結晶（jīng）溫（wēn）度範（fàn）圍較窄, 所以采用溫 度回（huí）升法進行潛熱釋放的處理（lǐ） : 式中: C P 為合金的比熱容; !T 為回升的溫度; T l 為合 金的液相（xiàng）線溫度; T 為合金的當前溫度; L 為合金凝固 潛熱。 2 鎂合金壓鑄件凝（níng）固數值模擬 換檔殼體零件平均壁厚為 4.2 mm, 采用鎂合金為 材料。根（gēn）據使用條件, 要求零件具有較好的氣（qì）密性和 光潔表麵（miàn）, 采用壓力鑄造（zào）。本文鑄造模擬軟件是采用 基於有（yǒu）限元 (FEM) 的數值計算和綜（zōng）合求解的（de）方法, 對 鑄件凝固（gù）和冷卻過程中的流場（chǎng）、溫度場、應力場和電 磁場進行模擬分析。 壓 鑄 件 采 用 AZ91B 合 金 , 澆 注 溫 度 設 定 為 650℃, 衝頭直徑 40 mm, 衝頭速度（dù）為 1.5 m/s 。計算時 鑄件的網格單元為 201 175 個, 在 PⅣ 2.6GHz 微機上 進行, 所用 CPU 時間為 3 h 。鑄件和模（mó）具的物理性能如 表 1 所示。 圖 1~ 圖 4 是 鑄 件 充（chōng） 型 完（wán） 成 後 不 同 時 間 的 凝 固 溫 度, 從圖中可以清楚的看到（dào） 不 同 時（shí） 間 壓（yā） 鑄 件 的 凝 固 順 序, 這樣可以迅速的確（què）定潛 在問題（tí）的區域。從圖 1 可（kě）以 看 出 , 壓 鑄 件 最 高 溫 度（dù） 650℃, 通過模擬結果, 可知（zhī）鑄 件（jiàn）的凝（níng）固時（shí）間為 0.2 s, 固相比 例為 0.000 1% 時, 可以認為 鑄件剛開始凝固。從圖中可 以看出溫度分布根據殼體鑄 件的厚度增加而升高。鑄件 的薄壁處和邊緣溫度明顯低 於上端厚大處和（hé）左端最後充（chōng） 型處。 圖 2 是充（chōng）型後 3s 時的 鑄件溫度分布（bù）, 壓（yā）鑄件最高（gāo） 溫度 580℃, 固相比例為 38%,正處於凝固過程的中期階段。由於（yú）厚度不均勻, 溫度在 鑄件（jiàn）的厚大部位和（hé）複雜部位的溫度較高, 在薄殼（ké）部位 溫（wēn）度下（xià）降較快, 所以凝固時的溫度分布不均勻, 可能造 成鑄件內部組織的不均勻, 但這（zhè）時鑄件液相還占有很 大的比例, 可以對組織稀鬆處進行補縮。 圖 3 是充型後（hòu） 8 s 的鑄件溫（wēn）度分布, 壓鑄件最高溫度 510℃, 固相比例 為 84%, 這時鑄件主體已經凝固, 隻有在零件壁較厚和 結構複雜處還沒有完全凝固。 圖 4 是鑄件澆注後 10 s 時鑄（zhù）件溫度分布, 壓鑄件最高（gāo）溫度（dù） 450℃, 通過（guò）模擬結 果（guǒ）, 可知固相（xiàng）比例為 92%, 這是因為鋼質金屬型比（bǐ）普通 砂型有著（zhe）較高的導熱率和蓄熱能力的緣故。在澆注後（hòu） 10 s 時, 鑄件大部分已經凝固, 隻有（yǒu）在鑄（zhù）件上（shàng）端厚大處 和左端最後充型處有液相的存在, 隨著（zhe）鑄件凝固（gù）過程 的進行, 合金的（de）體積收縮, 又沒有合金（jīn）液的填補, 往往 在鑄件最後凝固的部位出（chū）現縮孔。容積大而集中的孔（kǒng） 洞體為集中（zhōng）縮孔 , 細小而（ér）分散的孔洞（dòng）為縮鬆。所（suǒ）以, 可 以（yǐ）確定鑄件上端厚大處和（hé）左端最後充型處（chù）為縮孔（kǒng）、縮 鬆等缺陷富（fù）集的區域。根據（jù）模擬分（fèn）析結果 , 指（zhǐ）導模（mó）具設 計過程中在（zài）上端厚大處和左端最後充型處設置溢流 槽, 避免缺陷（xiàn）在該處產生。 3 結論 通過模擬分析換檔殼體零件, 得到在澆注溫度（dù）為 650℃ 、速度為 40 m/s 、模具（jù）溫度（dù）為 200℃ 的條件下, 充 型、凝固效果較好, 鑄件（jiàn）整體質量（liàng）較高, 需要充型時間 0.0579 s, 完全凝固（gù）時間 10 s 。根據模擬結果可知凝固過 程 中 在 鑄 件 的 上 端 厚 大 處 和 最 後 充（chōng） 型（xíng） 處 會 富 集 縮 孔、縮鬆等缺陷, 指導（dǎo）鎂合金壓（yā）鑄模具設計在該處設（shè）置溢流槽, 避免缺陷在這兩個區域產生。 通過（guò）對換檔殼體（tǐ）零件溫度場數值模擬, 可見采用 有限元法模擬計算薄壁鑄件的凝固過程是一種行之有（yǒu） 效的方法。可提高鑄造工藝設計的精度（dù）和鑄造工藝出（chū） 品率 , 降低鑄件的廢品率。能夠準確的反（fǎn）映壓鑄件溫度 場的變化, 並預測可能產生的縮孔、縮鬆等缺陷（xiàn）的區域 及大小。 更多資訊（xùn）詳細請登錄東（dōng）莞低熔點合金：www.hurfikir.com