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知识篇:铝合金压铸件卷气的控制

铝合金是机械行业中应用最多最广的轻金属,其铝质量轻、散热性好,有良好的铸造性能,刀具加工性能优越,处理后的力学性能满足技术要求。通过加入适当的合金元素,其材料的强度接近铸铁,韧性却高于灰铸铁。但是,压力铸造带来的高速高压的特点也会产生一些问题,如合金铸件的卷气引起的气孔缺陷等。

下面利用Anycasting软件,以铝合金三通阀为例讨论分析了压铸卷气的问题,通过模拟提出了解决压铸件气孔问题的具体思路。

1 零件的结构及模拟软件条件

1.1 零件的结构

铸件3D结构图如图1所示。

图1  铸件3D结构图

铸件的轮廓尺寸:最长部分为100 mm,最宽部分为80 mm。铸件中存在三种通孔,其直径分别为φ30 mm、φ16 mm及φ8 mm。小孔在设计时为不铸孔。

技术要求:

●  此铸件的外表面要求不能有波纹、气孔缺陷,并且要求在经过机加工处理后,内表面A和B处平整且无缺陷。

●  在压铸件壁面和壁面连接处皆设计成铸造圆角,避免尖角处产生应力集中,并延长模具使用时间。

●  铸件使用的材料为铝合金,铸件的化学成分要求见表1。 

表1 铸件的化学成分要求(质量分数,%)

1.2  模拟软件条件

压力铸造模拟包含铸件的充型和金属凝固等内容。其中,凝固模拟耗时较短。但铸件的充型计算复杂耗时,这是因为数据处理量大,涉及到有限元流体模拟分析等多重非线性计算。

压力铸造模拟步骤的组成:导入3D建模、网格划分、设置参数、计算求解及求解数据视觉化等。数据计算完成后,通过将数值视觉化以得到直观的动画效果。

Anycasting软件平台由AnyPre、Anysolver、Anypost、AnyMesh及AnyDbase等部分组成,其中AnyPre部分是软件的前部处理程序,主要涉及模拟运行中的数据输入和网格划分等步骤。其他部分则可以认为是子程序,如AnyDbase是数据库程序,AnySolver是求解器程序,AnyPost涉及视觉化处理过程, AnyPre中的Anymash可以帮助编辑生成网格文件。

2 模拟及缺陷分析

工艺设计的主要任务之一是设计浇注系统,浇注系统的作用是导入金属液及传递压力,结构设计与铸件缺陷相关。浇注系统由内浇口、横 浇道和直浇道三部分组成,浇注系统设计轮廓如图2所示。通过直浇道,金属液进入分流横浇道,然后通过分流横浇道进入内浇口再进入模具型腔。

依据铸造工艺设计原理及三通零件特征,通过三个内浇口与铸型型腔搭接。在压铸参数确定的条件下,浇注系统侧向连接内浇口进入铸件型腔。浇注系统的横浇道带有矩形浇注系统特征。

横浇道的截面采用扁梯形, 其长度的计算:

L=0.5 D + (25~35)                              (1)

式(1)中,D 为直浇道的导入口口径 (mm);L 为横浇道长度 (mm)。

当实体设置完成后需要进行模具设置和求解域,模具设置完成后会形成虚拟的模具轮廓,这为随后的有限元求解提供求解域,求解域及网格划分如图2所示。该软件平台可以置入已做好的网格文件,自动划分网格,完成网格划分后可进行其他参数的设定。

图2 求解域及网格划分

Anycasting软件平台:软件平台模拟仿真的基本过程包含任务设计、材料设置、初始值条件、热传导模型、浇口条件及重力设置六个小菜单,这六个小菜单是完成仿真模拟所需的步骤。也就是讲,完成这些运算参数的设置后,才能得到有实际指导意义的模拟内容。在材料设置方面,该软件平台含有AnyDBASE料库管理软件,因此本文根据使用材料的成分输入合金牌号。软件平台上关于冷却介质内容设置为空气。在初始边界值条件方面,需要设置初始条件和求解域的边界条件。

在本设计中,铸件模具的保温温度设置为220 ℃。该软件平台的热传导模型选项中还需要设置铸件与涂料、涂料与模具、模具与外界等界面的换热系数,在模具外表面的散热条件一栏设置为空冷。该软件平台的浇口条件中所需要确定的内容有充型的温度和充型速度压力等,本设计中的充型温度确定为690 ℃ ,充型预估时间为0.16 s。在该软件平台上设置结束的条件为凝固率达到100%。所有相关参数设置完成以后,保存文件然后启动操作求解器文件,这样计算机可通过内置的运算求解方程得到模拟结果。

通过该软件平台模拟得到的铸件的卷气程度如图3所示,其中不同颜色代表卷气的分布程度。浅色代表气体浓度较高。由图3(b)可以看出,在凝固达到0.13 s之后,有大量气体仍然困在铸件内没有及时排出,这些没有排出的气体会在铸件中形成气孔等缺陷。

 

(a)0.03 s

(b)  0.13 s

图3 通过该软件平台模拟得到的铸件的卷气程度

卷气缺陷产生的原因分析:液态金属在进入型腔的流动性不好及排气环节阻力较大,所以和排气槽不通畅和浇注系统设置不当有关,即卷气缺陷是由于排气不通和横浇道厚度不够导致的结果。为此,对浇注系统进行修改,将排气槽厚度及宽度适当调整,同时将横浇道的厚度尺寸加厚至平均壁厚的2倍,得到新的浇注系统,新的浇注系统在凝固中没有出现气体包裹现象。

3  结论

在凝固一段时间后,有大量气体仍然困在铸件内没有及时排出,产生了卷气缺陷,而产生的原因是液态金属在进入型腔的流动性不好及排气环节阻力较大。对浇注系统进行了修改,将排气槽厚度及宽度适当调整,同时将横浇道的厚度尺寸加厚至平均壁厚的2倍,得到新的浇注系统。修改以后的模拟结果显示,凝固中没有出现气体包裹现象。