铝合金半固态压铸成形过程的模拟讲解
Al-Si铝合金半固态压铸感应加热工艺及所获得的显微组织
加热 条件 , 采用 了下列参数 :感应加热系 统的功率 (Q), 加热时间(ta), 保温温度(Th), 保温时间(th), 加 热步骤和绝热材料尺寸 。 加热实验按表 5 所示条件 进行 , 表 5 中各符号的意义同图 3 。
表 5 尺寸 d×l =76 mm ×90 mm 半固态压铸用 A356 坯料的感应加热条件
率 Pr =0 .01 t/ h)和线性插入法 , 可以计算出热容 q
和生产率 Pr 。 最小加热表面面积 A s 和最小加热长
度 lw 可按下式计算 :
As =Pt/ Pa =Prq/ Pa
(3)
lw =As/πd
(4)
为了确定线圈内径 Di 和最佳线圈长度 H , 对于
穿透加热线圈推荐的 空气间隙[ (Di -d)/ 2] 和计算
76 mm
100 mm
最小加热长度 lw 93 mm
最佳线圈长度 H 118 ～ 168 mm
2 半固态压铸的感应加热实验 对于半固态压铸工艺 , 坯料必须加热到半固态 。
加热过程对于半固态坯料成形过程非常重要 , 必须 达到所要求的半固态坯料状态和控制坯料的显微结 构 。本实验所用的半固态金属是由法国 PECHINEY 公司用电磁搅拌法制造的 A356 合金 。 这是用于汽 车零件制造的一种铸造合金 , 其化学成分(重量百分 比)如表 4 所示 , 微观组织如图 2 。 用电磁搅拌法生 产的铸造显微组织的初生晶不是球状而是等轴晶 。 然而 , 当这种原材料被重熔为半固态时初生晶就变 成了球状 。
7 .50
无
7 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 7 .796
无
8 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 8 .398
铝合金半固态挤压成形工艺及理论研究
最后，对实验结果进行分析，并基于实验结果进行了理论研究，包括半固态 挤压成形工艺的理论基础、工艺优化方法和挤压力计算等。本次演示的研究成果 表明，铝合金半固态挤压成形工艺具有诸多优点，相比传统液态挤压成形工艺， 半固态挤压成形工艺可以获得更高的制品质量、更优的力学性能和更好的表面完 整性。因此，本次演示的研究为铝合金半固态挤压成形工艺的应用和推广提供了 理论支持和实践指导。
半固态铝合金的制备工艺
半固态铝合金的制备工艺主要包括熔炼、球磨、热处理等步骤。其中，熔炼 是制备半固态铝合金的关键步骤，需要将铝、铜、镁等合金元素熔化在一起，并 控制好熔炼温度和时间，以保证合金的成分和组织稳定性。球磨是制备半固态铝 合金的另一个关键步骤，通过将合金粉末进行球磨处理，可以细化合金的晶粒尺 寸，提高合金的力学性能。热处理则是为了进一步优化合金的组织和性能，使合 金达到最佳的使用效果。
(1)制品质量更稳定：由于半固态浆料具有较好的流动性和稳定性，使得模 具内的材料更加均匀，减少了流体流动和不稳定性对制品质量的影响。
(2)力学性能更优：半固态挤压成形过程中，材料在模具内可以迅速达到高 密度，同时由于半固态材料的特性，使得制品内部晶粒更细小，力学性能更优。
(3)表面完整性更好：由于半固态挤压成形过程中模具内的材料分布更加均 匀，减少了模具表面的摩擦和划痕，使得制品表面更加完整。
铝合金半固态挤压成形工艺及 理论研究
摘要
本次演示主要介绍了铝合金半固态挤压成形工艺及其相关理论研究。首先， 简要介绍了铝合金半固态挤压成形工艺的研究背景和现状，阐明了本次演示研究 的重要性和意义。其次，详细阐述了铝合金半固态挤压成形工艺的基本原理和流 程，包括铝合金半固态制备、挤压成形工艺及其原理。接着，介绍了实验方法， 包括实验材料、实验设备和实验过程。
A380铝合金压铸温度场模拟
A380铝合金压铸温度场模拟如图所示汽车传动轴,用A380铝合金半固态触变压铸成型工艺可获得重量轻、强度高、综合力学性能优越的零件，能够满足未来汽车工业轻量化、节能环保的要求。
查相关资料，A380铝合金半固态触变压铸成型工艺的浆料温度为570℃，模具预热温度为200℃，冷却水对流换热系数为450W/（m2·℃）, A380铝合金密度为2730㎏/m3, 模具材料密度为7800㎏/m3,导热系数为21W/（m·℃），比热为110J/（㎏·℃）。
A380铝合金热性能参数相关尺寸在建模时提及，不赘述。
为简化建模，只取冷却水包络面以内的模具和铸件建模。
操作步骤1.定义工作标题和文件名（1）指定工作文件名：执行Utinity Menu/File/Change Jobname命令，在【Enter new Name】文本框中输入“WBA.file”,单击OK按钮。
（2）指定工作标题：执行Utinity Menu/File/Change Title命令，输入“Casting Solidification”, 单击OK按钮。
2.定义单元类型和材料属性（1）定义单元类型：执行Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add、Edit、Delete命令，单击Add按钮，选择如下图选项，单击OK按钮。
（2）定义材料特性：执行Main Menu/Preprocessor/Material Props/ Material Models命令，双击【Material Models Available】列表框中的“Thermal/Conductivity/Isotropic”选项，定义模具导热系数（KXX）为“21”，接着双击“Thermal/Specific heat”选项, 定义模具比热（C）为“110”，单击OK按钮。
接着双击“Thermal/Density”选项, 定义模具密度（DENS）为“7800”，单击OK按钮。
钢-铝石墨半固态铸轧复合的数值模拟
ｔ＜ ｔ
图 １ 钢 铝 半 固态 铸 轧 复合 装 置 图
Ｆｉ ． Ｓ ｅ ｃ ｆ ｏｌ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓｏ ｇ１ ｋ ｔｈｏ ｌｎ ｒｃｓ ｆ ｒ ｉ ｓ ｅ ｌ ｌｍｉ ｕ ｂ ｎ ｉｇ ｐ ａ ｅ ｔｅ— ｕ ｎ ｍ ｏ ｄ ｎ ｌｔ ａ
（） Ｌ ｌ ｌ ＋Ｃ２ ｔ 一 Ｃ ＋ 一 ） ｔ 一 ｔ， １ Ｃ （ ）＝＜ Ｐｔ ｔ ≤ ｔ≤ ｔ １
热容 ，／ ｋ ・ ） Ｊ （ｇ℃ ． ２ ３ 流变 模型 ． 半 固态 金 属 的流 变行 为主 要受 剪 切 速率 、 固相
效果， 解决 了钢铝 复合 过 程 中复合 界 面形 成层 状脆 性 化合物 的 问题 ． 但半 固态 铸 轧 复 合工 艺 相关 因 素
众 多 ， 注温度 、 浇 铸轧 速 度 、 板 预 热温 度 等 工 艺参 钢
ｏ ａ ｕａ ｉｎ ｈ ｆ ｅ ｃ ｆ ｅ ｈ ｉ ｌ ａ ａ ｔｒ ｃ ｏ ｒ ｇ ｐ ｒ ｔ ｒ ｄｒ ｌｎ ｐ ｅ ｓ ｎ ｔ ｅ ｒ — ｆｃ ｌ ｌｔ ．Ｔ ｅｉ ｌ ｎ ｅｏ ｃ ｎ ｃ ｒｍｅｅ ｓ ｕ ｈ ａ ｐ ｕ ｉ ｔ ｅ ａ ｕｅａ ｏｌ ｓ ｅ ｄ ｏ ｃ ｏ ｎｕ ｔ ａｐ ｓ ｓ ｎ ｅ ｍ ｎ ｉ ｇ ｏ ｈ ｐ
第３ 期
姚莎莎等 ： 铝石 墨半 固态铸 轧复合 的数值模 拟 钢一
合性 能提升 到一 个新 高度 ， 为 当务之 急 ［ Ｊ 成 １ ． 。
能量 守恒 方程
本文 作者所在 的课题 组将短流程 、 效率 的铸轧 高 技术 和半 固态 加工 相 结合 ， 发 出 了钢一 石 墨 的半 开 铝 固态铸轧复合工艺Ｌ ． ４ 该工艺是以转动的轧辊作为结 ］ 晶器 ， 将半 固态 铝 石墨浆 料 和钢 板直 接 复合 ， 现 了 实 复合界面上 的非均匀扩散 ， 了脆性铁 铝化合 物层 破坏
铝合金半固态压铸成形过程的模拟
成明显的温度梯度。
凝固过程
随着温度的下降，铝合金逐渐凝固， 凝固顺序与温度分布密切相关。
热节与冷隔
在温度场模拟中，可以发现热节 （局部高温区域）和冷隔（局部低 温区域）现象，这些区域对铸件质 量有重要影响。
流场模拟结果分析
充填过程
流动前沿与流动末端
本研究成果有助于推动铝合金半固态压铸技术的发展，提 高其在工业生产中的应用水平，促进相关产业的进步。
未来研究方向与展望
01
完善模拟方法，提高 模拟精度
未来可以进一步完善铝合金半固态压 铸成形过程的模拟方法，提高模拟精 度和效率，以更好地指导实际生产。
02
拓展应用领域，探索 新工艺
可以探索将铝合金半固态压铸技术应 用于更多领域，如航空航天、汽车制 造等，并研究新工艺，以满足不同领 域的需求。
成形精度高
半固态铝合金具有良好的流动性和触 变性，能够精确填充模具型腔，减少 飞边和毛刺等缺陷，提高零件的成形 精度。
组织性能好
半固态铝合金在成形过程中经历了固 液共存状态，有利于晶粒细化和均匀 化，提高材料的力学性能和耐蚀性。
铝合金半固态压铸成形技术原理及特点
生产效率高
铝合金半固态压铸成形技术具有 高效、自动化的特点，可大幅缩 短生产周期和降低成本，适用于 大规模生产。
优化后工艺参数的确定
1 2
综合评估
根据正交试验、数值模拟和人工智能算法的分析 结果，综合评估各工艺参数对成形质量的影响， 确定最优工艺参数组合。
实验验证
通过实际压铸实验对优化后的工艺参数进行验证， 确保优化结果的准确性和可靠性。
3
参数调整
在实际生产过程中，根据设备状况、原材料批次 等因素对工艺参数进行适当调整，以保证生产稳 定性和产品质量的稳定性。
ZL201合金半固态压铸成形过程数值模拟
ZL201合金半固态压铸成形过程数值模拟李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平【摘要】为了解半固态压铸过程中浆料充型规律及其流动特点,本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟,研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响,对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究,并进行试验对比.数值模拟结果显示,ZL201合金半固态触变压铸成形在浆料温度600℃、模具温度240℃时、低速压射速度0.1m/s、且在1.5s后进行速度切换、高速压射速度为l m/s时,所得铸件维氏硬度最大可达72HV,平均抗拉强度为208 MPa.按照该工艺条件成型的成形件显微组织致密,测得其平均抗拉强度为212.5 MPa、平均硬度值为70.8HV,性能较高,与模拟结果符合较好.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】5页(P54-58)【关键词】Anycasting;半固态触变压铸;压射速度;晶粒尺寸;维氏硬度;抗拉强度【作者】李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平【作者单位】材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】TG249铝合金的触变压铸是目前研究和应用最多的触变压铸工艺，早在20世纪70年代初期，就进行了半固态铝合金触变压铸实验[1-3].经过半固态触变压铸成形，成型件中的缩孔、气孔等显微孔洞很少，零件可进行热处理强化[4]；零件的成分、组织和性能很均匀，可实现近终化成形和大幅度减少机加工量.因此，铝合金触变压铸在汽车及其他工业得到较大规模的实际应用[4-5].目前，人们对半固态成型技术已进行了大量研究[6-8]，并取得了许多卓有成效的成果[9-12]，但对于半固态压铸过程中浆料充型规律、流动特点等尚缺乏系统深入的了解.为此，本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟[13-14]，研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响，对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究，并进行试验对比，以期为半固态成型技术的深入研究奠定实验基础.1 模拟研究模拟研究采用AnyCasting软件，在半固态金属浆料充型过程中，由于充型几乎在瞬间完成，可以忽略时间对半固态浆料粘度的影响，并假设半固态金属浆料所受剪切力超过屈服应力时开始流动，且表观粘度为常值，因此，在模拟过程中流体模型采用Bingham模型.半固态金属浆料的表观粘度是与温度、固相分数、剪切速率等有关的多元函数，比纯液态金属约高2～3个数量级，本模拟过程取表观粘度10 Pa·s[15].若铸件的内浇口直径为4.5 mm，半固态坯料充型速度为4 m/s，两相区的平均密度为2 780 kg/m3,则其雷诺数远小于临界雷诺数2 300,是层流流动.式中：v为流体的流速；ρ为流体密度；η为流体的黏性系数；d为内浇口直径.利用三维绘图软件Pro/E进行实体造型，如图1所示.造型结束后将实体模型导入AnyCasting中，而后进行网格划分、初始条件设置，最后进行流场数值模拟.半固态触变压铸实验材料为ZL201合金，其液相线温度为650 ℃，固相线温度为547 ℃.模拟过程中半固态浆料温度设定为600 ℃，模具温度为240 ℃.压铸过程中速度主要有以下两种阶段.1)慢速阶段.当半固态浆料注入压室的充满度在70%以下时，压室内的空气含量仍很多，此时需要慢速压射，使金属液流动平稳，空气能顺利排出.通常慢速射出速度为0.1～0.5 m/s.本文设定慢速阶段压射速度分别为0.35、0.25、0.15、0.1m/s，确定最优慢速阶段压射速度.2)快速阶段.金属液到达内浇口时，可进行高速切换，使金属液在高压高速下填充.通常高速压射速度在0.2～4.5 m/s以上.本文在确定最优低速阶段压射速度后，选择不同时间进行高速切换，高速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s.图1 模拟模型Fig.1 Simulation model2 分析与讨论2.1 慢速阶段不同压射速度对充型过程的影响不同慢速阶段压射速度过程如图2所示.图2 不同慢速阶段压射速度过程图Fig.2 Rate plan of filling process of different low shot speed: (a) 0.35 m/s;(b) 0.25 m/s;(c) 0.15 m/s;(d) 0.1 m/s 由图2看见，当压射速度分别为0.35、0.25、0.15 m/s时，金属浆料通过狭窄的内浇口后流动速度变快，此时随着浆料注入，填充型腔，流动特征发生了改变，由层流流动变成了紊流流动，如图2(a)、(b)、(c)所示，这种紊流的添充形式容易使大量气体被裹挟进型腔，使得成型件内部包裹大量气体，造成成型件内部组织疏松，力学性能严重下降.当慢速阶段压射速度较小时，如为0.1 m/s时，此时由于压射速度不高，半固态浆料通过内浇口后并没有快速射入型腔，而是在内浇口附近堆积，逐渐向型腔里流动，流动平稳，呈层流特征，这种压射形式非常利于气体的逐渐溢出，成型件裹气的可能性大幅降低，成型件内部组织致密，具有较高的力学性能，如图2(d)所示，因此，慢速阶段最优的压射速度为0.1 m/s.2.2 快速阶段压射速度与慢快速切换时间点对充型的影响快速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s，金属浆料的填充过程将如图3所示.图3(a)为高速压射速度为1 m/s时的填充图，可以看到，浆料平稳的填充到型腔内，并无卷气现象，浆料呈现层流流动；而随着切换速度的增大，出现卷气现象并愈加明显，如图3(b)、(c)、(d)所示，由于充填速度很快，金属浆料获得很高的动能，充型过程会产生明显的卷气现象，严重影响铸件的质量.因此，高速阶段最优压射速度为1 m/s.压铸的基本特点之一是快速充型，在整个快速压射阶段，即从快速点开始一直到浆料充型结束，金属浆料以30～60 m/s的速度，以射流的形式进入型腔，金属液会包卷气体，因此，第2阶段快速压射点的时间转换节点至关重要.转换太慢影响效率，转换太快浆料容易容易发生喷溅.根据前期的工作[9]，本文选取4个时间点进行高速切换，分别为低速阶段压射时间0.6、1.1、1.3、1.5 s后,从低速到高速的切换时间为0.01 s，高速压射速度选取较优的1.0 m/s.图3 不同快速压射阶段速度填充图Fig.3 Rate plan of filling process of different high shot speed: (a) 1 m/s;(b) 2 m/s;(c) 3 m/s;(d) 4 m/s图4为不同高速切换点的压铸过程图.当低速阶段充型时间较短时进行速度切换，即在内浇口附近进行高速切换，由于内浇口的限制，浆料充型速度很快，在充型刚开始时，在内浇口附近直接产生气囊，在浆料充型过程中，气囊中的气体逐渐被浆料包裹带到型腔的各个位置，如果气体不能排出，将在铸件内部形成气孔缺陷，严重影响铸件的质量，如图4(a)、(b)、(c)所示.随着低速阶段充型时间的延长，过了内浇口后再进行速度切换，这是因为型腔的下部在高速切换前已经填充了部分金属，因此，在高速切换后并无裹气现象，也没有发生回流，浆料平稳的充满整个型腔.铸件内部不会有气孔产生，使得组织致密，性能高，如图4(d)所示.因此，最优的压射速度是慢速阶段压射速度为0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度为1 m/s.图4 不同快速切换点充型过程图Fig.4 Rate plan of filling process of different high speed switch图5是压铸件的凝固过程，可以看出，压铸件的凝固是先从零件周围开始，向中心处延伸，最后凝固部位为浇口中心处和零件尺寸较大的部位.图5 压铸件的凝固过程Fig.5 Solidification process of die-casting workpiece图6是模拟的铸件硬度分布图，可以看出，ZL201合金半固态触变压铸件上不同部位维氏硬度分布，其最小维氏硬度为68HV，最大维氏硬度为72HV，整个铸件平均硬度为70HV，分布均匀.图6 维氏硬度Fig.6 Vickers hardness由图7的模拟抗拉强度分布图可见，在内浇口附近抗拉强度最高可达238 MPa，而在其内部平均值约为208 MPa.这是由于金属液流动时对周围的不断冲刷和搅拌作用，在这一区域形成一细晶区，晶粒尺寸较小，密度较大的原因.图7 抗拉强度Fig.7 Tensile strength图8为联合缺陷系数分布图.由图8可知，由于宏观补缩容易形成管筒形的一次缩孔，因此，在铸件浇口处由于补缩的原因造成联合缺陷系数较大.另外，由于冷却强度较大浆料来不及补缩，在零件曲率较大的地方也会造成缺陷系数较大.图8 联合缺陷系数分布Fig.8 Distribution of combined defect parameter图9是按照低速阶段压射速度是0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度是1 m/s工艺条件下的成型件显微组织照片.表1为其力学性能,可以看出，成型件内部组织致密，性能较高，与模拟结果符合较好.图9 压铸件的显微组织Fig.9 Microstructures of die casting parts表1 ZL201合金压铸件性能Table 1 The rigidity values of ZL201 alloy平均抗拉强度/MPa平均硬度值(HV)212.570.83 结论1)通过Anycasting模拟，压射速度为慢速阶段压射速度0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度1 m/s,此时压铸效果最好且浆料以层流方式填充.2)模拟成型件的平均硬度为70HV，平均抗拉强度为208 MPa,与实际符合较好. 参考文献：【相关文献】[1] 朱鸣芳，苏华钦. 半固态铸造技术的研究现状[J].特种铸造及有色合金，1996(2)：29-32. ZHU Mingfang,SU Huaqin. The present study status of semi-solid castingtechniques[J].Special Casting & Nonferrous Alloy，1996(2)：29-32.DOI: 10.15980/j.tzzz.1996.02.009[2] 苏华钦，朱鸣芳，高志强. 半固态铸造的现状及发展前景[J].特种铸造及有色合金，1998(5)：1-6.SU Huaqin,ZHU Mingfang,GAO Zhiqiang. Overview and prospect of semi-solid casting[J]. Special Casting & Nonferrous Alloy，1998(5)：1-6.DOI: 10.15980/j.tzzz.2002.s1.099[3] FLEMINGS M C. Behavior of metal alloys in the semi-solid state[J]. Metallurgical Transactions , 1991, 21A(5): 975-981.[4] 杜平,李双寿,唐靖林,等.半固态铝合金触变压铸技术中关键问题的讨论[J].铸造技术,2006(6):545-549.DU Ping,LI Shuangshou,TANG Jinglin,et al. Discussion of key problems on thixotropic die casting in semi-solid aluminum alloys[J].Foundry Technology,2006(6):545-549.[5] 张志峰,田战峰,杨必成,等.汽车用铝合金半固态零件触变压铸工艺研究[J].铸造技术,2005(9):770-773.ZHANG Zhifeng,TIAN Zhanfeng,YANG Bicheng,et al. Investigation on semi-solid thixo diecasting processing of automobile aluminum alloy part[J]. 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3~4半固态成型
半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。
半固态A356铝合金流变压铸充填过程的数值模拟
[ 10]
张环月 , 张兴国 , 房灿 峰 . 大板 坯连铸 结晶器 内熔体 流动的 DPIV
( 编辑: 张正贺 )
428
半固态 A356 铝合金流变压铸充填过程的数值模拟 态 A 356 铝合金浆料的表观粘度比液态 A356 铝合金高 3~ 4 个数量级, 可将半固态 A356 铝合金浆料的充填流 动看作是层流流动。因此半固态 A356 铝合金浆料的 充填流动仍然遵循质量守恒定律、 动量守恒定律 , 与之 相对应的数学方程则为连续性方程和 N S 方程。在三 维直角坐标系下 , 半固态 A356 铝合金浆料流变压铸时 的连续性方程和 N S 方程可表示为: 连续性方程 U+ x 动量方程 V+ U V+ V V+ W V = t x y y 1 P + gy + y
i [ 12]
:
= exp [- ( 3. 20 - 1. 301 4 10
4 - 1. 93
。但实际
-
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( 1)
上半固态金属浆料在压铸型腔中会发生强烈的剪切, 且 充填过程中的浆料温度会发生变化 , 因此浆料的表观粘 度肯定会发生变化, 充填行为也会发生变化。为了准确 的模拟半固态金属的充填过程 , 模拟时必须考虑浆料温 度和剪切时间的变化对其充填行为的影响[ 12, 13] 。 基于上述原因, 本课题在基础试验数据的基础上 , 建立了半固态 A356 铝合金浆料的表观粘度数学模型,
V+ y
W= 0 z
( 2)
式中 , U, V , W 为 x , y , z 方向的速度分量
V+ 2 x
2
V + 2 y
2
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缺陷分析
慢压式
快压式
凸台内组织分布
慢压式
快压式
力学性能的对比
模具的 不同
原模具
压铸方式 抗拉强度
MPa
快压
207
慢压
221
延伸率 %
4.43
7.99
快压
238
7.65
优化后的
模具
慢压
265
10.3
备注 平均值
汽车零件的研制 (后桥支撑座)
• A severe demand for desk frame fatigue experiment (all samples>450000 cycles)
50μm
Combination photo with low magnification Distribution image
defects analysis
模拟与实验的对比
X-ray inspection Simulated cross-section
充型过程的Short shot实验 (慢压式)
• 通过测试并验证压铸过程的位移曲线较为准确地 推测压铸速度,有益于提高模拟的精度;通过型内 充型轨迹实测和模拟的对比以及引入独特的Short shot实验法为模拟提供了有力的支持和旁证手段。
结 论（二）
• 试样铸造缺陷的分析与模拟以及Short shot结果 的反复对比表明，流场与缺陷形成有紧密的相关 性,通过流场的模拟可以预测可能产生缺陷的位置 和程度,从而提出改进的方向。
Rear bridge support (typeⅡ)
计算条件
(模拟软件: ADSTEFAN)
Physical properties of Aluminum alloy A356
Density
kg/m3 2700
Specific heat
kJ/(kg K) 0.96
Thermal conductivity
• A trouble example
In testing machine
Crack position in diecasting
Analyzing reason by computer simulation
animation
Un-filling area in the front of gate
• (2)慢压条件下两种方法得到的位移曲线非常相似,虽然压 铸初期的推杆空走和后期的保压阶段存在少许位移的差别, 但模具型腔充填时的位移变化斜率(即速度)基本一致,涉 及充型的部分包括充型主要阶段和充型末期,由位移曲线 的斜率变化可以推算出这两个阶段的推杆速度分别约为 0.25 m/s(按70%计)和0.06 m/s(按30%计),这将作为后续 模拟的初始条件;
初始方案的凝固模拟
凝固特征的比较
改进方案的凝固模拟
模具温度分布的求解
半固态压铸的成形周期
稳 定 状 态 下 的 模 具 温 度 分 布
在30个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化 (模具初始预热至250℃)
在30个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化 (模具不预热)
模具优化结果的验证
• (3)快压条件下的位移曲线按前图所示同样可分为充型主 要和充型末期两个阶段,从曲线的斜率可以推算出推杆速 度分别为0.79 m/s(按70%计)和0.09 m/s(按30%计);
• (4)压铸机测试记录系统和高速摄像机测试的结果虽存在 差异,但反映的趋势是一致的,也说明了测试记录系统的准 确与可靠。
铝合金半固态压铸成形过程的模拟
研究背景/目的
• 铝合金半固态压铸(触变成形)研发阶段的工 作虽已接近于成熟,但与充型系统设计有关 数据尚不充分。
• 为改进计算机模拟精度,需要准备一些基本 的参数。
• 辅助充型系统的优化设计,改善零件的质量。
主要内容
• 通过对压铸过程的实验测试和模拟相结合 的方法,确认模拟的初始参数,奠定模拟的 准确性
W/(m K) 155
Latent heat KJ/kg 389
Kinematic Liquids Solidus
viscosity
m2/s
K
K
*
887 850
* Function of solid fraction
Relationship between kinematic viscosity and solid fraction
0.3
0.2
0.1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Position of thremocouple(10 points)
坯料加热后的组织形貌
中心位置
边缘位置
充型过程的Short shot实验 (快压式)
充型模拟（温度场显示）
模拟与实验的对比
Short-shot
Simulation
压铸条件
• 模具温度: 523K(250℃) • 坯料温度: 858-863K(585-590℃) • 试样的三维CAD模型, 10个 测试点
试制零件的三维CAD模型
Rear bridge support
Forward control arm
Rear bridge support (typeⅠ)
型内流动的测试
Relative filling time (reaction timing), s
0.4
Experiment(slow filling) Simulation(slow filling)
Experiment(rapid filling)
Simulation(rapid filling)
400
machine
video
300
充型末期和保压阶段
200 此前为 推杆空走
100
00
充型主要阶段
预备充型(含将料缸 中的坯料推至模具入 口的预备期)
500
1000
Time, ms
1500
慢压式
快压式
位移曲线测试结果小结
• (1)慢压式和快压式各具有明显不同的位移曲线,各次测试 的结果均反映出相似的曲线特征,说明压铸机系统可以保 证相对稳定的充型状态;
网格长度单位为1cm
排出的空气
V=A・(c3/L)・(P-P0)・Δt・ΔS
V为空气的体积; A为空气的流动系数; L和c分别是排气口的长度和宽度; P 和P0分别为型内外的空气压力; Δ t和Δ S分别是时间步长和排气面积
有无背压的对比
未考虑背压
考虑背压
铸型/铸件之间换热系数的影响
5000W／m2・K
To optimize design of gating sysytem
The shape and size of gate are optimized
X-ray inspection(1)
X-ray inspection(2)
结 论（一）
• 系统地比较了压铸过程不同主要因素(溶体/型壁 的摩擦系数,模具型腔的背压,溶体/型壁的换热系 数和压铸机的推杆速度)对充型状态的影响,为确 定后续模拟的主要使用条件打下了基础。
9500W／m2・K
14000W／m2・K
压铸机的推杆速度的影响
0.1m/s
0.5m/s
0.8m/s
压铸机冲头的位移曲线
displacement,mm displacement,mm
400 300 200 100
00
machine video
充型末期和保压阶段
充型主要阶段
500 1000 1500 2000 2500 Time, ms
Solid fraction, %
0
0-60
>60
Kinematic Viscosity
m2/s
1E-06
Linear inserting value
1E-05
１００ｍｍ
力学性能测试
研究(实验与模拟)结果
半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响
f=0
f=1
f=0.5
半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响
• 利用计算机模拟可以从流场,凝固场的角度优化模 具型腔的设计,准确把握成形的模具条件,在对板 形试样模具实施优化设计后的实践结果充分证明 了计算机模拟在辅助模具设计优化上的有效性和 实用性。
• 在实际复杂汽车零件的试制中有效地使用计算机 模拟法取得了良好的效果,并被作为一种通用的技 术手法得以进一步的验证和确立。
模具型腔的局部形状
模拟结果
gate的形状与大小
模 拟 结 果
局部中空的设计
模 拟 结 果
综合改进(1)
模拟结果
综合改进(2)
模 拟 结 果
该处的充满较方 案11明显加快
试样上部大致呈 逐层充填特征
凸台作为局部的最 终充填之处,可望实 现排渣集气的目的
试样上部大致呈 逐层充填特征
凸台作为局部的最 终充填之处,可望实 现排渣集气的目的
• 分析和验证典型试样充型流场与铸造缺陷 的关系,优化模具设计
• 实际应用于汽车零件的研发过程,预测缺陷 和对策研究方法实验方法
• 实验材料 A356铝合金 • 主要实验工艺过程(制坯－二次加热－压铸)
制造坯料的水平连铸装置
电磁搅拌
多工位旋转式坯料感应二次加热设备
感应圈 控制面板
500吨压铸机
充型模拟（温度场显示）
辅助模具优化
• 因现行模具在快压式的成形条件下,存在着 如上所述的铸造缺陷,通过观察模拟和实验 结果,本研究拟从修改模具型腔局部形状,浇 口(gate)大小和形状等方面寻求优化的工艺 方案,在模拟计算时固定通常的模具预热温 度(523K)和压铸机的推杆速度(0.8m/s)。