基于PROCAST铝合金压铸模浇注系统设计及充型凝固数值模拟

充型云图以不同的颜色表示金属液流动的不同速 度, 由图 3 可以看出 , 金属液在内浇道处以 42 m/ s 的 速度充填 , 在充型到 30% 时有轻微的紊流现象, 金属 液以 近似 喷射 状 的形 式 向型 腔 充填。在 充 型达 到 80% 时, 金属液速度较平稳, 气体被金属液推到型腔上 端 A 区域, 如图 4 所示 , 在 A 处附近布置了溢流槽和 排气槽, 气体能够很顺利的排出, 不会造成气体夹杂等 缺陷。 充填完后, 温度分布较均匀, 金属液在施加的补缩 压力作用下进行凝固, 由此可明显的改善压铸件的组 织结构, 使铸件的表面较光洁 , 不会造成表面流痕或有 冷隔等缺陷, 如图 5 所示。此浇注系统已应用于生产 实践并批量生产 , 压铸出的产品质量较好, 无气泡、 流 痕等缺陷。 4 结语 从模拟结果看 , 充型平稳、 无卷气现象, 实际生产 出的产品质量较好 , 表面光洁。可对同类产品的浇注 系统设计提供参考。
466
F OU N DRY T ECH NO LO GY
V ol. 31 N o. 4 A pr. 2010
2
平均壁厚为 2. 1 mm , 计算出充型时间为 0. 02 s。 1. 3 内浇口处充型速度 内浇口的速度往往会影响铸件的充型质量 , 根据
= =
压铸件的特点和平均壁厚 , 利用经验数据并查压铸模
F iห้องสมุดไป่ตู้. 1 O ut let dimension of csting
充型时间的确定 充型时间是设计浇注系统的一个关键因素 , 利用
[ 1]
经验公式
: T = 0. 0346
收稿日期 : 2009 07 29; 作者简介 : 韩雄伟 ( 1982 CA M / CA E.
修订日期 : 2010 03 01 ) , 内 蒙五原人 , 讲 师 . 研究 方向 : 横 具 CA D /
[ 3]
沿; 计算流体传热时, 同时考虑边界换热、 结晶潜热。 要重复上面的计算, 直至压铸件充型凝固结束 , 对每次 的迭代都必须保证满足速度、压力 , 以及数值计算的 稳定性条件。同时在速度、 压力的迭代中每一个时间 步长后对于流量的计算要进行修正 , 这就保证了流量、
[ 5] 充型形态 , 以及充型时间的准确。 3 充型过程数值模拟及讨论
[ 2] 设计手册 , 得内浇口速度为 40 m/ s 。
v v v v p + u + v + w = + g y+ t x y z y w w w w p + u + v + w = + gz + t x y z z ( 2) 质量守恒 连续性方程 u u u D= + + = 0 x y z
v w
图 2 浇注系统 Fig. 2 G ating system
度值 ;
由体积函数方程确定新的流体表面的流动前
2 铸件充型凝固过程流场、温度场的数学模型 压铸充型过程与液态金属的流动、传热及传质过 程密切相关, 是一个伴随着热量散失, 以及凝固的非恒 温的流动过程。对具有自由表面的非稳定流动计算, 关键在于确定自由表面的位置及移动, 同时需要处理 自由表面的边界问题等。据此 , 本文模拟建立的数学 模型如下 : 2. 1
2 2 2
式中 , D 为散度 ; u、 v 、 w 为速度矢量在坐标系中 x、 y、 z 方向上的分量 ; P 为压力 ; 为运动粘度 ; g 为重 力加速度 ; 为拉普拉斯算子; 为金属流体密度。 ( 3) 能量守恒方程 T T T T + u + v + w = t x y z 2 2 2 T T T Q + 2+ 2 + CP x y z2 CP 式中 , T 为温度; 为流体导热率; C P 为流体定压 比热容; Q 为内热源。 ( 4) 体积函数方程 F+ u F + v F + w F = 0 t x y z ( u i) + = 0 t xi 式中 , F 为流体体积分数 ; u 为速度。 ( 5) 边界传热方程 - K T n = hf ( t ) g( T ) [ T - T a ] 式中 , h 为对流交换系数; T a 为边界温度 ; g( T ) 为 温度函数。 2. 2 计算方程的离散 数值求解上述方程前要对偏微分方程组在空间和 时间上进行离散 , 原则为: 为了满足连续性方程, 压力必须进行迭代修正 , 由此引起的速度改变值需要 加到上一步计算的速度场上 , 反复迭代直至满足精度 要求 ; 对动量方程进行显式差分 , 以初始条件或者 上一时刻的数值作为基础 , 试算出下一时刻的猜测速
=
格的划分。采用 PROCAST 软件进行数值 模拟。浇 u 注温度为 670 , 模具工作温度为 220 , 铸件与模具
铸造技术 04/ 2010
韩雄伟等 : 基于 PR OCA ST 铝合金压铸模浇注系统设计及充型凝固数值模拟
467
表面的传热系数为 1 500 W/ ( m 2 80 MP a, 压室直径为 60 mm 。
W 芬奴 茨著 . 卢运模译 . 压力铸造浇道技术 [ M ] . 北京 : 国 吴春苗. 压铸实用技术 [ M ] . 广州 : 广东科技出版社 , 2003. K Davey, S Bounds. M odelling the Pressure Die Casting P rocessusing Bo undary and Finite Element M ethods [ J] . Journal of M aterial Processing Technolog y , 1997, 63:696 700.
V ol. 31 N o. 4 A pr . 2010
铸造技术 F OU N DRY T ECH NO LO GY
465
基于 PROCAST 铝合金压铸模浇注系统 设计及充型凝固数值模拟
韩雄伟, 冷真龙, 杨金风
( 四川工程职业技术学院机电系, 四川 德阳 618000)
摘要 : 针 对铝合金 的流动特点 和压铸模 具的不透明 性 , 根据 铝合 金压 铸模 具浇 注系 统的 设计 原则 , 对 铝合 金信 号接 受件 的 压铸模 的浇注系 统进行了设 计计算 , 并利用 数值模拟软 件模 拟了 在这 种浇 注系 统下 金属 液的 充型 情况 。 结果 显示 充型 平 稳、 排气良 好 , 温 度分布均匀 , 铸 件的缩孔 、 气体 夹杂倾向小 , 并 在实际生产 中得到了验 证 , 可为类 似铸 件浇注 系统 的设 计提 供参 考 。 关键词 : 铝合金 ; 压铸模 ; 浇注系统 ; 数值模拟
采用的模型由 PRO/ E 造型 , 并生成格式为 . ans 的面网格 , 利用. ans > . sm 程序转化为 . sm 面网格, 再利用 PROCAST 自带网格划分 模块进行 . mesh 网
2
凝固过程流场 、 温度场的数学模型 ( 1) 动量守恒 N S 方程 u u u u p t + u x + v y + w z = - x + gx +
HAN Xiong wei, LENG Zhen long, YANG Jin feng ( Electrical and Mechanical Department Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, China)
Abstract: The design of Gating system is very important for die casting process. Aimed on the flowing feature and the opacity of the metal mould, and according to the design principle for die casting, the gating system has been designed, and the flow process has been analyzed by the simulation software. Key words: Aluminum alloy; Die casting mould; Gating system; Numerical simulation
图1 铸件外形尺寸图
特点 , 需采用在 3 个方向抽芯, 故采用一模一腔式, 在 J1125 型压铸机上压铸 , 拟 采用双边切向锥形浇道浇 注。 1. 1 铸件尺寸参数 此信号接收件的平均壁 厚为 2. 2 m m, 铸件材料 70 mm 。如图 1 所示。
采用 YL 104, 铸件重约 190 g 。最大尺寸为 200 m m 70 mm
[ 5] 图 4 充型 80% F ig. 4 P ro cess under 80% mould cavity being filled
Dav ey K , Bo unds S. M odeling the pressure die casting pro cess using bo undary and finite element metho ds[ J] . J M ater Pr ocess, 1996, 63( 1 3) : 696 700.
在压铸模具设计中, 浇注系统的设计合理与否 , 对 压铸件质量、 生产效率、 模具寿命等都有重要的影响, 不合理的浇注系统会导致铸件出 现如气孔、 缩 孔、 缩 松、 冷隔等缺陷。在生产过程中浇注系统的设计和改 进常用的方法是试错法, 但这种方法成本高、 周期长。 数值模拟技术的出现 , 使得浇注系统的设计成本降低、 周期缩短 , 同时也对提高铸件质量等方面有着重要意 义。压铸充型凝固过程的数值模拟, 可以帮助人们在 压铸工艺设计阶段对铸件可能出现的各种缺陷及其大 小、部位和发生的时间予以有效的预测, 从而优化铸 造工艺设计, 以确保铸件的质量, 缩短试制周期和降低 生产成本[ 1] 。 1 浇注系统设计 本文选择的压铸件为一套筒类信号接收件 , 由于 零件的形状特点, 实际压铸成 型时容易出现气 孔、 缩 孔、 缩松、 冷隔、 浇不足等缺陷。根据其尺寸和形状的 1. 2