ADC12壓鑄過程的溫度場數(shù)值模擬與 工藝參數(shù)的優(yōu)化

2016-12-21  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

高壓鑄造屬近凈成形技術(shù).被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子和醫(yī)療等領(lǐng)域。目前,高壓鑄造是用于鑄造鋁合金常規(guī)的工藝,由于鋁合金優(yōu)異的充型性使其能夠經(jīng)濟(jì) 地用于生產(chǎn)大型、薄壁和復(fù)雜鑄件。壓鑄模具的溫度場分布對模具壽命、壓鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率等有著至關(guān)重要的影響。一方面,模具溫度場影響壓鑄件的充型、凝 固過程,而凝固過程的溫度場分布是預(yù)測縮孔、縮松、熱裂和宏觀偏析等鑄造缺陷的基礎(chǔ);另一方面,模具在壓鑄過程中,受到反復(fù)的急冷急熱影響,模具的溫度波 動較大,從而決定了其承受熱應(yīng)力的程度.導(dǎo)致一定程度的變形和裂紋,也就影響了模具的使用壽命。

為了提高鋁合金壓 鑄件的質(zhì)量和模具的使用壽命.壓鑄過程的溫度場受到了越來越多的研究工作者和實際生產(chǎn)者的重視。Lee等研究得到了澆注溫度和脫模劑對鑄件與模具接觸面的 溫度場分布規(guī)律。Kaiser分析了模具的預(yù)熱溫度對鑄件質(zhì)量和模具壽命的影響。賈良榮實現(xiàn)了用有限差分法對壓鑄過程的鑄件和模具溫度場的模擬。因此,實 現(xiàn)精確的數(shù)值模擬,溫度場的研究是必不可少的。本文以壓鑄實驗為基礎(chǔ),針對殼狀鋁合金薄壁類壓鑄件,利ANSYS Workbench軟件中熱分析模塊研究鋁合金鑄造過程中鑄件和模具的溫度分布規(guī)律。旨在通過觀察溫度的分布。研究鑄件以及模具的溫度變化規(guī)律,有效的預(yù)測鑄件和模具熱應(yīng)力集中部位,以此得出更合理的工藝參數(shù)。以期達(dá)到對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。

1 實驗設(shè)計

1.1 鑄件、鑄型以及傳感器

實驗為“薄壁”鑄件,壁厚為4mm。鑄件尺寸如圖1(a)所示,鑄件見圖1(b)。

針對進(jìn)一步提高計算效率和模擬精度。溫度的采集需要較高的頻率。同時一定要有距離型腔表面很近的測溫點的溫度值.從而保證測量結(jié)果和模擬結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此,本實驗采用K型熱電偶,熱電偶絲直徑為0.5mm。置人位置如圖2所示的傳感器TCl、TC2、TC3、TC4。

1.2 實驗條件及實驗過程

試驗中模具材料為H13鋼。鑄件材料為ADCl2。表l列出了兩種材料的相關(guān)熱物性參數(shù)。

1.2 實驗條件及實驗過程

試驗中模具材料為H13鋼。鑄件材料為ADC12。表l列出了兩種材料的相關(guān)熱物性參數(shù)。

實際壓鑄生產(chǎn)是一個復(fù)雜的周期性高速循環(huán)過程。為了便于計算,本文把壓鑄的一個循環(huán)過程簡化為5個階段:第1階段為澆人液態(tài)金屬、壓射金屬液并保壓凝固;第2階段為壓回和鑄件的冷卻;第3階段為開型、頂出鑄件;第4階段為模具上刷脫模劑;第5階段為合型、等待下次澆注。

2 溫度場計算的數(shù)學(xué)模型

在壓鑄過程中,熱量的傳遞形式主要以熱傳導(dǎo)、對流以及輻射3種方式進(jìn)行。由于能量守恒,溫度場經(jīng)過循環(huán)的壓鑄過程最終會趨于動態(tài)的平衡狀態(tài)。

因此,根據(jù)Fourier導(dǎo)熱定律,司表達(dá)出在方向流入的微元體熱流量公式:

式中:r為溫度,K;

為傳熱系數(shù),W/(m2℃)。

由式(1)、(2)整理得微元體吸收的凈熱流量:

同理,微元體在y、z方向上吸收的凈熱流量分別為:

若在單位時間內(nèi),液態(tài)合金的發(fā)熱量為Q,則在時間內(nèi),微元體的發(fā)熱量為出d業(yè)·m。因此,在時間內(nèi)微元體中的總熱量變化為:

將該微分方程作適當(dāng)整理化簡之后。利用有限元法就可求出數(shù)值解,并將其用于研究整個壓鑄模的溫度場分布。

3模擬結(jié)果及測量結(jié)果分析

針對合金ADC12的壓鑄實驗共進(jìn)行了56次壓射,試驗中改變的工藝參數(shù)有模具初始溫度、澆注溫度、保壓時間以及高、低速壓射速度。本文主要考慮常規(guī)工藝 參數(shù)(模具初始溫度、澆注溫度以及保壓時間)對鑄件以及模具溫度場的影響。主要分析比較模擬溫度和實測溫度的變化程度,以及壓鑄過程中型腔上不同位置的溫 度變化規(guī)律。

本實驗中。選取的模擬壓鑄工藝參數(shù)為:鑄造壓力60MPa,高速壓射速度6m/s,低速0.2m/s,澆注溫度650℃,模具初始溫度120℃,整個鑄造周期為30s。

3.1模擬溫度場分布

根據(jù)計算,由Thermo-calc軟件分析得到在結(jié)晶潛熱的釋放過程中ADC12鑄件液相線為607.5℃,固相線為525.8℃,并且隨溫度的遞增, 固相率和溫度呈線性關(guān)系。圖3(a)為鑄件凝固完成后的溫度分布示意圖。研究發(fā)現(xiàn)隨著時間遞增,鑄件徑向溫度從內(nèi)到外逐漸降低,溫度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,同 時變化平緩且兩邊對稱。圖3(b)為鑄件徑向溫度曲線圖,溫度從650.28℃降低到180.21℃。

模具的溫度場分布直接決定了模具的使用壽命.因而研究模具溫度場的分布有著重要的意義。圖4(a)為壓鑄過程模具的溫度場分布示意圖,發(fā)現(xiàn)與鑄件接觸面溫度最高,模具底部溫度最低。圖4(b)是模具總熱流量的矢量圖,研究得到模具各面連接處熱流量最大.岡此容易m現(xiàn)裂紋和變形。

圖5顯示了型腔表面不同位置處的模具溫度分布曲線。發(fā)現(xiàn)澆人液態(tài)金屬1 s后,隨著距鑄件表面距離的增加,模具的溫度受鑄件充型、凝固過程的溫度影響逐漸減小。在此工藝條件下,距型腔表面距離超過6mm后,受金屬液的影響較小。另外,澆口附近的模具溫度和型腔表面的平均溫度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。由于澆口處金屬凝固最晚,所以仍保持較高的溫度。

3.2實驗所測溫度分布

為驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,本實驗采用K型熱電偶。在壓鑄過程中,從與型腔表面距離相同的測溫點TCl和TC2兩位置所測得溫度曲線的變化趨勢來看,表現(xiàn)出 了相似的變化規(guī)律,而且數(shù)值也比較接近,這說明了實際的傳熱過程接近一維傳熱。TC1、TC2熱電偶測量溫度(分別用TC1M和TC2M表示)以及模擬過 程計算得到的TC1溫度(用TC1C表示)如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn):熱電偶所測溫度與計算溫度基本吻合。

因此,考慮影響測量因素的熱電偶本身的誤差、熱電偶安放位置以及熱電偶的延遲效應(yīng)和衰減效應(yīng)陰都得到了有效地控制。提高了模擬的準(zhǔn)確性。

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