基于anycasing的砂型鑄造仿真分析

基于anycasing的砂型鑄造仿真分析

制造工藝對于生產(chǎn)不同精度的產(chǎn)品非常重要。在鑄造過程中,因?yàn)殍T型的阻隔,很難觀測到合金液體充型和凝固過程,而數(shù)字化模擬技術(shù)可以提供鑄件充型和凝固的可視化信息。所以,數(shù)字化模擬技術(shù)與試驗(yàn)研究成為提高鑄造技術(shù)的有效手段。數(shù)字化模擬技術(shù)在工藝設(shè)計之初以及設(shè)計方案更改論證過程中起到重要作用。AnyCasting可以快速準(zhǔn)確地分析鑄造過程中鑄型內(nèi)合金填充和凝固的信息,掌握驗(yàn)證流態(tài)、凝固和缺陷的方法。通常情況AnyCasting在進(jìn)行虛擬仿真澆注時需經(jīng)過三個過程,即AnyPRE前處理、AnySOLVER求解和AnyPOST后處理。1u2004鑄造工藝作為AnyCasing的前處理器,AnyPRE可以從導(dǎo)入的CAD數(shù)據(jù)直接生成有限差分網(wǎng)格,同時還可為鑄造過程指定不同的設(shè)置,包括:鑄造工藝的選擇、材料、邊界條件、熱流、澆口條件以及不同的儀器和模型。以側(cè)枕模型為例,所選用的鑄造方法為砂型鑄造,所導(dǎo)入的STL文件包括鑄件、流道、澆口、砂型和砂芯,澆注溫度720℃,鑄造材料為鋁硅共晶合金,砂型用普通粘土砂。對于澆注系統(tǒng)實(shí)體,因?yàn)槭强涨粎^(qū)域,因此假設(shè)在填充之前充滿空氣。對于僅進(jìn)行傳熱/凝固計算時,對模具進(jìn)行預(yù)熱,初始溫度默認(rèn)為25℃。導(dǎo)入的STL側(cè)枕模型如圖1所示,通過實(shí)體屬性、模具、求解域的設(shè)置建立非均勻剖分網(wǎng)格,生成網(wǎng)格剖分報告,如圖2所示。熱傳導(dǎo)系數(shù)的設(shè)定,針對砂型鑄造總結(jié)出不同材料之間的HTC值見表1。澆口條件為從澆口杯直接進(jìn)行澆注,所選方向?yàn)橹亓Ψ较?收縮模型臨界固相分?jǐn)?shù)為0.5。因?yàn)榇税咐秊樯靶丸T造,所以對于氧化夾渣和粒子追蹤也需進(jìn)行設(shè)置,所有的參數(shù)設(shè)置完成即可結(jié)束輸出條件。保存為*.gsc文件。2動和傳熱/凝固仿真求解器AnySOLVER是AnyCasting基于有限差分法的三維流動和傳熱/凝固仿真求解器,對于收縮模型、表面張力模型、氧化夾渣、真空排氣、粒子追蹤等可進(jìn)行快速求解及分析。如圖3所示。當(dāng)充型率和凝固率均計算完成,點(diǎn)擊所計算項(xiàng)目進(jìn)入AnyPOST界面。3澆注過程及缺陷分析作為AnyCasting的后處理器,AnyPOST通過讀取AnySOLVER中生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)和結(jié)果文件在屏幕上輸出圖形結(jié)果?？梢杂枚S和三維觀察充型時間、凝固時間、等高線(溫度、壓力、速率)和速度向量。此程序具備動畫功能,將模擬計算結(jié)果編輯成播放文件,通過結(jié)果合并來觀察缺陷凝固。圖4為充型順序的模擬。在實(shí)際澆注過程中,看不到型腔內(nèi)部的充型過程?？衫媚M結(jié)果分析,對充型過程有更加直觀的認(rèn)識,對產(chǎn)生的缺陷有更深入的分析。如圖5,在高級鑄造分析中的概率缺陷參數(shù),可發(fā)現(xiàn)一般情況下,液態(tài)收縮及凝固收縮如果不能得到及時的補(bǔ)償,在相應(yīng)部位就會形成孔洞。如圖所示,縮孔一般出現(xiàn)在鑄件頂部或最后凝固部位。在圖6、7對于澆注溫度的模擬中,可觀察充型及凝固過程中的溫度變化。當(dāng)液態(tài)金屬充滿型腔后,由于鑄型的熱交換,液態(tài)金屬溫度降低產(chǎn)生液態(tài)收縮。當(dāng)鑄件表面溫度降至凝固溫度時,表面開始凝固結(jié)殼,發(fā)生凝固收縮且凝固層開始固態(tài)收縮。此時,內(nèi)部的液態(tài)收縮仍在進(jìn)行,液面有下降趨勢,但當(dāng)凝固層不斷加厚時,殘余液體液面不斷下降,截面積減小,最后在鑄件中形成縮孔。如圖8,通過澆注速度矢量模擬,粒子追蹤可觀察到卷氣的分布情況,從而確定氣孔有可能出現(xiàn)的位置。氣孔一般不在鑄件表面顯露,大孔常孤立存在,小孔則成群出現(xiàn)。4暗冒口的補(bǔ)縮過程針對鑄件內(nèi)部縮孔原因與應(yīng)對措施,經(jīng)過分析可得到以下結(jié)論:合理設(shè)計鑄造工藝及鑄件結(jié)構(gòu),用加工余量調(diào)整鑄件壁厚,建立順序凝固條件,從工藝上采取各種措施,使鑄件上從遠(yuǎn)離冒口或澆口的部分到冒口或澆口之間建立一個逐漸遞增的溫度梯度,如圖9所示,這樣就可使遠(yuǎn)離冒口薄的部分先凝固,然后逐漸向著冒口或澆口的方向凝固,以實(shí)現(xiàn)鑄件厚大部分補(bǔ)縮細(xì)薄部分。而冒口又最后補(bǔ)縮厚大部分,從而將縮孔移入冒口中,最終獲得致密而健全的鑄件。對于壁厚差距過大的鑄件,可以設(shè)置暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。鑄件厚大部位采取強(qiáng)制冷卻措施如加冷鐵。在實(shí)際澆注的過程中,在保證鋁液充滿的情況下,適當(dāng)降低鋁液的溫度,會減少鋁合金收縮時的凝固量。在充型凝固過程中,由于砂芯散熱較慢,局部溫度高達(dá)548℃,超過了材料固相溫度,使得鑄件在此區(qū)域最后凝固。因此,為了提高補(bǔ)縮能力,在實(shí)際操作過程中,通常在砂芯上下型腔扎入通氣孔,并增加內(nèi)澆道厚度。在模擬澆注過程中,當(dāng)澆口杯中的金屬液流向直澆道時,會使匯流在直澆道上部的金屬液旋轉(zhuǎn)起來,形成水平渦流,如圖10所示。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),水平渦流的產(chǎn)生,使距離渦流中心(直澆道中心)越近的金屬液,旋轉(zhuǎn)速度越快,壓力越低,甚至形成負(fù)壓,在渦流中心形成喇叭口的低壓空穴區(qū),從而使附近的渣和氣被吸入直澆道中。在模擬過程中發(fā)現(xiàn),給定不同的澆口深度和直澆道直徑,對水平渦流的產(chǎn)生會有不同的影響。如圖11,當(dāng)澆口杯中的金屬液面高而澆包位置較低時,流入直澆道的流線陡峭,水平分速度小,不易產(chǎn)生高速度的水平渦流(圖11a)。當(dāng)澆口杯中的金屬液面低,流線趨向平坦,水平分速度大,則容易產(chǎn)生水平渦流(11b)。當(dāng)澆包位置較高時,盡管澆口杯的液面也較高,仍會產(chǎn)生水平渦流(11c)。這是因?yàn)楦咚俚娜垠w穿入金屬液面,對液面產(chǎn)生較大的沖擊,使流線變得比較平坦,形成水平流股而產(chǎn)生渦流。5鑄造模擬分析有利于指導(dǎo)模具設(shè)計AnyCasting數(shù)值模擬在改善初步設(shè)計和驗(yàn)證設(shè)計方面是非常有效的。因?yàn)閿?shù)值模擬過程能夠提供充型和凝固過程的信息,甚至在鑄型封閉而