水冷殼低壓鑄造數(shù)值模擬

水冷殼低壓鑄造數(shù)值模擬

新能源汽車機(jī)槍的鋁水冷外殼主要采用壓裂工藝生產(chǎn)，所用材料為鋁3556鋁合金。本研究中，最大橫截面積為4mm，是典型的鋁合金壁面。為適應(yīng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)循環(huán)水冷的要求,圓筒狀的機(jī)殼壁內(nèi)做成了中空的螺旋水道,需要在低壓鑄造前安裝螺旋砂芯在模腔中,如圖1所示本研究運(yùn)用了AnyCasting軟件對(duì)水冷機(jī)殼充型過程中的壓力、溫度及充填時(shí)間進(jìn)行數(shù)值模擬分析及結(jié)果比較,并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提高了產(chǎn)品的合格率。1u2004壓力和充型速度控制鋁合金水冷機(jī)殼低壓鑄造的工藝規(guī)范主要包括升液、充型、增壓、保壓結(jié)晶、卸壓、冷卻延時(shí),以及鑄型預(yù)熱溫度、澆注溫度、鑄型的涂料等內(nèi)容。生產(chǎn)中使用了帶有數(shù)字控制液面加壓系統(tǒng)的WFZJ4510低壓鑄造機(jī)進(jìn)行水冷機(jī)殼低壓鑄造,同其他低壓鑄造鑄件一樣經(jīng)過升液、充型、增壓、保壓結(jié)晶、卸壓和延遲冷卻的壓力控制變化過程為使鋁合金在持續(xù)氣體壓力狀態(tài)下進(jìn)行致密度較高的結(jié)晶,水冷機(jī)殼低壓鑄造時(shí)壓力增加從升液階段開始,到充型時(shí)壓力一般為0.02～0.06MPa,充型時(shí)間為4.5～20s。在這個(gè)過程中,不同結(jié)構(gòu)類型以及不同材質(zhì)的鋁合金液體從開始充型到最后完全凝固,生產(chǎn)中各個(gè)階段會(huì)采用不同的壓力及充型速度,從而形成不同的壓力變化曲線。表1所示為三類可參考的鋁合金低壓鑄件的加壓工藝。由表1可以看出,對(duì)于無砂芯的鑄件,其補(bǔ)縮需求量小,可以使用較高的充型速度,并可以選擇低壓、大流量、大口徑升液管設(shè)備。而對(duì)于薄壁有砂芯的鑄件,補(bǔ)縮需求點(diǎn)多,補(bǔ)縮需求量大,需要選擇高壓、大流量、大口徑升液管以及增加細(xì)化壓力變化環(huán)節(jié)。帶有螺旋砂芯的水冷機(jī)殼低壓鑄造即屬于典型的薄壁有砂芯的鑄件,應(yīng)該使用第三種情況的加壓工藝規(guī)范,首先進(jìn)行快速增壓,即在凝固早期階段,就施以盡可能大的補(bǔ)縮壓力。這有利于提高水冷機(jī)殼鑄件薄壁處的致密度,有效提高機(jī)殼零件的力學(xué)性能。但金屬液充型上升過程中很快會(huì)遇到螺旋狀的砂芯,金屬液體將會(huì)大面積地與螺旋狀砂芯進(jìn)行熱交換及化學(xué)反應(yīng),僅憑理論計(jì)算和分析難以下結(jié)論,因此這個(gè)階段采用的壓力和速度參數(shù)需要通過CAE軟件模擬,并在生產(chǎn)實(shí)踐中驗(yàn)證得出。2u2004低壓制造過程的壓力計(jì)算與模擬分析2.1u2004壓力系數(shù)鑄件充型過程是鑄件凝固成形的前導(dǎo),充型過程中金屬液與模具、砂芯之間進(jìn)行了復(fù)雜的換熱及化學(xué)反應(yīng)。鑄件充型過程的初始?jí)毫皦毫ψ兓俾手苯佑绊懞笃阼T件順序結(jié)晶的凝固質(zhì)量。許多鑄件凝固后期的缺陷都是在充型不利的情況下出現(xiàn)的,因此分析控制鋁液金屬充型質(zhì)量因素是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要保證之一式中:P為充型壓力,Pa;h為合金液從液面上升到鑄件頂部的總高度,mm;r為合金液在澆注溫度時(shí)的密度,g/cm由于鑄型內(nèi)部事先裝入了形狀復(fù)雜的螺旋砂芯,將會(huì)對(duì)充填進(jìn)入的金屬液造成一定的阻力,故此處阻力系數(shù)μ取較大值1.35。根據(jù)鑄件的體積和熔爐的直徑計(jì)算,合金液體從液面上升到鑄件頂部的總高度為220mm,由此計(jì)算出初始的充型壓力約為0.0078MPa。2.2增加溫度對(duì)結(jié)殼補(bǔ)縮的影響在充型壓力的理論計(jì)算公式基礎(chǔ)上,運(yùn)用AnyCasting軟件對(duì)不同的壓力參數(shù)數(shù)值進(jìn)行模擬分析。在分析之前,首先在軟件系統(tǒng)中填入水冷機(jī)殼鋁合金及低壓鑄造模具的熱物性參數(shù)。機(jī)殼鋁合金使用的材料為A356,模具材料為SKD61,表2列出了初始溫度時(shí)的材料物性參數(shù)等模擬計(jì)算條件除物性參數(shù)選定外,還對(duì)其他初始工藝條件如模具溫度、升液條件進(jìn)行了設(shè)置。然后根據(jù)表1中薄壁鋁合金低壓鑄造的工藝規(guī)范,將壓力變化劃分為六個(gè)階段(1)升液壓力為0.005MPa,充型壓力為0.0078MPa,加壓曲線如圖3a所示。由于充型時(shí)采用了較快的速度,沒有增加設(shè)定一段穩(wěn)壓結(jié)殼階段,經(jīng)模擬得到圖3b的結(jié)果。金屬液與鑄型、砂芯之間存在較大的溫度梯度,特別是當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔后與砂芯接觸時(shí),與砂芯進(jìn)行較大溫度梯度的溫度交換及化學(xué)反應(yīng),環(huán)繞螺旋狀的砂芯與金屬液全面反應(yīng)及熱交換,劇烈的反應(yīng)會(huì)使原來呈現(xiàn)層流平穩(wěn)上升的金屬液產(chǎn)生紊流,導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)部氣體和縮松缺陷,如圖3b中標(biāo)示的位置。由于低壓鑄造金屬液充型是底注式,有外加壓力時(shí),其補(bǔ)縮是從下向上,充型初期自下而上的補(bǔ)縮,充型后期自上而下的補(bǔ)縮使得在鑄件的頂部容易產(chǎn)生縮松和充填不足的缺陷。因此頂部成為鑄件重點(diǎn)的補(bǔ)縮區(qū)域。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出鋁合金液體在上升經(jīng)過螺旋砂芯的部分后,溫度下降較多,金屬液體與螺旋狀砂芯大面積接觸使得本來以平穩(wěn)層流方式均速上升的金屬液不可避免地產(chǎn)生紊流現(xiàn)象,未經(jīng)預(yù)熱的螺旋砂芯會(huì)吸收鋁合金液體的潛熱及上升動(dòng)能,使本應(yīng)該迅速上升的金屬液流動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化,增加了鑄件頂部氣孔和縮松的可能性,以至于產(chǎn)生缺陷。同時(shí)因?yàn)榧訜徇^程中模具溫度控制不合理,導(dǎo)致充型時(shí)模具溫度與鋁合金液體之間溫差較大,凝固時(shí)縮松區(qū)域(圖3b)來不及補(bǔ)縮,形成較大的縮松。模具預(yù)熱溫度較低還會(huì)使鋁液充型接近頂部時(shí)溫度迅速降低到凝固溫度以下,鑄件過早凝固形成縮松。(2)升液壓力為0.006MPa,充型壓力為0.0085MPa,充型時(shí)采用較慢的速度,壓力曲線的斜率減小,同時(shí)在金屬液全面充型之后增加了一段5s的穩(wěn)壓結(jié)殼階段,如圖4所示。圖中可見僅有一處縮松缺陷發(fā)生,這說明增加一段穩(wěn)壓過程有利于結(jié)殼補(bǔ)縮。(3)升液壓力為0.006MPa,充型壓力為0.0085MPa,充型時(shí)采用了更慢的速度,并將穩(wěn)壓結(jié)殼階段的時(shí)間增加為15s以上。同時(shí)將起始充型溫度適當(dāng)提高為735℃,以避免充型過程中降溫至固相區(qū)域,鑄件過早凝固的情況發(fā)生。加壓曲線如圖5a所示,經(jīng)模擬得到圖5b的結(jié)果,圖中再?zèng)]有縮松缺陷發(fā)生。3金屬液進(jìn)入模腔的過程設(shè)計(jì)在水冷機(jī)殼實(shí)際生產(chǎn)中,將軟件模擬的參數(shù)設(shè)置方案與WFZJ4510低壓壓鑄機(jī)控制面板上顯示出來的加壓曲線比對(duì)分析,對(duì)水冷機(jī)殼這種薄壁鋁合金低壓鑄造零件的壓力工藝規(guī)范曲線應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更細(xì)致的劃分設(shè)定,全過程的工藝優(yōu)化的內(nèi)容總結(jié)如下:(1)升液階段。金屬液在升液管內(nèi)的上升速度應(yīng)盡可能緩慢,鋁液自起始位置上升至升液管頂端即將進(jìn)入模腔,速度緩慢利于流動(dòng)平穩(wěn),一般控制在16～18Mbar/s,有利于型腔內(nèi)氣體的排出,同時(shí)也可使金屬液在進(jìn)入模腔澆口時(shí)不致因?yàn)闄M截面突然變化而產(chǎn)生噴濺。(2)加快充型壓力提升速度。溫度較低的砂芯將會(huì)消減金屬液的熱能,在金屬液進(jìn)入型腔但未充滿模腔時(shí),快速增壓過程中的補(bǔ)縮顯得尤為重要,而且需要更高的補(bǔ)縮壓力。在充型早期階段金屬液溫度還較高時(shí),就施以盡可能大的補(bǔ)縮壓力。金屬液充滿型腔后,再繼續(xù)增壓,鋁液自升液管頂端至模具型腔頂端,速度一般控制在6～10Mbar/s。使鑄件的結(jié)晶凝固在較大的壓力作用下進(jìn)行,即進(jìn)行快速增壓以補(bǔ)充由于金屬液體與螺旋狀砂芯熱交換及化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的動(dòng)能損失。(3)增壓后期加入5～15s的穩(wěn)壓結(jié)殼階段用于補(bǔ)縮,速度一般控制在50～70Mbar/s。這時(shí)的壓力越大,補(bǔ)縮效果越好,最后獲得的鑄件組織也越致密。(4)保壓時(shí)間。對(duì)于水冷機(jī)殼這類較大型的薄壁零件,保壓時(shí)間在10～15s較為適宜。如果保壓時(shí)間不夠,鑄件未完全凝固就卸壓,型腔中的金屬液將會(huì)流回爐內(nèi),造成機(jī)殼鑄件“放空”報(bào)廢;如果保壓時(shí)間太長(zhǎng),則金屬液在澆口會(huì)殘留較多,不僅降低生產(chǎn)收得率,而且還會(huì)造成澆口部分“凍結(jié)”,使鑄件出型困難。以上參數(shù)優(yōu)化的重點(diǎn)在于凝固開始階段盡快施以較大的補(bǔ)縮壓力,因?yàn)閷?duì)于薄壁件金屬型鑄造,鑄件凝固時(shí)間不長(zhǎng)。液面升高的同時(shí)液態(tài)金屬已經(jīng)在快速結(jié)晶,固相部分的比例快速增加,此時(shí)應(yīng)急速升壓,以克服重力的負(fù)作用,進(jìn)行補(bǔ)縮。與表1中一般通用的工藝規(guī)范比較,具體的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置如表3所示。4u2004模具水冷系統(tǒng)的研究運(yùn)行AnyCasting中的Anypost模塊之后,模擬計(jì)算得到循環(huán)鑄造過程中鑄型的溫度變化。從中可以看出,不同的低壓鑄造條件參數(shù)形成的鑄型及鑄件溫度不同。我們將模具預(yù)熱至350℃,并在連續(xù)低壓鑄造過程中采用自動(dòng)水冷系統(tǒng)控制模具溫度的工藝。通過分析軟件的模擬結(jié)果,如圖6可以看出,在增壓階段模具經(jīng)過預(yù)熱后溫度從350℃開始上升,鑄件急劇下降,在保壓階段鑄型和鑄件之間的溫度變化較為平緩,因此可有效避免鑄件和模具之間溫度差較大而過早開始凝固形成縮松等缺陷。5砂芯與鋁液的密封優(yōu)化(1)使模具預(yù)熱溫度分布合理,即左右側(cè)模具同步均衡加熱,預(yù)防溫度不均勻。(2)使用烘干爐預(yù)先烘干螺旋砂芯至200℃或以上,減少砂芯與鋁液之間的溫度差值。(3)對(duì)局部熱節(jié)處的對(duì)應(yīng)模具部位采用強(qiáng)制冷卻,以調(diào)節(jié)出符合補(bǔ)縮的溫度場(chǎng)分布。(4)對(duì)局部影響補(bǔ)縮的“冷節(jié)”,在模具背后的四周鉆孔銑槽,然后充填絕熱材料,以增大熱阻,減緩冷卻凝固速度。6水冷有效充型過程分析由于金屬熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)與凝固過程無法在實(shí)際生產(chǎn)過程中看到,所以在解決鑄件缺陷問題時(shí)常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和試制成本,而且難以達(dá)到最佳的效果。根據(jù)水冷機(jī)殼的不同規(guī)格和幾何形狀,運(yùn)用AnyCasting