鋁合金信號接受件壓鑄模的澆注系統(tǒng)設(shè)計

鋁合金信號接受件壓鑄模的澆注系統(tǒng)設(shè)計

在壓縮模具的設(shè)計中，無論注射系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，對壓鑄件的質(zhì)量、產(chǎn)量和芯的使用壽命有重要影響。不合理的注射系統(tǒng)導致了孔、縮孔、縮松、冷隔等缺陷。在生產(chǎn)過程中澆注系統(tǒng)的設(shè)計和改進常用的方法是試錯法,但這種方法成本高、周期長。數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn),使得澆注系統(tǒng)的設(shè)計成本降低、周期縮短,同時也對提高鑄件質(zhì)量等方面有著重要意義。壓鑄充型凝固過程的數(shù)值模擬,可以幫助人們在壓鑄工藝設(shè)計階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預測,從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計,以確保鑄件的質(zhì)量,縮短試制周期和降低生產(chǎn)成本。1鑄造工藝的缺陷本文選擇的壓鑄件為一套筒類信號接收件,由于零件的形狀特點,實際壓鑄成型時容易出現(xiàn)氣孔、縮孔、縮松、冷隔、澆不足等缺陷。根據(jù)其尺寸和形狀的特點,需采用在3個方向抽芯,故采用一模一腔式,在J1125型壓鑄機上壓鑄,擬采用雙邊切向錐形澆道澆注。1.1鑄件材料及最大尺寸此信號接收件的平均壁厚為2.2mm,鑄件材料采用YL104,鑄件重約190g。最大尺寸為200mm×70mm×70mm。如圖1所示。1.2模具表面溫度充型時間是設(shè)計澆注系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素,利用經(jīng)驗公式:T=0.0346×Tn?Ty+64Tn?Tm×bΤ=0.0346×Τn-Τy+64Τn-Τm×b式中,Tn為內(nèi)澆道溫度,Ty為液相線溫度,Tm為填充前的模具表面的溫度,b為平均壁厚。Tn取670℃,Ty為616℃,在填充前模具表面溫度Tm為220℃,平均壁厚為2.1mm,計算出充型時間為0.02s。1.3內(nèi)部填充速度內(nèi)澆口的速度往往會影響鑄件的充型質(zhì)量,根據(jù)壓鑄件的特點和平均壁厚,利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)并查壓鑄模設(shè)計手冊,得內(nèi)澆口速度為40m/s。1.4截面積的計算鑄件的質(zhì)量約為190g,利用流量計算法計算內(nèi)澆口的截面積:Ag=GρVgtAg=GρVgt式中,Ag為內(nèi)澆口的截面積;G為鑄件及溢流槽的質(zhì)量;ρ為鑄件密度,Vg為充型速度;t為充型時間,計算得Ag為92mm2。1.5直澆道尺寸計算雙邊錐形澆道由兩個錐形澆道、緩沖包和三角區(qū)域構(gòu)成,其設(shè)計計算公式為:切向澆口截面積(單側(cè))At=0.6Ag,緩沖包口處截面積Ae=0.05At,寬度We=Ae??√We=Ae,主流道截面積Ar=1.4Ag,寬度Wr=1.247At??√Wr=1.247At。經(jīng)計算得At=55.2mm2,Ae=2.76mm2,We=1.66mm,Ar=128.8mm2,Wr=9.26mm。對于直澆道設(shè)計一般由壓鑄機上的壓室和壓鑄模上的澆口套尺寸來計算,根據(jù)所需壓射比壓和壓室充滿度選定壓室和澆口套的內(nèi)徑,從而確定直澆道的尺寸。其澆注系統(tǒng)見圖2所示。2自由表面的非穩(wěn)定流動壓鑄充型過程與液態(tài)金屬的流動、傳熱及傳質(zhì)過程密切相關(guān),是一個伴隨著熱量散失,以及凝固的非恒溫的流動過程。對具有自由表面的非穩(wěn)定流動計算,關(guān)鍵在于確定自由表面的位置及移動,同時需要處理自由表面的邊界問題等。據(jù)此,本文模擬建立的數(shù)學模型如下:2.1硬件固態(tài)場和溫度場的數(shù)學模型(1)動量守恒N-S方程ρ=(?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z)=??p?x+ρgx+μΔ2uρ=(?v?t+u?v?x+v?v?y+w?v?z)=??p?yρ+gy+μΔ2vρ=(?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?z)=-?p?x+ρgx+μΔ2uρ=(?v?t+u?v?x+v?v?y+w?v?z)=-?p?yρ+gy+μΔ2vρ=(?w?t+u?w?x+v?w?y+w?w?z)=??p?z+ρgz+μΔ2wρ=(?w?t+u?w?x+v?w?y+w?w?z)=-?p?z+ρgz+μΔ2w(2)拉普拉斯算子D=?u?x+?u?y+?u?z=0D=?u?x+?u?y+?u?z=0式中,D為散度;u、v、w為速度矢量在坐標系中x、y、z方向上的分量;P為壓力;μ為運動粘度;g為重力加速度;Δ為拉普拉斯算子;ρ為金屬流體密度。(3)流體導熱率t?T?t+u?T?x+v?T?y+w?T?z=?Τ?t+u?Τ?x+v?Τ?y+w?Τ?z=λρCP(?2T?x2+?2T?y2+?2T?z2)+QρCPλρCΡ(?2Τ?x2+?2Τ?y2+?2Τ?z2)+QρCΡ式中,T為溫度;λ為流體導熱率;CP為流體定壓比熱容;Q為內(nèi)熱源。(4)流體體積分數(shù)f?F?t+u?F?x+v?F?y+w?F?z=0?F?t+u?F?x+v?F?y+w?F?z=0?ρ?t+?(ρui)?xi=0?ρ?t+?(ρui)?xi=0式中,F為流體體積分數(shù);u為速度。(5)有限流方程-KΔTn=hf(t)g(T)[T-Ta]式中,h為對流交換系數(shù);Ta為邊界溫度;g(T)為溫度函數(shù)。2.2速度、溫度和壓力場數(shù)值求解上述方程前要對偏微分方程組在空間和時間上進行離散,原則為:①為了滿足連續(xù)性方程,壓力必須進行迭代修正,由此引起的速度改變值需要加到上一步計算的速度場上,反復迭代直至滿足精度要求;②對動量方程進行顯式差分,以初始條件或者上一時刻的數(shù)值作為基礎(chǔ),試算出下一時刻的猜測速度值;③由體積函數(shù)方程確定新的流體表面的流動前沿;④計算流體傳熱時,同時考慮邊界換熱、結(jié)晶潛熱。要重復上面的計算,直至壓鑄件充型凝固結(jié)束,對每次的迭代都必須保證滿足速度、壓力,以及數(shù)值計算的穩(wěn)定性條件。同時在速度、壓力的迭代中每一個時間步長后對于流量的計算要進行修正,這就保證了流量、充型形態(tài),以及充型時間的準確。3不同充型溫度下金屬液流動規(guī)律采用的模型由PRO/E造型,并生成格式為.ans的面網(wǎng)格,利用.ans->.sm程序轉(zhuǎn)化為.sm面網(wǎng)格,再利用PROCAST自帶網(wǎng)格劃分模塊進行.mesh網(wǎng)格的劃分。采用PROCAST軟件進行數(shù)值模擬。澆注溫度為670℃,模具工作溫度為220℃,鑄件與模具表面的傳熱系數(shù)為1500W/(m2·K)。壓射比壓為80MPa,壓室直徑為60mm。充型云圖以不同的顏色表示金屬液流動的不同速度,由圖3可以看出,金屬液在內(nèi)澆道處以42m/s的速度充填,在充型到30%時有輕微的紊流現(xiàn)象,金屬液以近似噴射狀的形式向型腔充填。在充型達到80%時,金屬液速度較平穩(wěn),氣體被金屬液推到型腔上端A區(qū)域,如圖4所示,在A處附近布置了溢流槽和排氣槽,氣體能夠很順利的排出,不會造成氣體夾雜等缺陷。充填完后,溫度分布較均勻,金屬液在施加的補縮壓力作用下進行凝固,由此可明顯的