鎂（měi）合（hé）金壓鑄件凝固過程計算機模擬

摘 要: 分析了壓鑄（zhù）工藝的特點以（yǐ）及壓鑄過程數值（zhí）模（mó）擬軟件的要求, 利用鑄造過程（chéng）分析軟（ruǎn）件模擬鎂合金壓鑄件凝固過程 的溫度場, 基於溫度場分析結果, 預測在鑄件凝固時形成（chéng）縮（suō）孔、縮鬆等缺陷的位置及分布, 優化鑄造工藝設計。 鎂合金具有（yǒu）較（jiào）高（gāo）的比強度、良（liáng）好的減震性和切削 加工性及尺（chǐ）寸的穩定性（xìng）等 , 這些優良的特性使它成為 非常重（chóng）要的現代工業材（cái）料。目前鎂合金壓鑄件被廣泛 應用於汽車、航空航天和計算機（jī）製造業等各個領域 。 由於其熱流動性好（hǎo） , 適合薄壁件的壓鑄生產 。 隨著計算機軟、硬件技術的飛速發展 , 凝固過程數 值模擬技術在鑄造生產中得到了廣泛的應用 。由於 金（jīn）屬液體積的收縮及（jí）雜質（zhì）的富集 , 鑄件（jiàn）中凝固（gù）最慢的 區域容易產生縮孔、縮鬆等缺陷 。本文應用鑄造（zào）模擬 軟件對壓鑄件進行凝固（gù）過程的數值模擬 , 預測（cè）在鑄件 凝固時形成縮孔、縮鬆等缺陷的位置及分布 , 指導模（mó）具 設計過程中合理設置溢流槽。 1 模型的建（jiàn）立 1.1 有限元（yuán）溫度場（chǎng）計算原理（lǐ） 偏微分方程熱傳導簡稱導熱 , 屬於接觸傳熱 , 是連 續介質就地傳遞熱量而沒有各部（bù）分物質之間宏觀的相 對位移（yí）的過程。熱（rè）力（lì）學第一定律說明了隻有在各物體或者 物體各部分處於不同溫度時 , 熱（rè）量才能從一個（gè）物體傳遞 到另（lìng）一個物體（tǐ） , 或者從物體的某一部分傳遞到物體的另 一（yī）部分 , 並且熱量總是從（cóng）溫度最高處流向溫度最低處。 傅裏葉定律就是處理（lǐ）導熱問題的（de）基本定律： 式中 : q 是比熱流量（liàng） , λ是導熱係數 , & T/&n 是溫度梯度。 靜止的液體金屬或形成凝固層以後的金屬（shǔ）向鑄型 傳熱主要以不穩定導熱方式進行。實際情況中多以三（sān） 維不穩定導熱偏微分（fèn）方程為基本數學模型 , 即 : 式 (2) 是依（yī）據傅裏葉定（dìng）律（lǜ）采用微（wēi）元體積法在三維 直角坐標（biāo）係下推導得（dé）出的。針對鑄件凝固過程中由（yóu）於 潛熱釋放而產生的內熱源 , 式 (2) 應（yīng）為 : 式中 : ρ 為密度 ; C P 為比熱容 ; L 為潛熱 ; f s 為固相率 ; T 為凝固溫（wēn）度 ; τ 凝固時間。 式 (3) 為鑄件凝（níng）固過程數值模擬基本數學模型 , 其 中最後一項為內熱源項。 1.2 邊界（jiè）條件 對於金屬型（xíng）鑄件模擬的邊界條件 , 確定鑄件與模 具之間的界麵換熱係數（shù）最（zuì）為重要 , 本模擬采（cǎi）用的方法 如下 : 式中 : H 為（wéi）界麵換熱係數 ; H c 為間隙氣體導熱係數 ; H t 為（wéi）輻射換熱係數 ; X g 為間隙（xì）寬度 ; T ic 為（wéi）界麵處鑄件溫度; T im 為界麵處模具表麵溫度; σ是（shì）波爾滋曼常數; e 1 為（wéi）鑄件熱輻射係（xì）數; e 2 為模具表麵熱輻（fú）射係數。 1.3 潛熱處理 由於 AZ91B 合金結晶溫度範圍較窄, 所以采用溫 度回升法進行潛熱釋放的處理 : 式中: C P 為合金的比熱容; !T 為回升的溫度; T l 為合 金的液相線溫度; T 為合金（jīn）的當前（qián）溫度; L 為合金凝固 潛熱。 2 鎂合金壓鑄件凝固數值模擬 換檔（dàng）殼體零件平均壁厚為 4.2 mm, 采用鎂合金為 材料。根（gēn）據使用條件, 要求零（líng）件具有較（jiào）好的氣密（mì）性和 光潔表麵, 采用壓力鑄造。本文鑄造模擬軟件是采（cǎi）用 基於有限元 (FEM) 的數值計算和綜合求解的方法, 對 鑄件凝固和冷卻過（guò）程（chéng）中的（de）流場、溫度場、應力場和電 磁場（chǎng）進行模擬分析。 壓（yā） 鑄 件 采 用 AZ91B 合 金 , 澆 注 溫 度（dù） 設 定 為 650℃, 衝頭直徑 40 mm, 衝頭速度（dù）為 1.5 m/s 。計算時 鑄件的網格單元為 201 175 個, 在 PⅣ 2.6GHz 微機上 進行, 所用 CPU 時（shí）間為 3 h 。鑄件和模具的物理性能如 表 1 所示。 圖（tú） 1~ 圖 4 是 鑄（zhù） 件 充 型 完 成 後 不 同 時（shí） 間 的 凝（níng） 固 溫 度, 從圖中（zhōng）可以清楚的看（kàn）到（dào） 不 同 時 間 壓 鑄 件 的（de） 凝 固 順 序, 這樣可以迅速的確定潛 在問題的（de）區域。從圖 1 可以 看 出 , 壓 鑄 件 最 高（gāo） 溫 度 650℃, 通過模擬結果, 可知鑄 件的凝固時間為 0.2 s, 固相比 例為 0.000 1% 時, 可以認為 鑄件（jiàn）剛開始凝固。從圖中可 以看出溫度分布根據殼體鑄 件的厚度增（zēng）加而升高。鑄件 的薄壁（bì）處和邊緣溫（wēn）度明顯低 於上端厚（hòu）大處和（hé）左端最後充 型處（chù）。 圖 2 是（shì）充型後 3s 時的 鑄件溫度分（fèn）布, 壓鑄件最高 溫度 580℃, 固相比例為 38%,正處於凝固過（guò）程（chéng）的中期階段。由於厚度不均勻, 溫度在 鑄件（jiàn）的厚大部位和複雜部位的溫度較高, 在薄殼部位 溫度下降較快, 所以凝（níng）固時的溫（wēn）度分布不均勻, 可能造（zào） 成鑄件內部組織的不均（jun1）勻, 但這時（shí）鑄件（jiàn）液相還占有很 大的比例, 可以對組織稀鬆（sōng）處進行補縮。 圖 3 是（shì）充型後 8 s 的鑄件溫度分布, 壓鑄件最高溫度 510℃, 固相比例 為（wéi） 84%, 這時鑄件主體已經凝固, 隻有（yǒu）在零件壁較厚和 結（jié）構複雜處還沒有完全凝固。 圖（tú） 4 是（shì）鑄件澆注後 10 s 時鑄件溫度分布, 壓鑄件最高溫度 450℃, 通過模擬結 果, 可知固相比例為 92%, 這是因為鋼質金屬型比普通 砂型有著較高的導熱率和蓄熱能力的緣故。在澆注後 10 s 時, 鑄件大部（bù）分已經（jīng）凝固, 隻（zhī）有在鑄件上端厚大處 和左端（duān）最後充（chōng）型處有液相的存在, 隨著鑄件（jiàn）凝固過程 的進行, 合金的體（tǐ）積收縮, 又沒（méi）有合金液的填（tián）補（bǔ）, 往往 在（zài）鑄（zhù）件最後凝固的部（bù）位出（chū）現縮孔（kǒng）。容積（jī）大而集中（zhōng）的孔 洞體為集中縮孔（kǒng） , 細小（xiǎo）而分散的孔洞為縮鬆。所以, 可（kě） 以確定（dìng）鑄件上（shàng）端厚大處和左端最（zuì）後充型處為縮孔、縮 鬆等缺陷富集的區域。根（gēn）據模擬分析結果 , 指導模具設 計過程中在上端厚大處和左端最後充型處設置（zhì）溢（yì）流 槽, 避免缺陷在該處產生。 3 結論（lùn） 通（tōng）過模擬分析換檔殼體零件, 得到在澆注溫度為 650℃ 、速度為 40 m/s 、模具溫度為 200℃ 的條件下, 充 型、凝固效果較好, 鑄件整體質量較（jiào）高, 需要充型時間 0.0579 s, 完全凝固時間 10 s 。根據模擬結果可知凝固過 程 中 在 鑄 件 的 上 端 厚 大 處 和 最 後 充 型 處 會 富 集 縮 孔、縮鬆等缺陷, 指導鎂合金壓鑄模具（jù）設計在該處設置溢流槽, 避免缺陷在這兩個區域產生。 通過（guò）對換檔殼體零件溫度場數值模擬, 可見采（cǎi）用 有限元（yuán）法模擬計算薄壁鑄件的凝固（gù）過（guò）程是一種行之有 效的方法。可提高鑄造工藝設計的精度（dù）和鑄（zhù）造工藝出 品率 , 降低鑄件的廢品率。能夠準確的反映壓鑄件溫度 場的（de）變化, 並預測可能產生的縮孔、縮鬆等缺陷的區域 及大小。 更多資訊（xùn）詳細請登錄東莞（wǎn）低熔點合金：www.gysxh.com