铝合金半固态压铸成形过程的模拟.ppt

铝合金半固态压铸成形过程的模铝合金半固态压铸成形过程的模拟拟2021/10/102021/10/101 1研究背景/目的铝合金半固态压铸(触变成形)研发阶段的工作虽已接近于成熟,但与充型系统设计有关数据尚不充分。为改进计算机模拟精度,需要准备一些基本的参数。辅助充型系统的优化设计,改善零件的质量。2021/10/102021/10/102 2主要内容通过对压铸过程的实验测试和模拟相结合的方法,确认模拟的初始参数,奠定模拟的准确性分析和验证典型试样充型流场与铸造缺陷的关系,优化模具设计实际应用于汽车零件的研发过程,预测缺陷和对策 2021/10/102021/10/103 3研 究 方 法2021/10/102021/10/104 4实验方法实验材料 A356铝合金主要实验工艺过程(制坯二次加热压铸)2021/10/102021/10/105 5制造坯料的水平连铸装置制造坯料的水平连铸装置电磁搅拌2021/10/102021/10/106 6多工位旋转式坯料感应二次加热设备多工位旋转式坯料感应二次加热设备感应圈控制面板2021/10/102021/10/107 7500吨压铸机2021/10/102021/10/108 8压铸条件压铸条件模具温度:523K(250)坯料温度:858-863K(585-590)试样的三维CAD模型,10个 测试点 2021/10/102021/10/109 9试制零件的三维试制零件的三维CAD模型模型Rear bridge support Rear bridge support(type)Rear bridge support(type)Forward control arm2021/10/102021/10/101010计算条件(模拟软件模拟软件:ADSTEFAN):ADSTEFAN)Physical properties of Aluminum alloy A356*Function of solid fractionRelationship between kinematic viscosity and solid fraction Densitykg/m3 SpecificheatkJ/(kg K)ThermalconductivityW/(m K)LatentheatKJ/kg Kinematic viscositym2/s LiquidsK SolidusK 27000.96 155 389*887 850 Solid fraction,%0 0-6060KinematicViscositym2/s 1E-06 Linear inserting value 1E-05 2021/10/102021/10/101111力学性能测试2021/10/102021/10/101212研究(实验与模拟)结果2021/10/102021/10/101313半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响f=0f=1f=0.52021/10/102021/10/101414半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响摩擦系数虽然几乎不影响总的充型时间以及最终汇流的位置,但对流体的表面充型状态,汇流方式和充型模样存在一定的影响。因实际摩擦系数的准确测定是十分困难的,本研究根据反复计算的经验在该阶梯形板状试样以及其他零件模具的模拟计算中选择了0.5的摩擦系数。2021/10/102021/10/101515半固态流体充型时背压(排气)的影响物理模型V=A(c3/L)(P-P0)tS V为空气的体积;A为空气的流动系数;L和c分别是排气口的长度和宽度;P和P0分别为型内外的空气压力;t和S分别是时间步长和排气面积 网格长度单位为1cm排出的空气2021/10/102021/10/101616有无背压的对比 未考虑背压 考虑背压2021/10/102021/10/101717铸型/铸件之间换热系数的影响5000Wm2K 9500Wm2K 14000Wm2K 2021/10/102021/10/101818压铸机的推杆速度的影响 0.1m/s 0.5m/s 0.8m/s2021/10/102021/10/101919压铸机冲头的位移曲线压铸机冲头的位移曲线慢压式 快压式充型主要阶段充型末期和保压阶段此前为推杆空走预备充型(含将料缸中的坯料推至模具入口的预备期)充型主要阶段充型末期和保压阶段2021/10/102021/10/102020位移曲线测试结果小结位移曲线测试结果小结(1)(1)慢压式和快压式各具有明显不同的位移曲线慢压式和快压式各具有明显不同的位移曲线,各次测试各次测试的结果均反映出相似的曲线特征的结果均反映出相似的曲线特征,说明压铸机系统可以保说明压铸机系统可以保证相对稳定的充型状态证相对稳定的充型状态;(2)(2)慢压条件下两种方法得到的位移曲线非常相似慢压条件下两种方法得到的位移曲线非常相似,虽然压虽然压铸初期的推杆空走和后期的保压阶段存在少许位移的差别铸初期的推杆空走和后期的保压阶段存在少许位移的差别,但模具型腔充填时的位移变化斜率但模具型腔充填时的位移变化斜率(即速度即速度)基本一致基本一致,涉涉及充型的部分包括充型主要阶段和充型末期及充型的部分包括充型主要阶段和充型末期,由位移曲线由位移曲线的斜率变化可以推算出这两个阶段的推杆速度分别约为的斜率变化可以推算出这两个阶段的推杆速度分别约为0.25 m/s(0.25 m/s(按按70%70%计计)和和0.06 m/s(0.06 m/s(按按30%30%计计),),这将作为后续这将作为后续模拟的初始条件模拟的初始条件;(3)(3)快压条件下的位移曲线按前图所示同样可分为充型主快压条件下的位移曲线按前图所示同样可分为充型主要和充型末期两个阶段要和充型末期两个阶段,从曲线的斜率可以推算出推杆速从曲线的斜率可以推算出推杆速度分别为度分别为0.79 m/s(0.79 m/s(按按70%70%计计)和和0.09 m/s(0.09 m/s(按按30%30%计计););(4)(4)压铸机测试记录系统和高速摄像机测试的结果虽存在压铸机测试记录系统和高速摄像机测试的结果虽存在差异差异,但反映的趋势是一致的但反映的趋势是一致的,也说明了测试记录系统的准也说明了测试记录系统的准确与可靠。确与可靠。2021/10/102021/10/102121型内流动的测试型内流动的测试2021/10/102021/10/102222坯料加热后的组织形貌坯料加热后的组织形貌中心位置边缘位置2021/10/102021/10/102323充型过程的充型过程的Short shot实验实验(快压式快压式)2021/10/102021/10/102424充型模拟充型模拟（温度场显示温度场显示）2021/10/102021/10/102525模拟与实验的对比 Short-shot Simulation defects analysisDistribution imageCombination photowith low magnification50m2021/10/102021/10/102626模拟与实验的对比X-ray inspection Simulated cross-section2021/10/102021/10/102727充型过程的充型过程的Short shot实验实验(慢压式慢压式)2021/10/102021/10/102828充型模拟充型模拟（温度场显示温度场显示）2021/10/102021/10/102929辅助模具优化因现行模具在快压式的成形条件下,存在着如上所述的铸造缺陷,通过观察模拟和实验结果,本研究拟从修改模具型腔局部形状,浇口(gate)大小和形状等方面寻求优化的工艺方案,在模拟计算时固定通常的模具预热温度(523K)和压铸机的推杆速度(0.8m/s)。2021/10/102021/10/103030模具型腔的局部形状模具型腔的局部形状2021/10/102021/10/103131模拟结果2021/10/102021/10/103232gate的形状与大小的形状与大小2021/10/102021/10/103333模拟结果2021/10/102021/10/103434局部中空的设计局部中空的设计2021/10/102021/10/103535模拟结果2021/10/102021/10/103636综合改进综合改进(1)2021/10/102021/10/103737模拟结果2021/10/102021/10/103838综合改进综合改进(2)2021/10/102021/10/103939模拟结果该处的充满较方案11明显加快试样上部大致呈逐层充填特征凸台作为局部的最终充填之处,可望实现排渣集气的目的凸台作为局部的最终充填之处,可望实现排渣集气的目的试样上部大致呈逐层充填特征2021/10/102021/10/104040初始方案的凝固模拟初始方案的凝固模拟 2021/10/102021/10/104141凝固特征的比较凝固特征的比较 2021/10/102021/10/104242改进方案的凝固模拟改进方案的凝固模拟 2021/10/102021/10/1043432021/10/102021/10/104444模具温度分布的求解模具温度分布的求解2021/10/102021/10/104545半固态压铸的成形周期2021/10/102021/10/104646稳稳定定状状态态下下的的模模具具温温度度分分布布2021/10/102021/10/104747在在3030个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化 (模具初始预热至模具初始预热至250250)2021/10/102021/10/104848在在3030个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化 (模具不预热模具不预热)2021/10/102021/10/104949模具优化结果的验证2021/10/102021/10/105050缺陷分析快压式慢压式2021/10/102021/10/105151凸台内组织分布快压式慢压式2021/10/102021/10/105252力学性能的对比模具的不同压铸方式 抗拉强度MPa延伸率%备注原模具快压2074.43平均值慢压2217.99优化后的模具快压2387.65慢压26510.32021/10/102021/10/105353汽车零件的研制汽车零件的研制(后桥支撑座后桥支撑座)A severe demand for desk frame fatigue experiment(all samples450000 cycles)A trouble example In testing machine Crack position in diecasting 2021/10/102021/10/105454Analyzing reason by computer simulation animation Un-filling area in the front of gate 2021/10/102021/10/105555To optimize design of gating sysytemThe shape and size of gate are optimized2021/10/102021/10/105656X-ray inspection(1)2021/10/102021/10/105757X-ray inspection(2)2021/10/102021/10/105858结 论（一）系统地比较了压铸过程不同主要因素(溶体/型壁的摩擦系数,模具型腔的背压,溶体/型壁的换热系数和压铸机的推杆速度)对充型状态的影响,为确定后续模拟的主要使用条件打下了基础。通过测试并验证压铸过程的位移曲线较为准确地推测压铸速度,有益于提高模拟的精度;通过型内充型轨迹实测和模拟的对比以及引入独特的Short shot实验法为模拟提供了有力的支持和旁证手段。2021/10/102021/10/105959结 论（二）试样铸造缺陷的分析与模拟以及Short shot结果的反复对比表明，流场与缺陷形成有紧密的相关性,通过流场的模拟可以预测可能产生缺陷的位置和程度,从而提出改进的方向。利用计算机模拟可以从流场,凝固场的角度优化模具型腔的设计,准确把握成形的模具条件,在对板形试样模具实施优化设计后的实践结果充分证明了计算机模拟在辅助模具设计优化上的有效性和实用性。在实际复杂汽车零件的试制中有效地使用计算机模拟法取得了良好的效果,并被作为一种通用的技术手法得以进一步的验证和确立。2021/10/102021/10/106060