CAE分析实例.pdf

模具工业 2 0 0 6年 第 3 2 卷 第 6期 7 日 召 l I 相 机 铝 合 金 外 壳 压 铸 C A E 分 析 胡 志 闰 洪 陈国香 毛成林 余文亮 1 南昌大学 先进成形制造及模具研究所 江西 南昌 3 3 0 0 2 9 2 凤凰光学控股有限公 司 江西 南昌 3 3 4 0 0 0 摘要 通过建立温度场计算数学模 型 利用有限元软件 P r 1 C f 模拟 了照相机铝合金外壳的充型过程 通过模拟结果分析 预测 了铸件 在充型过程 中可能 出现 的相关缺陷以及缩孔疏松形成的位置 并提 出 了一些修改方案和改进措施 关键词 铝合金 压 铸 模拟 缩孔疏松 中图分类号 T P 3 1 I G 2 4 9 2 文献标识码 B 文章编号 i 0 0 1 2 1 6 8 2 0 0 6 0 6 0 0 0 7 0 4 CAE b a s e d a na l y s i s o n d i e c a s t i n g f o r a l u mi nu m a l l o y c a me r a s h e l l HU Z h i Y AN Ho n g CHEN Gu o x i a n g MAO Ch e n g l i n YU We n l i a n g 1 I n s ti t u t e o f Ad v a n c e d F o r mi n g Ma n u f a c t u r i n g a n d Di e Mo l d Na n c h a n g Un i v e r s i t y N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 2 9 Ch i n a 2 P h o e n ix O p ti c a l C o L t d N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 4 O O O C h i n a 包括零件特征装配树 p r j p a r t O 0 1 毛坯特征装配 树 p ri b la n k 0 0 4 条料特征装配树 p rj n e s t 0 0 9 模具设计装配树 埘 Ai e 0 0 2 四部分 函 j3o n t r o l 0 0 0 霉 日 凶 p r L p a r t 0 0 1 1 i 融 p r 1 k 0 1 a n k 团 p r i o r o c e s s 0 0 6 目 p r L n e s t 0 0 9 l b I 日 F jl b I 鸯 日 函 酬 d ie 0 0 2 鳓 p q b 0 7 4 臼 p r i u p 0 5 5 自 p r I d b 0 1 0 臼 p r I v a r 0 0 5 臼 p r j s c m a t to o 0 0 7 臼 O r j t r ip 一 0 0 3 臼 j r e lie f 0 0 8 图4 级进模概念模型装配树 整 个部件 整个 部件 整个 部件 整个部 件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整个部件 整 个部件 整个 部件 整个 部件 5 多工位级进模总装结构设计 多工位级进模参数化装配结构设计的主要任 务是将零件模型及标准件动态地加入到装配中 再 把继承了参数约束的零部件结构进行细化设计 实 现装配约束的装配结构更改 最后完成整个级进模 设计 图 5为级进模总体装配结构爆 炸图 6 结束语 采用 C A D C A M 技术进行模具设计制造是现代 模具发展的必然趋势 在 U G N X环境下的 自顶向下 的参数化装配设计克服了传统设计的缺点 面向实际 图 5 总体装配结构爆炸图 应用 实现 了快速便捷的多工位级进模设计 大大 提高了设计效率 参考文献 1 欧长劲 C A D C A M 技术 M 杭州 科学技术出版社 2 x 3 2 曹德祥 基干装配模型的冷挤压模县 C AD系统的研究 J 模具技术 2 x 1 2 2 5 2 7 3 束庆斌 冷冲模 C AD系统的装配建模研究 合肥工 业大学学报 自然科学版 2 0 0 1 5 8 9 4 9 0 1 4 杨鑫华 冲模 C A D系统中基于功能部件的层次化装配 模型和相关技术研究 模具工业 2 0 0 2 6 3 6 5 赵震 基于知识的冲裁模具结构智能设计关键技术 研究 J 锻压技术 2 0 2 4 5 4 5 7 9 0 2 2 3 o o o o oo o o o D o o o oo o 口 日 口 口 口 口 口 口 口 口 口 日 日 日 日 日 日 维普资讯 8 模具工业 2 0 0 6 年第3 2 卷第6 期 Ab s t r a c t f il l i n g p r o c e s s f o r ADC1 0 a l u mi n u m a h o y c a me r a s h e l l wa s s i mu l a t e d b y f i ni t e e l e me n t s o f t wa r e P r o b a s e d o n t h e e s t a b l i s h me n t o f ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t e mp e rat u r e fi e l d c a s t i n g d e f e c t s i n t h e mol d f i l l i n g pro c e s s we r e a n a l y z e d p o s i ti o n s o f s h r i n k a g e c a v i t y a n d p o r o s i t y f o r me d were p r e d i c ted S o me mo d i f i c a t i o n S C h e me s a n d i mp r o v e me n t me a s u r e s were p r e s e n t e d Ke y wo r d s a l um inu m a l l o y d i e c a s t i n g s im u l a fi o n s h r i n k a g e c a vit y a n d p o r o s i t y l 引言 由于铝合金密度小 比强度高于铜合金 球铁 及碳素钢 使压铸件具有 良好的综合性能 铸造性 能和机械性能 在很多行业获得了广泛的应用 因 而 铝合金压铸件的C A E分析对提高铸件质量 缩 短生产周期 降低生产成本 采取合理措施优化工 艺参数具有重要的意义 现利用美 国 U E S公 司开发 的铸造过 程仿真分 析软件 P 1I 对某厂照相机外壳的压铸成型过程 进行模拟 通过对流场 温度场的仿真 反映液态铝 合金充型全过程 预测铝合金压铸件缺陷可能出现 的位置 从而使模具设计过程得到优化 铝合金压 铸件整体质量得到提高 2 温度场计算的数学模型 2 1 温度场控制方程 压铸过程的温度场为三维不稳态温度场 其控 制方程可描述为 a T 丁 1 1 L c t 十 十 式 中 1 温度 时间 z 空间坐标方 向 p c 合金的密度 比热容和热导率 L 合金潜热 该方程右边第 l 项是热流过程中由流入微元和 流出微元差造成的热量堆积 增量 第 2 项仅在发 生相变时有效 其含义是凝固相变释放的潜热 两 者之和引起微元温度的变化 方程左边是相应于这 个温度变化的热量 其来源是方程右边两项之和 由于在整个充型过程中所用的时间非常少 一 般在几十毫秒 温度场的模拟计算假设成液态合金 瞬间充满型腔 收稿 日期 2 0 0 5 1 1 1 1 基金项目 国家自然科学基金 5 0 4 6 5 0 e 3 江西省科技厅和江西 省教育厅 2 0 0 5 2 6 资助项目 作者简介 胡志 1 9 8 3 一 男 江西九江人 硕士研究生 研究 方向 金属精确成型及数值模拟 地址 江西南昌市南昌大学机 电学院 电话 0 7 9 1 2 8 8 8 3 4 7 8 3 0 4 5 7 0 电子信箱 y a n lx h 1 6 3 c o n o 2 2 初始条件和边界条件 假定模具初始温度已知 模型边界条件可以近 似看作压铸件一涂料一压铸模具接口完全接触 边 界条件表示为 j 1 q 一 h 一丁 u 上 式中 h 界面传热系数 J 由于铸件与压铸模之间的传热系数 h只是在 充型和凝 固时变化较大 而充型后涂料层的热阻为 常数 这是由于在高压作用下 涂料层的热阻只随涂 料层的厚度变化 则此时 h k y c 式中 Y 一 等价于涂料层厚度 r f l n 走 传热系 数与涂料层厚度之间的转换系数 3 模拟过程与结果分析 3 1 工艺造型过程和网格划分 图 l 为照相机铝合金外壳压铸件实物相片 采 用P r o E软件对其进行实体造型 然后以标准接口 醯 和 s t l 格式输出 将输出结果导入 P h 中的M h C A s r 模块进行网格划分 所得三维网格 如图 2所示 图 1 压铸件实物照片 维普资讯 模具工业 2 0 0 6 年第 3 2 卷第6 期 9 图 2 压铸件三维网格划分 压铸件材料采用A D C 1 0 浇注温度设定为 6 5 0 冲头直径 5 4 n m a 冲头速度为 2 5 m s 计算时铸 件的网格单元为 1 2 5 9 3 5 铸件和模具的物理性能如 表 1 所示 3 2 凝固过程温度场仿真结果 图3 为铸件在不同时间的温度场分布情况 从 图中可以看出 其温度分布是一个动态的非均匀分 布 各处的温度分布存在明显的差异 这会对其后续 的凝固产生重要的影响 图4 为铝合金液态压铸充型过程模拟结果 型 腔充型到 3 0 时 流入的金属液对型芯进行冲击 此时液体分别从不同的方向沿型腔壁流入型腔 用 表 1 铸件及模具的物理性能 热导率 比热 密度 黏度 潜热 材料 W m K一 k l K k g m I a s A d l 曙 ADCl 0 l 0 0 0 9 6 3 2 0 2 0 0 2 4 1 Hl 3 2 8 0 4 6 7 3 6 7 NA NA a Tm a e 8 1 7 7 7 1 8 b T m a e 2 6 1 图 3 锌件温度场分布 时 0 0 2 5 S 型腔充型到 7 0 时 液态合金快速充填 型腔 金属液 已充满型腔大部分空间 但在 A B处 尚未充满 液体最后在这两处交汇 会出现因卷气 而形成的气孔 产生气孔的原因有几方面 如合金 液流向不合理或合金液流速太高 产生喷射 过早 堵住排气道或正面冲击型腔壁形成旋涡包住空气 等 在 C处 随着液态合金的快速冲入 型腔内的气 体被推往 C处 由于在此处未设置一个溢流槽 有 可能形成卷气 此后 由于液态收缩而得不到金属液 补偿会造成缩孔疏松 压铸时金属液的充型速度非 常快 充完整个型腔的时间非常短 用时仅 6 3 充型完毕 发现铸件A B处表面不同程度存在 欠铸 经分析 产生欠铸的原因有 浇注温度低或模 具温度低 比压过低 卷入气体过多 型腔的背压过 高 充型受阻 因此 提高浇注温度或模具温度 提 高比压 充型速度 改善浇注系统金属液的导流方 式 在欠铸的部位加开溢流槽 排气槽等 可消除由 于欠铸所造成的缺陷 3 3 铸件缺陷预测 等温曲线法是广泛采用的预测凝固过程中缩 孔 疏松形成机理及其判据的方法之一 等温曲线法 由两部分组成 1 等固相线法 以固相线温度作为停止流动和 补缩的界限 并通过等温曲线形成的闭合回路来预 测缩孔和疏松的产生 要 使用该方法 则需要在 C A s r 中将 3 I S的温度设为固相线温度 2 临界固相率法 对于结晶温度宽的合金 其 凝固补缩过程有 2 个阶段 质量补缩和枝晶补缩 当 晶体长得较大且互相接触时 质量补缩阶段结束 在 宏观上停止流动 临界固相率 g 0 5 0 8 5 P r o C A S T软件中通过设置 F r a c t io n 来体现 图 5 所示为铸件截面上形成缺陷的部位 铸件 中缩孔 疏松的形成是在铸件表面到铸件中心凝固 完毕这段时间 合金的液态收缩和凝固收缩大于固 态收缩造成的 缩孔 疏松一般形成在铸件最后凝固 了 鱼 2 蓐 皇 矗 2 嚣 i l 圳 黧 l 曩 疆 维普资讯 1 0 模具工业 2 0 0 6 年第3 2 卷第6 期 a 充型到 3 0 b 充型到 5 0 C 充型到 7 0 d 充型到 9 0 图 4 压铸充型过程模拟 的部位 从图 5 可以看出 铸件 中 1 2处的缩孔形成 在铸件中的厚大部位 并处在最后凝 固的地方 在 采用改进工艺参数 降低浇注温度 减少收缩量 在 最后凝固的部位加设溢流槽 排气槽等方法后 再 图 5 缩孔 疏松出现部位 次模拟发现 铸件 中的缩孔 疏松缺陷基