[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】低压铸造镁合金轮毂模具的数值模拟-中文翻译

低压铸造镁合金轮毂模具的数值模拟 摘要 镁合金在汽车工业中的应用有助于减少燃料消耗和二氧化碳排放量。如今，在汽车大多数镁组件通过压铸制造。在本文中，对低压铸造镁轮的过程中采用 FDM 模拟（有限差分法）进行了通过填充和凝固过程中的温度和速度域计算，温度和液体馏分的演变进行了分析。然后，潜在的缺陷包括在辐条中部气孔，在轮辋和轮辋与轮辐连接处的顶部收缩预测。对这些缺陷的原因进行了分析，并消除了他们的解决方案中的疑惑。通过降低浇注速度有效地消除轮圈上的空气气孔。此外，在轮辋与轮辐连接处的冷却能力也在研究。通过对用不同的冷却方式产生缩孔缺陷的分析，证明冷却管道系统单独设置侧模是一个在分支交界地区提高冷却能力的有效方式。最后，用强度分析对研究新的冷却方法的有效性进行了进一步的验证。 1 引言 镁被越来越广泛地应用于各种行业，由于一些优点包括低密度，较高的强度，良好的铸造性能，良好的冲击吸收能力和良好的属性的回收。它的应用将进一步扩大到目前的开发扩展的应用前景。近年来，镁的消费量显着增加，在以每年约 15%的速度增长，以及在汽车工业中的应用是主要的驱动力。 低压铸造是一种近净形铸造工艺方法。由于其高精度和效率高，低压铸造成为铝镁铸件的重要技术。在铸造加工，模具填充和凝固过程中的金属流动无疑是重要的，因此许多研究的数值方法模拟在模腔中的熔融金属的流动。这些结果可以帮助研究人员了解该模式在压力铸造充型和凝固，和预测潜在的缺陷。在以往的研究中，主要有两种方法用于铸造分析。一个是有限差分法（有限差分法） ，和其他的 FEM（有限元法） 。有限差分法是常用的流体流动和传热的研究 4-6 。许多软件程序用于 CFD（计算流体动力学）包括流利， PHOENICS 及 PAM-CAST 采取这一方法。交易商可以在更短的时间内获得大量有价值的信息，节省投资，它符合规则的几何模型。有限元法在处理复杂的几何边界条件好的性能，也可用于铸造问题 7-9 。然而，有限元方法需要大量的时间和大量的内存空间，随着收敛困难。在本文中，与商业软件模拟了低压铸造的镁合金轮毂洁具 PAM-CAST 采用有限差分法。通过计算得到的速度场的金属流动在模具型腔温度分布和铸件在充型和凝固过程。 图 1 镁 合金 轮毂 在实践中，有许多缺陷产生的铸件，如气孔，收缩和冷隔。在以往的工作中，大量的研究已经进行了了解这些缺陷的影响 12 10铸件。它已被证明的缺陷，对产品的不利影响，因此他们必须消除或减少。传统上，这些缺陷对充型和凝固过程有关的。在目前的工作中，两种过程中产生的缺陷进行预测，提出了有效的解决方法是基于模拟这些缺陷。 2 填充和凝固 2.1 理论背景 在本研究中，液态金属的流动被认为是牛顿。控制方程的质量，动量和能量守恒如下 车轮的网格图 2 在是密度； U， T，速度矢量；时间；，熔融金属的粘度； G，重力加速度矢量；P， C，压力；比热；，导热系数；温度 T， S，源项 2.2 个模型建立 感兴趣的镁合金轮毂是图 1 所示。该轮 CAD 模型导入 PAM-CAST，和由 1894528 个元素组成的有限差分网格自动生成的（图 2） 。至少有三个因素在边缘的厚度最薄的部分了 确保流体流动模拟的精度。在这项研究中，合金的物理性能数据， AZ91D，列于表 1。浇铸参数： 浇注温度 690C 最初的模具温度 420C 速度在门前 0.5 米 /秒 Fig. 3 A - F Temperature field. During filling. D t = 3.76 s. E t = 4.88 s. F t = 6.13 s. 3 仿真结果和讨论 数值模拟已经进行了一个三维的模具填充程序和填充整个过程需要 6.22 秒。图 3显示了在填充温度场。首先，该合金通过运行系统的铸造空腔，然后在轮毂的中心平稳。最后，它进入辐条。在 1.38 年代，前金属达到轮辋和辐条之间的连接，并连接对方 2.13 秒的底部边缘。此时，合金的温度是 640C.金属液达到边缘的中间在 4.88 与590的温度，达到顶部的轮辋在 6.2 秒。当腔填充完全，没有浇不足、冷隔在轮辋上检测到的。在这个时候，前面的金属温度约 590C，和合金在半固态。在底部边缘的合金的温度是 630C，的顶部和底部的边缘之间的合金的温度差约为 50C（图4） 。在模拟中，三个试验点在一个讲话中，在轮辋与轮辐连接和在顶部的轮辋的选择在整个过程中记录的温度演变。 在填充过程中，当金属达到中间轮辐，流动速度会慢由于料器的存在，使得气体截留在勺产生图 5 所示的潜在收缩缺陷。并在 136.25 秒。图 6 显示液完成的深颜色的分数表明该合金在液态或糊状阶段。 图 5 气体截留代 图 6 - F 液相分数模式。 凝固过程。 D t = 30.252 s E T = 35.252 秒。 F T = 57.252 秒。 在这些地区的金属流在凝固；辐条间部分较辐条（图 6a） 。由于轮毂的几何非对称性，三区域形成液体群岛在轮圈上固化后的收缩，导致产生（图 6b） 。此外，容积热含量镁是较低的。在过早凝固辐条中部地区发生（图 6C） 。可以看出从图 7，在轮辋的合金的温度 /辐条路口是高于在中间在 2535 秒。因此辐条，热点（液体群岛）在轮辋与轮辐连接产生（图 6D） ，这导致的潜在收缩的最后阶段期间的过程中。由于上述原因，整个过程凝固不定向凝固模式 从边缘走向中心的顶部凝固过程。 图 7 在凝固过程中温度曲线。该 curves13 说明： 1 中说， 2 个路口， 3 顶边 4 缺陷的消除 基于上述分析，两种套管缺陷，气孔和收缩，预测。第一种类型的缺陷是从气体截留在导致在辐条中部气孔液态金属；他们有光滑明亮的内部表面和形状规则。其他的缺点是收缩。导致收缩的轮辋和轮辋 /顶部的原因说结是合金不能得到很好的补偿过程中凝固的过程中，从而产生空穴。这些空腔的内表面是粗糙和模糊的，和它们的形状是不规则的。为了消除这些缺陷的方法包括降低浇注速度和改善模具冷却。 4.1 解决方案 1：降低浇注速度 在这项研究中，改变参数来消除铸件在铸造过程中的缺陷。浇注 图 8 中速度场的填充 图 9液体分数模式 还原后的速度。 D t = 25.835 s E T = 33.835 秒。 在门口的速度降低到 0.3 米 /秒和其他条件保持不变。图 8 描述了有在双方之间的速度差异不显著辐条的中间时，前金属到达辐条；因此，气体截留不会发生在中间轮辐 TH气孔可以避免。在灌浆结束，在轮圈上的金属温度约为 580C，与前面金属仍然可以自由流动。图 9 显示了凝固过程中的液体部分的模式；在各种领域的边缘凝固也不同步由于降低浇注速度。液体群岛不在边缘和收缩的顶端发现在这些地区消除。然而，热点在轮辋与轮辐连接仍然存在（图 9E） ，这将导致潜在收缩。 4.2 解决方案 2：冷却能力的提高 为了消除在轮辋 /收缩说结，冷却水管道系统安装在模具改善这些地区的冷却能力。如图所示图 10，铸造模具的结构由三部分组成，顶模，侧模和底模，以它可以容易的清除。冷却水管道安装在上模和侧模。提出了在表 2 中给出三个冷却方法。这些方法包括仅在顶模管，仅在侧模管，管的顶部和侧模在一起。根据实际的过程中，各种水流速和管道的直径是用来分析不同的冷却水系统的冷却能力的影响。标准设置直径管 15毫米和水 10 米 /秒的速度。 图 10 镁合金轮毂模具 在我的方法的情况下，结果表明，在固化阶段的液体岛产生的时间是 24.036 秒，这是4 的领先的模式没有冷却系统。液体的岛屿也消失 4 秒前。然而，液量不减少岛和他们的立场不会改变（图 11B） 。在模式 2，水流速度减小到 0.7 米 /秒的产生和消失，都是把液体群岛大约 2 的美国的体积和液体的岛屿位置向前也不改变。在模具 3，管道的直径增加至 20 毫米，和液体的岛屿消失代 7 美国同样提出，数量和位置没有改变。 图 11 初始生成在各种液体的岛屿模式 从以上分析，冷却水管安装在单独的顶模不能进行有效的足够的冷却工作限制在轮辋 /收缩说由于轮辋 /讲路口和模具的辐条同时冷却结。在方法 II 的情况下，结果表明，液体群岛的世代时间为 28.93 秒，并没有差别从模式没有冷却系统。 图 12 温度曲线的方法。该 curves13 表示： 1 中说， 2 个路口， 3 顶边 4 美国液体岛量大幅减少，和他们的位置移动约 11 毫米的中心轮（图 11） 。在图 12所示的凝固阶段的温度曲线，在轮辋 /说结与辐条中部明显变小在 2535 相比没有冷却系统如图 7 所示，在合金的温度差。在管道的水流速度和直径的改善显示效果显著。 在第三方法的情况下，生成和消失液体的群岛由约 8 秒。液体岛量减少了，但不是很明显。液体的移动的距离是小的岛屿。图 1 显示模式 8 和模式 9 代液体群岛。 通过以上分析，可以发现各种冷却方式不能消除缩在轮辋与轮辐路口绝对，这与实际情况一致 13 。液体岛屿只能在一定程度上降低。三种模式中，仅在侧模管是最有效的方法。不仅是液体岛量明显减少，而且他们的位置移向车轮的中心。相反，安装在单独的顶部或侧模在一起只会导致生成的时间少管。 图 13 应力分布车轮 和消失的液体的岛屿；和这两种模式发挥多大作用的体积和位置变化的液体群岛。 5 种力量分析 铸造缺陷可以带来相当大的破坏的铸造产品的力学性能和大大降低其使用寿命。铸造缺陷是导致裂纹产生的主要原因；铸造缺陷的大小和位置是影响铸件产品力量耐力的重要因素。 对结构进行分析，以证明其有效性通过比较应力模式和冷却方法 II 两种型号的车轮应变。一个模型是车轮具有相当大的收缩在轮辋与轮辐路口无冷却系统中产生的，和其他的模式是，在这些地区的收缩与冷却管安装在单独的侧模的产生，且体积小和位置移动约 11 毫米，对车轮的中心。在调查中，固体模型从凝固模拟结果导入。制动状态是危险的车轮是选定的分析。该轮的材料为铸造镁合金，镁，和一种软质材料属性被指定到收缩缺陷的分析。表 3 显示了材料 properties.msc.marc 软件（ MSC 公司，圣安娜， CA）是用于分析。该轮是一个矩为 2306 N米。同时，有 300 kPa 压力在轮胎的内表面。 从计算结果，发现最大应力和应变出现在车轮辐条和土地的界面附近的两个模型。应力集中位于辐接近车轮的中心部分。采用侧冷却管 模具的应力值，从而减少 16.42 14.06 MPa，减少 14.4%（如图 13 所示） 。 应变降低 3.23810-4 至 2.87910-4，减少了 11%（如图 14 所示） 。这表明 应力和应变有显著的降低车轮 由于收缩的减少和转移时的冷却管安装在侧模。因此，强度和车轮的使用寿命也大大提高。 6 个结论 从灌浆至凝固阶段为低压整体过程模具的 AZ91D 镁合金轮毂铸件进行了数值分析。此外，消除或减少铸件缺陷的各种解决方案数值。下面的结论可以从本研究中得出。 图 14 应变分布车轮。 A 没有冷却水管。 B 与管的一副模具 1、 温度场，流场和液中得到的两个阶段的分数，和两种潜在的缺陷包括在辐条中部气孔，在轮辋和轮辋顶部收缩。 2、 通过对浇注速度降低，在轮辋的气孔收缩，有效地消除了 轮圈上的空气气孔 。 3、 冷却系统包括安装在单独的侧模管，侧模管是减少边缘热点的最有效的方法。这种方式可以减少液体的体积，使其位置上转向车轮的中心。 4、 强度分析表明，液体群岛的减少和转移可以减少在工作状态下的应力和应变。 参考文献 1、舒曼，弗里德里希 H（ 2003）当前和未来的汽车工业中使用的镁。伴侣 SCI forum419:5156 2、罗伯特 E（ 2001）镁合金及其应用 3、 benedyk JC（ 2001）第五十八届世界镁会议：汽车，环境，供应 /需求，和质量的发展。 4、 mirbagheri SMH， esmaeileian H， serajzadeh， varahram N， P（ 2003）davami 涂覆模具型腔熔体流动模拟在铸造过程中。 507 142:493J.材料工艺技术 5、周周（ 1996）建筑服务计算流体力学的工程应用。建立环境 5:425436 6、 katzarova IH， arsova Yb， stoyanovb zeunerb P， T， buehrig polaczekb，sahmb PR（ 2001）的轴对称的反压铸造方法生产的铸件的气孔的形成。 Int J 热传质44:111119 7、 katzarov IH（ 1999）用于三维形式填充流体模拟的有限元方法。 Int J 热质tran42:33313336 8、张玉芳，刘周王，惠普（ 1995）铸造充型模拟薄壁空洞。计算方法应用Engineering 128:199230 9、 shepel SV，保卢奇（ 2002）填充和永久模铸件凝固过程的数值模拟。应用热eng22:229248 10、达勒 AK，撒尼斯 SS，约翰 DH， westen