第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用

1 第三章第三章 低压铸造凝固过程中缺陷的低压铸造凝固过程中缺陷的预测预测 在上一章对低压铸造凝固过程的温度场进行了分析 由于在铸造过程中 铸件及模具温度场的分布与变化会极大影响模具的使用寿命 铸件的质量 其 次 温度场是低压铸造数学模型的验证基础 而且温度场的研究是缩松缩孔缺 陷预测的基础 因此我们在某轮毂生产车间进行了一系列实验 对实际生产中 和特定条件下的模具温度场进行了测量 通过测量结果 了解并分析了在低压 铸造铝合金轮毂过程中模具关键点的温度变化规律及影响因素 为下一步的数 值模拟及缺陷预测提供了可靠依据 为在实际生产工艺如何为消除这些因素的 影响提供了良好的指导建议 3 1 低压铸造凝固过程温度场的实验测试 铸件的数值模拟要经过几个步骤 1 三维实体的造型 2 对实体进行网格剖 分 3 进行温度场计算 4 缺陷预测 3 1 1 实验目的 1 生产过程中不同冷却工艺条件下测量低压铸造轮毂模具各部分的温度状 态 得出温度变化曲线 2 将低压铸造数值模拟温度场与实验测量温度场进行对比 用相对准确的温 度场进行缺陷判据的验证 3 通过改变参数设置改进判据模型 使得模拟结果与实际实验结果相吻合 以便更好的指导实际工艺 3 1 2 测温方法 1 测量温度的方法 温度测量按照所用方法之不同 分为接触式和非接触式两大类 1 接触式测温 测温元件直接与被测对象相接触 二者之间充分进行的热交换 最后达到热 平衡 这时感温元件的某一物理参数值就代表了被测对象的温度值 它的显著 优点是参数直观可靠 但它存在一定的弊端 感温元件接触不良等都会带来测 量误差 另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响 接触式仪器又可分为 膨胀式温度计 电阻式温度计 热电式温度计等 2 非接触式测温 2 感温元件与被测对象不接触 通过辐射来进行热交换 这样避免了温度及 腐蚀介质对测温元件性能的影响 非接触测温法热惯性小 可达千分之一秒 便于测量运动物体的温度和快速变化的温度 但它的缺点 具有较高的测温上 限 由于受物体的发射率 被测对象到仪表之间的距离以及烟尘 水汽等其他 介质的影响 故测温具有一定误差 非接触式温度计可分为 光学高温计 红外测温仪等 2 测温方法的选择 由于铸造过程是连续进行的 整个凝固过程中模具是静止的 而铸件在密闭 的型腔中 我们很难得到铸件的温度场 只能测量铸型的温度场间接的的计算 铸件的温度场 因此我们选择用接触式测温 热电偶测温 我们通过热电偶来实现的测温 在铸型的重要部位开孔 热电偶的一端通过 孔与铸型相接 见下图 a 另一端通过接线盒与工控器相连接 见下图 b 测 出的温度会实时传输到与热电偶相连的工控器的仪表屏幕上 见下图 c 显示 温度场的数据 再将温度场数据拷贝出进行整理分析 3 1 3 实验过程 1 实验工艺设备 实际实验中 采用设备是国产低压铸造机 能同时实现压缩空气 风冷 和 水的冷却工艺 模具为新设计的模具 CW8286 1665 M16 在低压铸造汽车轮毂工艺过程中 由于轮毂的结构有截面不均匀处 会造成 凝固速度的不同而产生气孔 缩孔 缩松等缺陷 故需要对模具特殊部位进行 冷却 通过冷却介质的作用时间 部位来调节凝固顺序 以达到顺序凝固的目 的 从而减少缺陷的产生 再者 在凝固过程中增设冷却通道可以加快铸件的 冷却速度 提高生产效率和经济效益 低压铸造中最常用的冷却介质就是水和 空气 我们先后做了不加冷却介质 加冷却介质一系列实验 2 实验方案 根据实验目的 确定实验方案的影响因素主要有 首先在实际生产中 铸件的凝固受到模具散热以及水冷 压缩空气等多种 a 热电偶与铸型连接b 热电偶与接线盒连接 c 工控器仪表显示屏 3 冷却工艺条件的影响 而不同的控制条件会产生交互的影响 为了确定各类参 数的影响效果 需要一组无任何冷却条件下的结果作为后续模拟结果的对比基 准 以此确定自然冷却条件下的界面热阻等 其次 不同类型的冷却方式对模具的冷却效果不同 对于冷却工艺有点冷 和环状冷却之分 而点冷又分直接点冷和间接点冷 所以通过在自然冷却的基 础上增加相应的冷却方式 压缩空气点冷 水的点冷 水的环状冷却等 得到的 不同的模拟结果 然后 温度场数值模拟的一个重要意义是应用温度变化数据预测缺陷 缺 陷判据模型直接影响缺陷预测的准确性 而低压铸造与传统砂铸不同 压力条 件下金属液的补缩性能不同于自然重力条件下金属液的补缩性能 这直接体现 在缺陷判据的表达形式 实验中通过对比有明显缺陷的冷却工艺和正常生产没 有明显缺陷的一组工艺下的温度曲线结果来实现 最后 实际实验过程中 由于该模具为新设计的模具 实际生产经验少 没有比较好的水冷工艺参数可借鉴 所以如何得到没有缺陷的一组结果是整个 实验最困难的一组 放在最开始进行 此外 如果每组实验都是在自然冷却的 基础上加一个不同类型的冷却通道来进行 模具的整体散热会比较慢 使得实 验时间过长 所以采取递进对比的方式 每次实验都是在上一次结果的基础增 加不同类型的冷却 每次的实验结果都与上一次的结果进行对比 这样既可以 分析得到不同类型的冷却效果 又减少了实验时间 通过以上分析确定实验方 案如下 第一组 自然冷却条件 无冷却 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820105502543 第二组 正常生产条件下的冷却设置表 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820101752530 冷却设置 冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置 水冷 51030800上轮唇水 水冷 65020800边模下轮唇水 水冷 75145800边模 R 角水 水冷 8130100800下模水小 1 风冷 11209075分流锥 风冷 211510075上 pcd 风 4 风冷 4124075上模模芯水 1 第三组 关闭水冷 7 边模 R 角处水冷 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820101702540 冷却设置 冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置 水冷 51030800上轮唇水 水冷 65030800边模下轮唇水 水冷 8100100800下模水小 1 风冷 110010070分流锥 风冷 210010070上 pcd 风 风冷 4124070上模模芯水 1 第四组 关闭水冷 8 下模水小进 1 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820101702565 冷却设置 冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置 水冷 51030800上轮唇水 水冷 65030800边模下轮唇水 风冷 110010070分流锥 风冷 210010070上 pcd 风 风冷 4124070上模模芯水 1 第五组 关闭水冷 6 边模下轮唇环状水冷 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820102002573 冷却设置 冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置 风冷 110013070分流锥 风冷 210013070上 pcd 风 风冷 4124070上模模芯水 1 5 第六组 关闭风冷 4 上模轮芯水 1 时间设置 s 升液充型升压保压冷却取件 820103002585 冷却设置 冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置 风冷 110020070分流锥 风冷 210020070上 pcd 风 实验中模具上各冷却通道布置图如下图 3 1 3 2 图 3 1 模具冷却通道分布示意图 图 3 2 模具冷却通道连接示意图 4 热电偶分布图 基于热电偶的布置不能破坏铸型 我们在模具所选部位上共安装了 23 个热 电偶 其中 1 10 号位于下模部分 11 16 号位于边模位置 17 23 号位于上模 6 热电偶分布图如图 3 3 所示 图 3 3 热电偶分布位置图 3 2 实验结果与模拟结果分析实验结果与模拟结果分析 3 2 1 温度曲线结果分析温度曲线结果分析 实验前对热电偶进行了短接测试 其中 7 23 号显示的补偿温度 即室温 22 度左右 比较正常 而 1 6 号显示的补偿温度达 70 度左右 且后续统计的结果 也高出其他点很多 所以忽略了这六个点的结果 17 和 20 号位于上模 R 角位置温度变化剧烈 温度曲线变化很不规则 估计 是热电偶接触不良引起的 因为模具温度升高时 发生膨胀 热电偶与模具接触 测量模具温度 温度降低时收缩 热电偶与模具不接触 此时近似为空气温度 因而温度在模具热胀冷缩的情况下忽高忽低 变化很不规则 所以没有进行记 录 图 3 4 是从第三组实验中上模 边模 下模分别选择的热电偶位置的温度 曲线图 7 图 3 4 上 下 边模位置热电偶温度曲线图 由实验温度数据分析可知 在都存在冷却的条件下或者自然冷却条件下 下模温度最高 上模其次 边模温度最低 这与各部分散热情况能很好的吻合 下模与地面不完全接触 夹层的空气基本不流通 导热较差 温度较高 靠近 中心的温度最高 向外逐渐降低 上模的凹形结构既不利于空气的流通 又使 上模的辐射面朝里 散热效果也比较差 上模的温度由下向上逐渐降低 边模 散热面对着空气 辐射效果好 而且空气的流通性也很好 边模的温度由下向 上逐渐降低 所以温度较低 此外 在实验过程中 外界条件的扰动对温度场的影响较大 尤其是开模 取件的时间 在图 3 5 中第三个循环和第四个循环之间存在一个大幅度降温 从图中可以看出两循环之间的时间步长较大 这是由于实验开模取件时间过长 开模以后 模具内表面与外界空气接触 产生强烈的对流和辐射 因而温度下 降较大 在经过数个循环后温度又逐渐回升 图 3 5 实验五 16 号测温点温度曲线图 3 2 2 模拟温度曲线模拟温度曲线 本次模拟使用的模型是某轮毂公司生产的铝合金轮毂 模具型号为 CW8286 1665 M16 模具和轮毂的三维造型如图所示 3 6 和图 3 7 所示 图 3 8 分别为 铝合金轮毂及其模具的实物图 8 图 3 6 模具结构图 图 3 7 轮毂三维模型 图 3 8 铝合金轮毂和模具实物图 其中轮毂的材料为 ZL101A A356 化学成分如表 3 1 所示 模具的材料 为 H13 边模材料为 QT500 轮毂及模具的相关性能参数见表 3 2 表 3 1 ZL101A 的化学成分 合金牌号质量分数 元素 SiCuMgZnMnFeTi ZL101A6 5 7 50 10 25 0 450 10 10 2 表 3 2 轮毂及模具的相关性能参数 材料密度 导热系数 比热结晶潜热固相线液相线 轮毂ZL1012 70 230 3793557624 模具HT137 80 06790 11 3 3 数值模拟结果数值模拟结果 3 3 1 温度场数值模型的验证温度场数值模型的验证 1 模拟结果分析 9 通过对凝固过程的多次模拟 我们发现 铸型与外界空气之间的界面热阻 变化对于测温点温度的上下限都有比较明显的影响 热阻升高 上下线跟着升 高 且幅值变小 而内表面热阻对于温度下限的影响较小 对于上限的影响较 大 内表面热阻升高 测温点温度上限明显下降 而下限会有微小的上升 如 图 4 20 和图 4 21 所示 模拟过程中 我们根据以上原则 先对外面表热阻进 行调整 使得模拟温度与实验温度的下限吻合 然后再调整内表面热阻 使得 实验结果和模拟结果的温度上限吻合 这样就通过调整界面热阻参数使得模拟 结果与实验结果基本吻合 初步确定了模拟软件在模拟铝合金轮毂低压铸造凝 固过程中的参数和模型设置 图 3 9 外表面热阻对温度曲线的影响 图 3 10 内表面热阻对温度曲线的影响 以实验为基础 以理论为依据 经过多次调整 模拟 分析 再调整的过 程 现得到的比较理想的散热参数如下 上模与空气间换热系数为 14 3W m2K 边模与空气的换热系数为 40W m2K 下模与空气的换热系数为 2 857W m2K 模 10 具与铸件之间的界面热阻为 0 003m2K W 下模由于散热条件较差 因而换热系 数比较小 边模周围与外界空间接触 同时存在对流和辐射换热 因而换热系 数较大 而上模与边模相比 辐射和对流强度均较小 所以换热系数比边模小 这与前面理论推导所得到的边界条件是相符的 在上述条件下进行模拟得到的 温度变化范围与实验结果对比如表 3 3 所示 由表中数据可知 除少数测温点 温度相差较大以外 其余测温点温度上限和下限相差较小 模拟温度和实际试 验温度比较吻合 表表 3 33 3 自然冷却条件下实验结果与模拟结果温度上下限的对比自然冷却条件下实验结果与模拟结果温度上下限的对比 模拟结果温度变化范围 模拟测温点实验温度幅值 下限上限 7472 507470497 8450 478458485 9405 447442478 10446 478414453 11380 445390450 12375 430378421 13345 368348389 14380 445392449 15375 430378422 16347 375349390 18400 450390456 19370 405367414 21425 485424483 22395 460391455 23370 415368414 选取其中下模 8 号 边模 15 上模 21 号 上模 23 号四条曲线的模拟结果 和实际结果对比如下图 其中 纵坐标为温度 单位 横坐标为时间 步长 4s 11 图3 11 8 号 15 号 21 号 23 号测温点模拟实验温度对比曲线 从表 3 3 温度上 下限对比以及图 3 11 温度曲线对比可以看出 在现有参数条 件下 对于模具温度场的模拟已经有了相当精确的结果 在后续工作中 对加 入强制冷却后的凝固过程进行模拟 与其他五组实验结果对比 分析 在现有 参数的基础上 调整其他模拟参数 得到比较精确的强制冷却条件下的模拟温 度曲线 从而为复杂换热条件下的实际工艺提供参考 3 3 23 3 2 缺陷判据的模拟结果与试验结果的对比缺陷判据的模拟结果与试验结果的对比 数值模拟实验中 以铝合金轮毂为例 对压力条件下的缺陷判据进行测试 验证 并对比压力条件下判据与原先之间的区别 GR 从实际经验可知 铝合金轮毂低压铸造过程中 最容易产生缺陷的位置就 是轮辋上缘和轮辐和轮辋连接处 工艺上称之为R角 这也是产品报废最主要 的原因之一 在生产线上轮毂的X光检验也主要是轮辋上缘和R角处 轮辋上缘 容易产生缺陷的主要原因是轮辋是轮毂的最薄部位 轮辋中部由于散热条件较 好 散热较快 导致上缘部分形成了孤立熔池 最后就容易在轮辋上缘部分产 生缩松缺陷 如图3 12所示 而R角处属于厚大部位 再加上轮辐中间部位凝固 较快 在凝固过程中轮辐中心处很容易断开 在R角的地方形成孤立熔池 因而 在R角的位置容易产生缩孔缩松等缺陷如图3 13所 图3 12 轮辋上缘的孤立熔池 图3 13 R角处的孤立熔池 在压力条件下判据中 由于引入了压力参数 而压力对铸件的补缩是有利 的 原判据即新山判据在预测重力铸造时时比较准确的