铝合金信号接受件压铸模的浇注系统设计

铝合金信号接受件压铸模的浇注系统设计

在压缩模具的设计中，无论注射系统的设计是否合理，对压铸件的质量、产量和芯的使用寿命有重要影响。不合理的注射系统导致了孔、缩孔、缩松、冷隔等缺陷。在生产过程中浇注系统的设计和改进常用的方法是试错法,但这种方法成本高、周期长。数值模拟技术的出现,使得浇注系统的设计成本降低、周期缩短,同时也对提高铸件质量等方面有着重要意义。压铸充型凝固过程的数值模拟,可以帮助人们在压铸工艺设计阶段对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,从而优化铸造工艺设计,以确保铸件的质量,缩短试制周期和降低生产成本。1铸造工艺的缺陷本文选择的压铸件为一套筒类信号接收件,由于零件的形状特点,实际压铸成型时容易出现气孔、缩孔、缩松、冷隔、浇不足等缺陷。根据其尺寸和形状的特点,需采用在3个方向抽芯,故采用一模一腔式,在J1125型压铸机上压铸,拟采用双边切向锥形浇道浇注。1.1铸件材料及最大尺寸此信号接收件的平均壁厚为2.2mm,铸件材料采用YL104,铸件重约190g。最大尺寸为200mm×70mm×70mm。如图1所示。1.2模具表面温度充型时间是设计浇注系统的一个关键因素,利用经验公式:T=0.0346×Tn−Ty+64Tn−Tm×bΤ=0.0346×Τn-Τy+64Τn-Τm×b式中,Tn为内浇道温度,Ty为液相线温度,Tm为填充前的模具表面的温度,b为平均壁厚。Tn取670℃,Ty为616℃,在填充前模具表面温度Tm为220℃,平均壁厚为2.1mm,计算出充型时间为0.02s。1.3内部填充速度内浇口的速度往往会影响铸件的充型质量,根据压铸件的特点和平均壁厚,利用经验数据并查压铸模设计手册,得内浇口速度为40m/s。1.4截面积的计算铸件的质量约为190g,利用流量计算法计算内浇口的截面积:Ag=GρVgtAg=GρVgt式中,Ag为内浇口的截面积;G为铸件及溢流槽的质量;ρ为铸件密度,Vg为充型速度;t为充型时间,计算得Ag为92mm2。1.5直浇道尺寸计算双边锥形浇道由两个锥形浇道、缓冲包和三角区域构成,其设计计算公式为:切向浇口截面积(单侧)At=0.6Ag,缓冲包口处截面积Ae=0.05At,宽度We=Ae−−√We=Ae,主流道截面积Ar=1.4Ag,宽度Wr=1.247At−−√Wr=1.247At。经计算得At=55.2mm2,Ae=2.76mm2,We=1.66mm,Ar=128.8mm2,Wr=9.26mm。对于直浇道设计一般由压铸机上的压室和压铸模上的浇口套尺寸来计算,根据所需压射比压和压室充满度选定压室和浇口套的内径,从而确定直浇道的尺寸。其浇注系统见图2所示。2自由表面的非稳定流动压铸充型过程与液态金属的流动、传热及传质过程密切相关,是一个伴随着热量散失,以及凝固的非恒温的流动过程。对具有自由表面的非稳定流动计算,关键在于确定自由表面的位置及移动,同时需要处理自由表面的边界问题等。据此,本文模拟建立的数学模型如下:2.1硬件固态场和温度场的数学模型(1)动量守恒N-S方程ρ=(∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z)=−∂p∂x+ρgx+μΔ2uρ=(∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y+w∂v∂z)=−∂p∂yρ+gy+μΔ2vρ=(∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z)=-∂p∂x+ρgx+μΔ2uρ=(∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y+w∂v∂z)=-∂p∂yρ+gy+μΔ2vρ=(∂w∂t+u∂w∂x+v∂w∂y+w∂w∂z)=−∂p∂z+ρgz+μΔ2wρ=(∂w∂t+u∂w∂x+v∂w∂y+w∂w∂z)=-∂p∂z+ρgz+μΔ2w(2)拉普拉斯算子D=∂u∂x+∂u∂y+∂u∂z=0D=∂u∂x+∂u∂y+∂u∂z=0式中,D为散度;u、v、w为速度矢量在坐标系中x、y、z方向上的分量;P为压力;μ为运动粘度;g为重力加速度;Δ为拉普拉斯算子;ρ为金属流体密度。(3)流体导热率t∂T∂t+u∂T∂x+v∂T∂y+w∂T∂z=∂Τ∂t+u∂Τ∂x+v∂Τ∂y+w∂Τ∂z=λρCP(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)+QρCPλρCΡ(∂2Τ∂x2+∂2Τ∂y2+∂2Τ∂z2)+QρCΡ式中,T为温度;λ为流体导热率;CP为流体定压比热容;Q为内热源。(4)流体体积分数f∂F∂t+u∂F∂x+v∂F∂y+w∂F∂z=0∂F∂t+u∂F∂x+v∂F∂y+w∂F∂z=0∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0式中,F为流体体积分数;u为速度。(5)有限流方程-KΔTn=hf(t)g(T)[T-Ta]式中,h为对流交换系数;Ta为边界温度;g(T)为温度函数。2.2速度、温度和压力场数值求解上述方程前要对偏微分方程组在空间和时间上进行离散,原则为:①为了满足连续性方程,压力必须进行迭代修正,由此引起的速度改变值需要加到上一步计算的速度场上,反复迭代直至满足精度要求;②对动量方程进行显式差分,以初始条件或者上一时刻的数值作为基础,试算出下一时刻的猜测速度值;③由体积函数方程确定新的流体表面的流动前沿;④计算流体传热时,同时考虑边界换热、结晶潜热。要重复上面的计算,直至压铸件充型凝固结束,对每次的迭代都必须保证满足速度、压力,以及数值计算的稳定性条件。同时在速度、压力的迭代中每一个时间步长后对于流量的计算要进行修正,这就保证了流量、充型形态,以及充型时间的准确。3不同充型温度下金属液流动规律采用的模型由PRO/E造型,并生成格式为.ans的面网格,利用.ans->.sm程序转化为.sm面网格,再利用PROCAST自带网格划分模块进行.mesh网格的划分。采用PROCAST软件进行数值模拟。浇注温度为670℃,模具工作温度为220℃,铸件与模具表面的传热系数为1500W/(m2·K)。压射比压为80MPa,压室直径为60mm。充型云图以不同的颜色表示金属液流动的不同速度,由图3可以看出,金属液在内浇道处以42m/s的速度充填,在充型到30%时有轻微的紊流现象,金属液以近似喷射状的形式向型腔充填。在充型达到80%时,金属液速度较平稳,气体被金属液推到型腔上端A区域,如图4所示,在A处附近布置了溢流槽和排气槽,气体能够很顺利的排出,不会造成气体夹杂等缺陷。充填完后,温度分布较均匀,金属液在施加的补缩压力作用下进行凝固,由此可明显的