铝合金半固态压铸成形过程的模拟.ppt

1、铝合金半固态压铸成形过程的模拟,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。,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,研 究 方 法,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),制造坯料的水平连铸装置,电磁搅拌,多工位旋转式坯料感应二次加热设备,感应圈,控制面

2、板,500吨压铸机,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,试制零件的三维CAD模型,Rear bridge support,Rear bridge support (type),Rear bridge support (type),Forward control arm,计算条件(模拟软件: ADSTEFAN),Physical properties of Aluminum alloy A356 * Function of solid fraction Relationship between kine

3、matic viscosity and solid fraction,力学性能测试,研究(实验与模拟)结果,半固态流体与型壁之间摩擦系数的影响,f=0,f=1,f=0.5,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。,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

4、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,有无背压的对比,未考虑背压 考虑背压,铸型/铸件之间换热系数的影响,5000Wm2K,9500Wm2K,14000Wm2K,压铸机的推杆速度的影响,0.1m/s 0.5m/s 0.8m/s,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,位移曲线测试结果小结,(1)慢压式和快压式各具有明显不同的位移曲线,各次测试的结果均反映出相似的曲线特征,说明压铸机系统可以保

5、证相对稳定的充型状态; (2)慢压条件下两种方法得到的位移曲线非常相似,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,但模具型腔充填时的位移变化斜率(即速度)基本一致,涉及充型的部分包括充型主要阶段和充型末期,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0.25 m/s(按70%计)和0.06 m/s(按30%计),这将作为后续模拟的初始条件; (3)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,从曲线的斜率可以推算出推杆速度分别为0.79 m/s(按70%计)和0.09 m/s(按30%计); (4)压铸机测试记录系统和高速摄像机测试的结果虽存

6、在差异,但反映的趋势是一致的,也说明了测试记录系统的准确与可靠。,型内流动的测试,坯料加热后的组织形貌,中心位置,边缘位置,充型过程的Short shot实验(快压式),充型模拟（温度场显示）,模拟与实验的对比,Short-shot Simulation defects analysis,Distribution image,Combination photo with low magnification,50m,模拟与实验的对比,X-ray inspection Simulated cross-section,充型过程的Short shot实验(慢压式),充型模拟（温度场显示）,辅助模具优化

7、,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)。,模具型腔的局部形状,模拟结果,gate的形状与大小,模拟结果,局部中空的设计,模拟结果,综合改进(1),模拟结果,综合改进(2),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,初始方案的凝固模拟

8、,凝固特征的比较,改进方案的凝固模拟,模具温度分布的求解,半固态压铸的成形周期,稳定状态下的模具温度分布,在30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250),在30个压铸循环周期中模具型腔表面的温度变化 (模具不预热),模具优化结果的验证,缺陷分析,快压式,慢压式,凸台内组织分布,快压式,慢压式,力学性能的对比,汽车零件的研制 (后桥支撑座),A severe demand for desk frame fatigue experiment (all samples450000 cycles) A trouble example In testing machine Cra

9、ck position in diecasting,Analyzing reason by computer simulation,animation Un-filling area in the front of gate,To optimize design of gating sysytem,The shape and size of gate are optimized,X-ray inspection(1),X-ray inspection(2),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。,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