鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬講解課件

鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬

鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬研究背景/目的鋁合金半固態(tài)壓鑄(觸變成形)研發(fā)階段的工作雖已接近于成熟,但與充型系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)數(shù)據(jù)尚不充分。為改進(jìn)計算機模擬精度,需要準(zhǔn)備一些基本的參數(shù)。輔助充型系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,改善零件的質(zhì)量。

研究背景/目的鋁合金半固態(tài)壓鑄(觸變成形)研發(fā)階段的工作雖已主要內(nèi)容通過對壓鑄過程的實驗測試和模擬相結(jié)合的方法,確認(rèn)模擬的初始參數(shù),奠定模擬的準(zhǔn)確性分析和驗證典型試樣充型流場與鑄造缺陷的關(guān)系,優(yōu)化模具設(shè)計實際應(yīng)用于汽車零件的研發(fā)過程,預(yù)測缺陷和對策

主要內(nèi)容通過對壓鑄過程的實驗測試和模擬相結(jié)合的方法,確認(rèn)模擬研究方法研究方法實驗方法實驗材料A356鋁合金主要實驗工藝過程(制坯－二次加熱－壓鑄)實驗方法實驗材料A356鋁合金制造坯料的水平連鑄裝置電磁攪拌制造坯料的水平連鑄裝置電磁攪拌多工位旋轉(zhuǎn)式坯料感應(yīng)二次加熱設(shè)備感應(yīng)圈控制面板多工位旋轉(zhuǎn)式坯料感應(yīng)二次加熱設(shè)備感應(yīng)圈控制面板500噸壓鑄機500噸壓鑄機壓鑄條件模具溫度:523K(250℃)坯料溫度:858-863K(585-590℃)試樣的三維CAD模型,10個測試點

壓鑄條件試制零件的三維CAD模型Rearbridgesupport

Rearbridgesupport(typeⅠ)Rearbridgesupport(typeⅡ)Forwardcontrolarm試制零件的三維CAD模型Rearbridgesuppor計算條件

(模擬軟件:ADSTEFAN)PhysicalpropertiesofAluminumalloyA356

*FunctionofsolidfractionRelationshipbetweenkinematicviscosityandsolidfractionDensitykg/m3SpecificheatkJ/(kgK)

ThermalconductivityW/(mK)LatentheatKJ/kgKinematicviscositym2/sLiquidsKSolidusK27000.96155389*887850Solidfraction,%00-60>60KinematicViscositym2/s1E-06

Linearinsertingvalue1E-05

計算條件

(模擬軟件:ADSTEFAN)Physical力學(xué)性能測試１００ｍｍ力學(xué)性能測試１００ｍｍ研究(實驗與模擬)結(jié)果研究(實驗與模擬)結(jié)果半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響f=0f=1f=0.5半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響f=0f=1f=0.5半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)雖然幾乎不影響總的充型時間以及最終匯流的位置,但對流體的表面充型狀態(tài),匯流方式和充型模樣存在一定的影響。因?qū)嶋H摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測定是十分困難的,本研究根據(jù)反復(fù)計算的經(jīng)驗在該階梯形板狀試樣以及其他零件模具的模擬計算中選擇了0.5的摩擦系數(shù)。半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)雖然幾乎不影響總的半固態(tài)流體充型時背壓(排氣)的影響物理模型V=A?(c3/L)?(P-P0)?Δt?ΔSV為空氣的體積;A為空氣的流動系數(shù);L和c分別是排氣口的長度和寬度;P和P0分別為型內(nèi)外的空氣壓力;Δt和ΔS分別是時間步長和排氣面積

網(wǎng)格長度單位為1cm排出的空氣半固態(tài)流體充型時背壓(排氣)的影響物理模型V=A?(c3/L有無背壓的對比未考慮背壓考慮背壓有無背壓的對比未考慮背壓鑄型/鑄件之間換熱系數(shù)的影響5000W／m2?K9500W／m2?K14000W／m2?K鑄型/鑄件之間換熱系數(shù)的影響5000W／m2?K9500W壓鑄機的推桿速度的影響0.1m/s0.5m/s0.8m/s壓鑄機的推桿速度的影響0.1m/s壓鑄機沖頭的位移曲線慢壓式

快壓式充型主要階段充型末期和保壓階段此前為推桿空走預(yù)備充型(含將料缸中的坯料推至模具入口的預(yù)備期)充型主要階段充型末期和保壓階段壓鑄機沖頭的位移曲線慢壓式快壓式充型主要階段充型末期和保壓位移曲線測試結(jié)果小結(jié)(1)慢壓式和快壓式各具有明顯不同的位移曲線,各次測試的結(jié)果均反映出相似的曲線特征,說明壓鑄機系統(tǒng)可以保證相對穩(wěn)定的充型狀態(tài);(2)慢壓條件下兩種方法得到的位移曲線非常相似,雖然壓鑄初期的推桿空走和后期的保壓階段存在少許位移的差別,但模具型腔充填時的位移變化斜率(即速度)基本一致,涉及充型的部分包括充型主要階段和充型末期,由位移曲線的斜率變化可以推算出這兩個階段的推桿速度分別約為0.25m/s(按70%計)和0.06m/s(按30%計),這將作為后續(xù)模擬的初始條件;(3)快壓條件下的位移曲線按前圖所示同樣可分為充型主要和充型末期兩個階段,從曲線的斜率可以推算出推桿速度分別為0.79m/s(按70%計)和0.09m/s(按30%計);(4)壓鑄機測試記錄系統(tǒng)和高速攝像機測試的結(jié)果雖存在差異,但反映的趨勢是一致的,也說明了測試記錄系統(tǒng)的準(zhǔn)確與可靠。

位移曲線測試結(jié)果小結(jié)(1)慢壓式和快壓式各具有明顯不同的位移型內(nèi)流動的測試型內(nèi)流動的測試坯料加熱后的組織形貌中心位置邊緣位置坯料加熱后的組織形貌中心位置邊緣位置充型過程的Shortshot實驗

(快壓式)充型過程的Shortshot實驗

(快壓式)充型模擬（溫度場顯示）充型模擬（溫度場顯示）模擬與實驗的對比

Short-shot

SimulationdefectsanalysisDistributionimageCombinationphotowithlowmagnification50μm模擬與實驗的對比Short-shot模擬與實驗的對比X-rayinspectionSimulatedcross-section模擬與實驗的對比X-rayinspectionSim充型過程的Shortshot實驗

(慢壓式)充型過程的Shortshot實驗

(慢壓式)充型模擬（溫度場顯示）充型模擬（溫度場顯示）輔助模具優(yōu)化因現(xiàn)行模具在快壓式的成形條件下,存在著如上所述的鑄造缺陷,通過觀察模擬和實驗結(jié)果,本研究擬從修改模具型腔局部形狀,澆口(gate)大小和形狀等方面尋求優(yōu)化的工藝方案,在模擬計算時固定通常的模具預(yù)熱溫度(523K)和壓鑄機的推桿速度(0.8m/s)。

輔助模具優(yōu)化因現(xiàn)行模具在快壓式的成形條件下,存在著如上所述的模具型腔的局部形狀模具型腔的局部形狀模擬結(jié)果模擬結(jié)果gate的形狀與大小gate的形狀與大小模擬結(jié)果模擬結(jié)果局部中空的設(shè)計局部中空的設(shè)計模擬結(jié)果模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(1)綜合改進(jìn)(1)模擬結(jié)果模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(2)綜合改進(jìn)(2)模擬結(jié)果該處的充滿較方案11明顯加快試樣上部大致呈逐層充填特征凸臺作為局部的最終充填之處,可望實現(xiàn)排渣集氣的目的凸臺作為局部的最終充填之處,可望實現(xiàn)排渣集氣的目的試樣上部大致呈逐層充填特征模擬結(jié)果該處的充滿較方案11明顯加快試樣上部大致呈逐層充填特初始方案的凝固模擬

初始方案的凝固模擬凝固特征的比較

凝固特征的比較改進(jìn)方案的凝固模擬

改進(jìn)方案的凝固模擬鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬講解課件模具溫度分布的求解模具溫度分布的求解半固態(tài)壓鑄的成形周期半固態(tài)壓鑄的成形周期穩(wěn)定狀態(tài)下的模具溫度分布穩(wěn)定狀態(tài)下的模具溫度分布在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具初始預(yù)熱至250℃)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具初始預(yù)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具不預(yù)熱)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具不預(yù)熱模具優(yōu)化結(jié)果的驗證模具優(yōu)化結(jié)果的驗證缺陷分析快壓式慢壓式缺陷分析快壓式慢壓式凸臺內(nèi)組織分布快壓式慢壓式凸臺內(nèi)組織分布快壓式慢壓式力學(xué)性能的對比模具的不同壓鑄方式抗拉強度MPa延伸率%備注原模具快壓2074.43平均值慢壓2217.99優(yōu)化后的模具快壓2387.65慢壓26510.3力學(xué)性能的對比模具的壓鑄方式抗拉強度延伸率備注快壓2074.汽車零件的研制

(后橋支撐座)

Aseveredemandfordeskframefatigueexperiment(allsamples>450000cycles)Atroubleexample

IntestingmachineCrackpositionindiecasting

汽車零件的研制

(后橋支撐座)AseveredemaAnalyzingreasonbycomputersimulationanimationUn-fillingareainthefrontofgateAnalyzingreasonbycomputersTooptimizedesignofgatingsysytemTheshapeandsizeofgateareoptimizedTooptimizedesignofgatingsX-rayinspection(1)X-rayinspection(1)X-rayinspection(2)X-rayinspection(2)結(jié)論（一）系統(tǒng)地比較了壓鑄過程不同主要因素(溶體/型壁的摩擦系數(shù),模具型腔的背壓,溶體/型壁的換熱系數(shù)和壓鑄機的推桿速度)對充型狀態(tài)的影響,為確定后續(xù)模擬的主要使用條件打下了基礎(chǔ)。通過測試并驗證壓鑄過程的位移曲線較為準(zhǔn)確地推測壓鑄速度,有益于提高模擬的精度;通過型內(nèi)充型軌跡實測和模擬的對比以及引入獨特的Shortshot實驗法為模擬提供了有力的支持和旁證手段。結(jié)論（一）系統(tǒng)地比較了壓鑄過程不同主要因素(溶體/型壁的摩結(jié)論（二）試樣鑄造缺陷的分析與模擬以及Shortshot結(jié)果的反復(fù)對比表明，流場與缺陷形成有緊密的相關(guān)性,通過流場的模擬可以預(yù)測可能產(chǎn)生缺陷的位置和程度,從而提出改進(jìn)的方向。利用計算機模擬可以從流場,凝固場的角度優(yōu)化模具型腔的設(shè)計,準(zhǔn)確把握成形的模具條件,在對板形試樣模具實施優(yōu)化設(shè)計后的實踐結(jié)果充分證明了計算機模擬在輔助模具設(shè)計優(yōu)化上的有效性和實用性。在實際復(fù)雜汽車零件的試制中有效地使用計算機模擬法取得了良好的效果,并被作為一種通用的技術(shù)手法得以進(jìn)一步的驗證和確立。結(jié)論（二）試樣鑄造缺陷的分析與模擬以及Shortshot鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬

鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬研究背景/目的鋁合金半固態(tài)壓鑄(觸變成形)研發(fā)階段的工作雖已接近于成熟,但與充型系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)數(shù)據(jù)尚不充分。為改進(jìn)計算機模擬精度,需要準(zhǔn)備一些基本的參數(shù)。輔助充型系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,改善零件的質(zhì)量。

研究背景/目的鋁合金半固態(tài)壓鑄(觸變成形)研發(fā)階段的工作雖已主要內(nèi)容通過對壓鑄過程的實驗測試和模擬相結(jié)合的方法,確認(rèn)模擬的初始參數(shù),奠定模擬的準(zhǔn)確性分析和驗證典型試樣充型流場與鑄造缺陷的關(guān)系,優(yōu)化模具設(shè)計實際應(yīng)用于汽車零件的研發(fā)過程,預(yù)測缺陷和對策

主要內(nèi)容通過對壓鑄過程的實驗測試和模擬相結(jié)合的方法,確認(rèn)模擬研究方法研究方法實驗方法實驗材料A356鋁合金主要實驗工藝過程(制坯－二次加熱－壓鑄)實驗方法實驗材料A356鋁合金制造坯料的水平連鑄裝置電磁攪拌制造坯料的水平連鑄裝置電磁攪拌多工位旋轉(zhuǎn)式坯料感應(yīng)二次加熱設(shè)備感應(yīng)圈控制面板多工位旋轉(zhuǎn)式坯料感應(yīng)二次加熱設(shè)備感應(yīng)圈控制面板500噸壓鑄機500噸壓鑄機壓鑄條件模具溫度:523K(250℃)坯料溫度:858-863K(585-590℃)試樣的三維CAD模型,10個測試點

壓鑄條件試制零件的三維CAD模型Rearbridgesupport

Rearbridgesupport(typeⅠ)Rearbridgesupport(typeⅡ)Forwardcontrolarm試制零件的三維CAD模型Rearbridgesuppor計算條件

(模擬軟件:ADSTEFAN)PhysicalpropertiesofAluminumalloyA356

*FunctionofsolidfractionRelationshipbetweenkinematicviscosityandsolidfractionDensitykg/m3SpecificheatkJ/(kgK)

ThermalconductivityW/(mK)LatentheatKJ/kgKinematicviscositym2/sLiquidsKSolidusK27000.96155389*887850Solidfraction,%00-60>60KinematicViscositym2/s1E-06

Linearinsertingvalue1E-05

計算條件

(模擬軟件:ADSTEFAN)Physical力學(xué)性能測試１００ｍｍ力學(xué)性能測試１００ｍｍ研究(實驗與模擬)結(jié)果研究(實驗與模擬)結(jié)果半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響f=0f=1f=0.5半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響f=0f=1f=0.5半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)雖然幾乎不影響總的充型時間以及最終匯流的位置,但對流體的表面充型狀態(tài),匯流方式和充型模樣存在一定的影響。因?qū)嶋H摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測定是十分困難的,本研究根據(jù)反復(fù)計算的經(jīng)驗在該階梯形板狀試樣以及其他零件模具的模擬計算中選擇了0.5的摩擦系數(shù)。半固態(tài)流體與型壁之間摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)雖然幾乎不影響總的半固態(tài)流體充型時背壓(排氣)的影響物理模型V=A?(c3/L)?(P-P0)?Δt?ΔSV為空氣的體積;A為空氣的流動系數(shù);L和c分別是排氣口的長度和寬度;P和P0分別為型內(nèi)外的空氣壓力;Δt和ΔS分別是時間步長和排氣面積

網(wǎng)格長度單位為1cm排出的空氣半固態(tài)流體充型時背壓(排氣)的影響物理模型V=A?(c3/L有無背壓的對比未考慮背壓考慮背壓有無背壓的對比未考慮背壓鑄型/鑄件之間換熱系數(shù)的影響5000W／m2?K9500W／m2?K14000W／m2?K鑄型/鑄件之間換熱系數(shù)的影響5000W／m2?K9500W壓鑄機的推桿速度的影響0.1m/s0.5m/s0.8m/s壓鑄機的推桿速度的影響0.1m/s壓鑄機沖頭的位移曲線慢壓式

快壓式充型主要階段充型末期和保壓階段此前為推桿空走預(yù)備充型(含將料缸中的坯料推至模具入口的預(yù)備期)充型主要階段充型末期和保壓階段壓鑄機沖頭的位移曲線慢壓式快壓式充型主要階段充型末期和保壓位移曲線測試結(jié)果小結(jié)(1)慢壓式和快壓式各具有明顯不同的位移曲線,各次測試的結(jié)果均反映出相似的曲線特征,說明壓鑄機系統(tǒng)可以保證相對穩(wěn)定的充型狀態(tài);(2)慢壓條件下兩種方法得到的位移曲線非常相似,雖然壓鑄初期的推桿空走和后期的保壓階段存在少許位移的差別,但模具型腔充填時的位移變化斜率(即速度)基本一致,涉及充型的部分包括充型主要階段和充型末期,由位移曲線的斜率變化可以推算出這兩個階段的推桿速度分別約為0.25m/s(按70%計)和0.06m/s(按30%計),這將作為后續(xù)模擬的初始條件;(3)快壓條件下的位移曲線按前圖所示同樣可分為充型主要和充型末期兩個階段,從曲線的斜率可以推算出推桿速度分別為0.79m/s(按70%計)和0.09m/s(按30%計);(4)壓鑄機測試記錄系統(tǒng)和高速攝像機測試的結(jié)果雖存在差異,但反映的趨勢是一致的,也說明了測試記錄系統(tǒng)的準(zhǔn)確與可靠。

位移曲線測試結(jié)果小結(jié)(1)慢壓式和快壓式各具有明顯不同的位移型內(nèi)流動的測試型內(nèi)流動的測試坯料加熱后的組織形貌中心位置邊緣位置坯料加熱后的組織形貌中心位置邊緣位置充型過程的Shortshot實驗

(快壓式)充型過程的Shortshot實驗

(快壓式)充型模擬（溫度場顯示）充型模擬（溫度場顯示）模擬與實驗的對比

Short-shot

SimulationdefectsanalysisDistributionimageCombinationphotowithlowmagnification50μm模擬與實驗的對比Short-shot模擬與實驗的對比X-rayinspectionSimulatedcross-section模擬與實驗的對比X-rayinspectionSim充型過程的Shortshot實驗

(慢壓式)充型過程的Shortshot實驗

(慢壓式)充型模擬（溫度場顯示）充型模擬（溫度場顯示）輔助模具優(yōu)化因現(xiàn)行模具在快壓式的成形條件下,存在著如上所述的鑄造缺陷,通過觀察模擬和實驗結(jié)果,本研究擬從修改模具型腔局部形狀,澆口(gate)大小和形狀等方面尋求優(yōu)化的工藝方案,在模擬計算時固定通常的模具預(yù)熱溫度(523K)和壓鑄機的推桿速度(0.8m/s)。

輔助模具優(yōu)化因現(xiàn)行模具在快壓式的成形條件下,存在著如上所述的模具型腔的局部形狀模具型腔的局部形狀模擬結(jié)果模擬結(jié)果gate的形狀與大小gate的形狀與大小模擬結(jié)果模擬結(jié)果局部中空的設(shè)計局部中空的設(shè)計模擬結(jié)果模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(1)綜合改進(jìn)(1)模擬結(jié)果模擬結(jié)果綜合改進(jìn)(2)綜合改進(jìn)(2)模擬結(jié)果該處的充滿較方案11明顯加快試樣上部大致呈逐層充填特征凸臺作為局部的最終充填之處,可望實現(xiàn)排渣集氣的目的凸臺作為局部的最終充填之處,可望實現(xiàn)排渣集氣的目的試樣上部大致呈逐層充填特征模擬結(jié)果該處的充滿較方案11明顯加快試樣上部大致呈逐層充填特初始方案的凝固模擬

初始方案的凝固模擬凝固特征的比較

凝固特征的比較改進(jìn)方案的凝固模擬

改進(jìn)方案的凝固模擬鋁合金半固態(tài)壓鑄成形過程的模擬講解課件模具溫度分布的求解模具溫度分布的求解半固態(tài)壓鑄的成形周期半固態(tài)壓鑄的成形周期穩(wěn)定狀態(tài)下的模具溫度分布穩(wěn)定狀態(tài)下的模具溫度分布在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具初始預(yù)熱至250℃)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具初始預(yù)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具不預(yù)熱)在30個壓鑄循環(huán)周期中模具型腔表面的溫度變化

(模具不預(yù)熱模具優(yōu)化結(jié)果的驗證模具優(yōu)化結(jié)果的驗證缺陷分析快壓式慢壓式缺陷分析快壓式慢壓式凸臺內(nèi)組織分布快壓式慢壓式凸臺內(nèi)組織分布快壓式慢壓式力學(xué)性能的對比模具的不同壓鑄方式抗拉強度MPa延伸率%備注原模具快壓2074.43平均值慢壓2217.99優(yōu)化后的模具快壓2387.65慢壓26510.3力學(xué)性能的對比模具的壓鑄方式抗拉強度延伸率備注快壓2074.汽車零件的研制

(后橋支撐座)

Aseveredemandfordeskframe