半固態(tài)鎂合金壓鑄充型過程的數(shù)值模擬研究

常慶明,栗晨星,王 濤,武 琳,柯 燕,田巧珍,鄧煥喜

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

半固態(tài)鎂合金壓鑄充型過程的數(shù)值模擬研究

常慶明,栗晨星,王 濤,武 琳,柯 燕,田巧珍,鄧煥喜

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

在考慮半固態(tài)AZ91D鎂合金充型過程的壓力和速度變化特征的基礎(chǔ)上,建立了模擬計(jì)算所需要的表觀黏度數(shù)學(xué)模型。采用ProCAST軟件,對半固態(tài)鎂合金壓鑄充型過程進(jìn)行模擬,預(yù)測卷氣、夾雜物產(chǎn)生的可能性,以便優(yōu)化其工藝參數(shù)和工藝方案。結(jié)果表明,與全液態(tài)鎂合金充型過程相比,半固態(tài)金屬充型平穩(wěn),模具壽命長,鑄件質(zhì)量好;改變內(nèi)澆道和溢流槽的設(shè)置位置和數(shù)量,還可有效地減少鑄件本身內(nèi)部雜質(zhì),提高鑄件質(zhì)量。

半固態(tài);數(shù)值模擬;表觀黏度;充型工藝

半固態(tài)金屬成形作為一種新興的成形技術(shù),近10年來在國外有著飛速的發(fā)展。它與傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造相比,其優(yōu)點(diǎn)如下:凝固收縮小,尺寸精度高;凝固時(shí)間短,不存在宏觀偏析;黏度高,成形時(shí)不易裹氣;晶粒細(xì)小,不易產(chǎn)生裂紋;組織致密,力學(xué)性能好,特別是延伸性和疲勞強(qiáng)度比普通鑄件高得多;成形溫度低,熱沖擊小,可延長模具壽命。因此,半固態(tài)金屬成形技術(shù)在國外獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

在半固態(tài)鑄造過程中,充型過程占有重要的地位。如果充型過程的工藝參數(shù)不合理,就會出現(xiàn)氧化夾雜、冷隔和澆注不足等缺陷。因此,設(shè)計(jì)優(yōu)良的澆注系統(tǒng)而進(jìn)行合理的充型,是生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良鑄件的關(guān)鍵。在充型過程中,半固態(tài)漿料呈現(xiàn)出與合金微觀組織結(jié)構(gòu)、固相體積分?jǐn)?shù)、剪切速率、時(shí)間以及過程等因素密切相關(guān)的觸變特性。單純采用試驗(yàn)難以描述半固態(tài)的漿料充型過程,實(shí)驗(yàn)室研究輔以數(shù)值模擬技術(shù)將成為分析半固態(tài)充型過程的一種理想途徑。目前國內(nèi)外學(xué)者對半固態(tài)鑄造充型過程的數(shù)值模擬進(jìn)行大量研究[4-8]。

筆記本電腦殼體作為計(jì)算機(jī)各種內(nèi)部硬件的一個(gè)外部保護(hù)部件,其特點(diǎn)是厚度薄、尺寸精度高、內(nèi)部組織致密。這就要求在其鑄造過程中不能產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷。如何設(shè)計(jì)鑄件的澆注系統(tǒng)和溢流槽,以保證半固態(tài)金屬在模具型腔中良好地充填和氣體的順利排出,是生產(chǎn)高質(zhì)量電腦外殼的關(guān)鍵。為此,本文采用ProCAST軟件,模擬半固態(tài)金屬的充型模式,預(yù)測卷氣、夾雜物產(chǎn)生的可能性,以便優(yōu)化其工藝參數(shù)和工藝方案。

1 數(shù)學(xué)模型描述

半固態(tài)合金充型流動屬于帶有自由表面變黏性的不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)流動。描述半固態(tài)金屬漿料充填流動行為的方程不僅包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量方程[7-8],而且還應(yīng)包括能表征半固態(tài)流動特性的表觀黏度方程。

當(dāng)半固態(tài)坯料受到一定的剪切速率作用時(shí),具有良好的流動性,可以像流體一樣充滿鑄型。因此在模擬過程中將半固態(tài)金屬視為連續(xù)不可壓縮的金屬流體,其流動特性由表觀黏度來表征。然而,半固態(tài)金屬的黏度不僅與溫度、剪切速率等因素有關(guān),而且還與固相體積分?jǐn)?shù)、時(shí)間有關(guān),其模型的確定極為困難。到目前為止,人們尚未建立一個(gè)統(tǒng)一的黏度模型。筆者綜合考慮各種黏度模型后,采用了鎂合金半固態(tài)黏度模型[9]:

2 結(jié)果與分析

2.1 半固態(tài)壓鑄過程模擬結(jié)果驗(yàn)證

澆注試驗(yàn)以鎂合金平板件作為研究對象,其輪廓尺寸為20 mm×25 mm×12 mm。在模擬計(jì)算和試驗(yàn)過程中,澆注溫度為580℃,模具初始溫度為200℃,澆注壓力為10 M Pa。試驗(yàn)中,采用定量澆注的方法獲得充型過程不同時(shí)刻流動前沿的位置。圖1為半固態(tài)AZ91D通過壓鑄方式充型的試驗(yàn)與模擬結(jié)果的對比。由圖1可看出,在充型過程中,由于半固態(tài)AZ91D的黏度大,金屬從內(nèi)澆口進(jìn)入型腔后呈輻射狀向前流動,最后充填的部位是遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的部分,且充型過程平穩(wěn),流動前沿的氣體易通過設(shè)置的排氣孔排出。

試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比還可看出,兩者相吻合,說明只要采用的數(shù)學(xué)模型正確、參數(shù)設(shè)置合理, ProCAST軟件就可精確地模擬鎂合金半固態(tài)鑄造過程。

圖1 半固態(tài)金屬壓鑄充型過程的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對比Fig.1 Comparison between experimental and simulation results of mold filling process of sem i-solid Mg alloy in die-casting cavity

2.2 筆記本電腦殼體幾何模型

筆記本電腦外殼材料選取鎂合金AZ91D。模具材料選擇模具鋼 H13。殼體鑄件及其澆注系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。由圖2可看出,尺寸為278 mm×217 mm×20 mm的筆記本電腦外殼厚度很薄,最薄處僅有0.5 mm。如何選擇工藝參數(shù)以保證澆注時(shí)殼體件能完全充滿,避免冷隔、澆注不足等缺陷的產(chǎn)生,是薄壁殼體件工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.3 筆記本電腦外殼充型過程分析

圖2 筆記本電腦外殼鑄件結(jié)構(gòu)和尺寸Fig.2 Configuration and size of the laptop shell casting

為了能使半固態(tài)鎂合金從各方向均勻地流進(jìn)模具型腔,將澆口設(shè)置在外殼鑄件靠中心部位的方形缺口處,并在澆口周圍設(shè)置多個(gè)內(nèi)澆口,同時(shí)在外殼的另一缺口處設(shè)置溢流槽,以便流動前沿的含有夾雜的金屬流到高部位并最終切割去除,如圖3所示。

圖3 鑄件及其澆注系統(tǒng)Fig.3 Casting and its pouring system

圖4 半固態(tài)壓鑄充型過程的模擬結(jié)果Fig.4 Simulated mold filling process of sem i-solid Mg alloy in die-casting cavity

與上述對比試驗(yàn)相同,半固態(tài)鎂合金AZ91D在充填外殼過程的計(jì)算中,澆注溫度為580℃,模具初始溫度為200℃,澆注壓力為10 M Pa。模具充型過程如圖4所示。由圖4可看出,半固態(tài)漿料的充型趨于層流充填,充填過程非常平穩(wěn),無紊流現(xiàn)象,自由表面逐步向前推進(jìn),從而有效地避免出現(xiàn)鑄件內(nèi)卷氣等現(xiàn)象,獲得高質(zhì)量的鑄件。盡管澆注溫度較低,且處于鎂合金AZ91D的固液相線之間,但由于充型壓力較大,充型時(shí)間短,充型過程中半固態(tài)鎂合金來不及冷卻凝固就已將模具型腔完全充滿。然而,充型過程中溢流槽并不能發(fā)揮其集渣的功用,而是變?yōu)榱黧w流動通道,流動前沿含有大量雜質(zhì)的金屬最后充填到殼體的2個(gè)角落部位,并可能出現(xiàn)電腦外殼的夾雜缺陷。

為進(jìn)一步分析半固態(tài)鎂合金的充型特點(diǎn),對完全液態(tài)的鎂合金AZ91D的充型過程進(jìn)行模擬計(jì)算。在其他澆注工藝不變的條件下,將澆注溫度升至700℃,即鎂合金在全液態(tài)條件下進(jìn)行澆注,其充型過程如圖5所示。由圖5可看出,與半固態(tài)鎂合金充型過程的最大區(qū)別在于,由于全液態(tài)鎂合金的黏度相對半固態(tài)鎂合金的黏度要小得多,液態(tài)金屬從各內(nèi)澆口流出后以較快的速度向前噴射,形成噴射流。噴射流遇到模具型腔壁面時(shí)折返回流。一方面充型過程不平穩(wěn),金屬液對模具壁沖擊大,另一方面,折返回流易形成卷氣現(xiàn)象而導(dǎo)致鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生,同時(shí),溢流槽也未起到去除夾雜的功效。

圖5 全液態(tài)鎂合金充型過程的模擬結(jié)果Fig.5 Simulated mold filling process of molten Mg alloy in die-casting cavity

2.4 內(nèi)澆道的改進(jìn)

為了克服這一缺陷,應(yīng)當(dāng)改變鑄型的充填模式,使得溢流槽部分成為最后充填部分。為此,首先考慮更改澆注系統(tǒng)的設(shè)置,去掉多個(gè)內(nèi)澆道中的一個(gè),更改后的鑄件和澆注系統(tǒng)如圖6所示。圖7為去除一個(gè)內(nèi)澆道后的外殼充型過程的模擬結(jié)果。由圖7可看出,盡管半固態(tài)金屬的充填模式有所改變,有更多金屬漿料充填外殼的左邊部分,但溢流槽依然沒有起到集渣的作用。

圖6 去除一個(gè)內(nèi)澆道后鑄件及其澆注系統(tǒng)Fig.6 Casting and its pouring system after removing an ingate

圖7 去除一個(gè)內(nèi)澆道后的充型過程模擬結(jié)果Simulated mold filling process of sem i-solid Mg alloy in die-casting cavity after removing an ingate

2.5 溢流槽的改進(jìn)

為使溢流槽充分發(fā)揮作用,在改變澆注系統(tǒng)失效的情況下,改變或增加溢流槽的位置可能是惟一能夠發(fā)揮溢流槽作用的途徑。為此,在圖7中半固態(tài)金屬最后充填的部位增設(shè)溢流槽,如圖8所示。圖9為增設(shè)新溢流槽后的充型過程模擬結(jié)果。由圖9可看出,帶有夾雜物的金屬流動前沿最后充填到新增設(shè)的溢流槽部分,保證了殼體的內(nèi)在質(zhì)量。

圖8 增加溢流槽后的鑄件及澆注系統(tǒng)Fig.8 Casting and its pouring system with overflows

圖9 增加溢流槽后的充型過程模擬結(jié)果Fig.9 Simulated mold filling process of sem i-solid Mg alloy in die-casting cavity with four overflows

3 結(jié)論

(1)與全液態(tài)金屬壓鑄的模擬結(jié)果相比,半固態(tài)金屬壓鑄具有充型平穩(wěn)、模具壽命長、鑄件質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

(2)改進(jìn)內(nèi)澆道和溢流槽的設(shè)置位置和數(shù)量,可以有效地減少鑄件本身內(nèi)部雜質(zhì),有益于提高鑄件質(zhì)量。

(3)通過模擬-改進(jìn)-再模擬的分析方法,可以實(shí)現(xiàn)半固態(tài)金屬壓鑄澆注系統(tǒng)和溢流槽的優(yōu)化設(shè)計(jì),縮短新模具的設(shè)計(jì)周期。

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Mold filling process of sem i-solid Mg alloy in die casting by numerical simulation

Chang Qingm ing,L i Chenxing,W an Tao,W u L in,Ke Yan,Tian Qiaozhen,Deng H uanx i
(Key Laborato ry for Ferrous Metallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Mold filling p rocess of sem i-solid M g alloy in die castings is a transient p rocess w ith various fluid viscosities.Based on the variation characteristicsof filling p ressure and velocity during mold filling p rocessof semi-so lid AZ91D alloy,amathematicalmodelof apparent viscosity fo r numerical calculation is established.The mold filling p rocess of semi-solid M g alloy in die castings is simulated by emp loying ProCAST and the possibility of involved gasand inclusions isp redicted.The best technique is determined through op timizing the p rocess parameters.Simulation results demonstrate that the filling p rocess of sem i-solid M g alloy ismo re stable than that of liquid M g alloy,and therefo re,the service life of dies can be p rolonged and the quality of the castings can be imp roved.Furthermore,changing the location and num bers of ingates can effectively reduce the inclusions in castings and thereby imp rove casting qualities.

semi-solid;numerical sim ulation;apparent viscosity;mold filling p rocess

TG146.2

A

1674-3644(2010)05-0458-06

[責(zé)任編輯 徐前進(jìn)]

作者介紹:常慶明,男,1964年出生,1984年畢業(yè)于鄭州工學(xué)院鑄造專業(yè),獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,1995年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)鑄造專業(yè),獲工學(xué)博士學(xué)位,1997年韓國工業(yè)技術(shù)研究院訪問學(xué)者,1998-2006年美國凱斯西儲大學(xué)博士后及研究助理,期間獲機(jī)械航空工程學(xué)科第二工學(xué)博士學(xué)位。武漢科技大學(xué)副教授。近五年發(fā)表論文13篇,其中被SCI檢索6篇, EI檢索4篇,ISTP檢索2篇,出版著作2部,其中包括英文專著 A pplication of Lattice Boltzmann M ethod-Thermal M u ltiphase Fluid D ynam ics,主編和參編教材2部。近年來作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人正在承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目等材料成型工藝及其過程仿真研究課題5項(xiàng),企業(yè)橫向合作課題多項(xiàng)。主要研究方向?yàn)樘胤N及精密鑄造、材料成型過程仿真、泡沫金屬、粉末冶金、CFD等。

2010-07-26

湖北省教育廳重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(D20101110).

常慶明(1964-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:qmchang@163.com