熱交換系數(shù)對鑄件質(zhì)量影響探究

代志功，畢俊喜

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

低壓鑄造是一種介于壓力鑄造和重力鑄造之間的鑄造方法，它利用保溫爐內(nèi)的壓力氣體將熔化的金屬液從保溫爐內(nèi)由下向上充填到鑄型中[1,2]，在壓力作用下進行凝固補縮，因此低壓鑄件成型好、輪廓清晰、表面光潔，鑄件組織致密、機械性能好。低壓鑄造技術(shù)廣泛的應(yīng)用于輪轂、風(fēng)機葉片、發(fā)動機殼體的實際生產(chǎn)中[3,4]。低壓鑄件質(zhì)量受到諸多因素的影響，但熱交換系數(shù)如何影響鑄件質(zhì)量有待研究。本文采用ProCAST數(shù)值模擬軟件進行不同熱交換系數(shù)條件下的輪轂低壓鑄造仿真，研究熱交換系數(shù)對鑄件充型的影響。

1　數(shù)學(xué)模型

鑄造仿真依賴于流體數(shù)學(xué)模型的建立，數(shù)學(xué)模型是對流體守恒規(guī)律的客觀表述，質(zhì)量守恒定律是開展流體研究的基礎(chǔ)。

質(zhì)量守恒定律：連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表述[5]。

式中ρ——流體密度；ux——流體在x軸方向上的速度；vy——流體在y軸方向上的速度wz——為流體在z軸方向上的速度。

2　模擬前處理

鋁合金輪轂密度低，約為鋼制輪轂的1/3，是車輛輕量化的理想材料；鋁合金材料的熱傳導(dǎo)率高于鋼制輪轂，因此具有優(yōu)良的散熱性能；鋁合金毛坯輪轂時效強化處理前強度低，易于加工處理；經(jīng)過耐腐蝕處理和涂色處理后外形美觀受到了市場的廣泛歡迎。如圖1所示輪轂三維模型，輪轂直徑d=531.9mm、中心孔直徑為73mm、輪圈壁厚為13mm。按照下圖2所示的模擬流程開展模擬仿真。

輪轂材料選用ZL104合金，具體成分見表1，液固相線溫度分別為555℃和602℃，鋁液加溫至720℃，熱物性參數(shù)見表2。模具材料選用H13模具鋼，將其在充型之前預(yù)加熱至300℃。在第一套模擬方案中模具與鑄件的熱交換系數(shù)h=2000W/（m2·K），模具間的熱交換系數(shù)h=1500W/（m2·K）。冷卻方式為空冷，模具與空氣的熱交換系數(shù)h=100W/（m2·K），澆口壓鑄壓力為0.105MPa。在第二套模擬方案中模具與鑄件的熱交換系數(shù)h=1000W/（m2·K），其他參數(shù)不做改變。

圖1　輪轂三維模型

圖2　模擬流程

表1　ZL104合金成分表　ωB/%

表2　ZL104熱物性參數(shù)

3　模擬過程分析

低壓鑄造過程中流場的穩(wěn)定性、凝固的先后順序、應(yīng)力值的分布、鑄造缺陷的性質(zhì)是判斷鑄件質(zhì)量的主要因素。ProCAST數(shù)值模擬軟件是一種專門用于模擬鑄造的軟件，可以有效的檢測充型過程中液面的流動狀態(tài)，各部位凝固時間、應(yīng)力值等。如下圖所示不同熱交換系數(shù)下的模擬情況。圖3～5中a為模具與鑄件熱交換系數(shù)為h=2000W/（m2·K）時的模擬情況，b為h=1000W/（m2·K）時的模擬情況。

圖3為鋁液充滿鑄型時的溫度圖，圖a中溫度的分布明顯高于圖b，且高溫分布均勻，這樣有利于保證鋁液充型時的流動能力，提高鋁液凝固補縮能力。圖4為凝固時間分布圖，圖b的凝固冷卻速度明顯大于圖a，尤其在輪圈部位，冷卻速度加快容易導(dǎo)致晶粒粗大，組織致密性差，致使鑄件整體力學(xué)性能差。圖5為鑄件冷卻后的應(yīng)力分布圖，圖a中輪圈處的應(yīng)力值低于圖b，這樣有助于輪轂的時效強化處理，同時減弱鋁液凝固時產(chǎn)生的包緊力，增加模具壽命。

4　結(jié)論

通過ProCAST模擬軟件模擬不同熱交換系數(shù)條件下的充型情況，分析研究對充型溫度、凝固時間、應(yīng)力的影響得出以下結(jié)論：

（1）熱交換系數(shù)對充型溫度、凝固時間、應(yīng)力有著不同程度的影響，較高的熱交換系數(shù)有利于保證鋁液的流動能力，延緩凝固時間，降低應(yīng)力值。

（2）熱交換系數(shù)可以做為調(diào)控鑄件質(zhì)量的控制因素，選擇合適的熱交換系數(shù)對鑄造良好的鑄件有著至關(guān)重要的影響。

圖3　充滿時的溫度

圖4　凝固時間

圖5　應(yīng)力分布

參考文獻：

[1] 張宏亮.關(guān)于鋁合金輪轂成形工藝的應(yīng)用與研究進展[J].技術(shù)與市場,2017（10）.141-141.

[2] 胡敏.鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型特征[J].特種鑄造及有色合金,2003,（2）:56-58.

[3] 朱奕慶,周培莉.國外低壓鑄造工藝發(fā)展概況[J].貴州機械,1978（3）:54-57.

[4] 吳軍,周兆忠,張元祥.基于ProCAST的鋁合金活塞砂型鑄造工藝分析[J].特種鑄造及有色合金,2014,34（1）:26-28.

[5]初國凱.鋁合金缸體低壓鑄造過程的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[D].吉林大學(xué),2011.