基于ProCAST的非牛頓流體壓鑄過程模擬

陳立珂 張志鵬 劉宏基

（1. 河北工程大學(xué)； 2.邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 概述

近年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，與之相伴的是環(huán)境污染問題的日益凸顯。輕量化是解決溫室氣體排放、減少空氣污染的重要途徑。目前，鋁合金、鎂合金等有色金屬已經(jīng)在汽車零部件加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。半固態(tài)加工作為一種新型的近凈成形技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造過程，具有加工溫度低，材料填充平穩(wěn)、無飛濺，力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)；相比于傳統(tǒng)的固態(tài)鍛造成形過程，具有流動(dòng)阻力小、可成形復(fù)雜形狀零件等優(yōu)點(diǎn)，故半固態(tài)加工技術(shù)是一種具有巨大應(yīng)用潛力的加工技術(shù)。利用半固態(tài)加工技術(shù)對(duì)鋁、鎂合金零件進(jìn)行生產(chǎn)加工，具有巨大的優(yōu)勢[1]。

在半固態(tài)溫度區(qū)間，金屬漿料表現(xiàn)出非牛頓流體特征，其粘度要比液態(tài)金屬高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且在充型過程中呈現(xiàn)層流特征，而且其粘度對(duì)金屬的剪切速率非常敏感。正因?yàn)榉桥ｎD流體有著比較復(fù)雜的流動(dòng)行為，所以近年來受到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-5]。

ProCAST軟件在模擬壓鑄成形過程中具有巨大的優(yōu)勢[6]。筆者采用鑄造軟件ProCAST對(duì)鋁合金的壓鑄過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用其內(nèi)部自帶的Carreau-Yasuda模型對(duì)該過程建立模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其充型過程中的各個(gè)影響因素。為了方便與液態(tài)壓鑄過程進(jìn)行對(duì)比，筆者還建立了液態(tài)充型的牛頓粘度模型。

1 壓鑄模型的建立

因?yàn)橛绊懓牍虘B(tài)材料性質(zhì)的因素很多，全面考慮每個(gè)因素?zé)o疑會(huì)提升模型復(fù)雜性，所以這里對(duì)半固態(tài)材料設(shè)置如下邊界條件：（1）材料是各向同性的；（2）加工溫度較高，材料的固相率較低，故模型為近似單相模型；（3）由于充型時(shí)間較短，故忽略了時(shí)間對(duì)剪切粘度的影響；（4）材料在充型過程中變形是均勻的。

Carreau-Yasuda模型是ProCAST軟件中自帶的一種非牛頓粘度模型，其表達(dá)式為：

式中，ηa——表觀粘度，Pa·s；η0——初始粘度，Pa·s；η∞——極限粘度，Pa·s；a——Yasuda系數(shù)；λ——相轉(zhuǎn)換系數(shù)；n——冪律指數(shù)。

該模型的物理含義是將半固態(tài)的粘度大致劃分為三個(gè)區(qū)域。當(dāng)剪切速率很小時(shí)，粘度非常高，并且近似為一常數(shù)，稱為第一牛頓區(qū)；當(dāng)剪切速率很高時(shí)，半固態(tài)材料的粘度與液態(tài)粘度近似，也可看作一常數(shù)，稱為第二牛頓區(qū)；當(dāng)剪切速率位于兩個(gè)牛頓區(qū)之間時(shí)，半固態(tài)材料具有剪薄特性，即粘度隨著剪切速率的增加而降低，呈現(xiàn)出假塑性，這一區(qū)域稱為假塑性區(qū)。

采用牛頓流體模型來描述液態(tài)金屬的粘度。由于牛頓流體的粘度為常數(shù)，不隨剪切速率的變化而變化，因此將牛頓流體的粘度設(shè)為10-3pa·s。

為了簡化分析過程，筆者首先建立了一個(gè)簡單的鑄型，其幾何形狀與尺寸如圖1所示。

圖1 鑄型形狀及其幾何尺寸

為了減少計(jì)算時(shí)間，采用了虛擬模具。材料選用了A356鋁合金，其固相率與溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 合金A356固相率與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

澆鑄溫度為583 ℃（相應(yīng)的固相率約為40%），模具預(yù)熱溫度為300 ℃，壓鑄速度為1.8 m/s。相應(yīng)的液態(tài)壓鑄溫度為620 ℃。模具材料為H13鋼，模具與鑄件之間的傳熱系數(shù)為1 300 W/（m2·K）。

2 模擬結(jié)果與分析

牛頓流體的充型過程如圖3所示。

圖3 牛頓流體充型過程

從圖3可以看出，液態(tài)金屬在進(jìn)入模具后，垂直于入口平面向前流動(dòng)，在遇到障礙物后，金屬的前沿部分迅速向模具邊部擴(kuò)展，在充型的最后階段，模具兩側(cè)的金屬漿料在模具端部匯聚并產(chǎn)生回流現(xiàn)象。在模具入口處，沒有金屬漿料進(jìn)行填充，從而會(huì)產(chǎn)生澆不足等缺陷；而在模具端部，金屬漿料的回流會(huì)產(chǎn)生裹氣、夾雜等缺陷。這些缺陷會(huì)降低最終成形件的質(zhì)量。

非牛頓流體的充型過程如圖4所示。

圖4 非牛頓流體充型過程

從圖4可以看出，非牛頓流體的流動(dòng)狀態(tài)與牛頓流體呈現(xiàn)出較大的差別。在充型初期，金屬在進(jìn)入模具后立即向兩側(cè)擴(kuò)展，金屬前端呈直線式前進(jìn)，因此模具入口處很快被金屬漿料填滿，不會(huì)產(chǎn)生澆不足的缺陷；金屬漿料繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在遇到障礙物時(shí)，金屬漿料的前沿幾乎是平直的，因此不會(huì)產(chǎn)生飛濺等現(xiàn)象；在流動(dòng)的后期，障礙物兩側(cè)的金屬漿料共同向中部匯聚，不會(huì)產(chǎn)生回流現(xiàn)象。因此，采用半固態(tài)金屬漿料進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)時(shí)，可以大大降低缺陷產(chǎn)生的可能性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

非牛頓流體剪切速率和粘度分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 非牛頓流體剪切速率分布(充型體積75%)

圖6 非牛頓流體粘度分布(充型體積75%)

從圖5和圖6可以看出，在剪切速率較高的地方，金屬漿料的粘度較低，這表明非牛頓流體在充型過程中表現(xiàn)出偽塑性體特征。在金屬漿料與模具壁面接觸的地方，金屬的粘度較高，這是由于此處的金屬與壁面之間存在摩擦作用，使得金屬的剪切速率升高而造成的。非牛頓流體的表觀粘度通常在1 Pa·s以上，而牛頓流體的粘度一般為10-3Pa·s左右，也就是比液態(tài)金屬的粘度大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此可以保證在充型過程中金屬的流動(dòng)是層流，而非牛頓流體的紊流。

牛頓流體和非牛頓流體的充型時(shí)間對(duì)比關(guān)系如圖7所示。

圖7 牛頓流體與非牛頓流體的充型時(shí)間對(duì)比

從圖7可以看出，非牛頓流體的充型時(shí)間與牛頓流體充型時(shí)間相差不大，因此生產(chǎn)效率并不會(huì)降低。而且牛頓流體在模具入口處產(chǎn)生無法填充的區(qū)域，而非牛頓流體在充型的過程中模具各處基本上均會(huì)被填充，因此產(chǎn)生缺陷的可能性大大降低。

3 結(jié)論

（1）半固態(tài)金屬與傳統(tǒng)的液態(tài)壓鑄過程相比，表觀粘度至少要高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此其充型過程十分平穩(wěn)，不容易

發(fā)生飛濺現(xiàn)象；而在液態(tài)壓鑄過程中，金屬液的流動(dòng)屬于紊流，流動(dòng)前沿與鑄型碰撞后發(fā)生飛濺現(xiàn)象，容易造成卷氣等現(xiàn)象，而且鑄型中存在未填充區(qū)域，易造成鑄件的不完整。

（2）剪切速率和壓鑄速度都對(duì)材料的充型有影響。在金屬與模具壁面相接觸的地方，金屬的粘度較低，流動(dòng)性較好，故具有良好的充型能力。半固態(tài)材料是一種典型的減薄非牛頓流體，金屬的粘度隨著剪切速率的增加而降低。

（3）與牛頓流體相比，非牛頓流體的充型時(shí)間變化不大，因此粘度的增加并不會(huì)顯著降低鑄造過程的生產(chǎn)效率。