（机械工程专业论文）内燃机铸件质量分析及凝固模拟.pdf

昆明埋t 犬学硕士学位论文 捕监 摘要 本文叙述了铸造过程计算机数值模拟的国内外研究概况 指出了我国在铸 造过程数值模拟方面与国外存在的差距 分析了选择本课题的依据 目的和意 义 在一般铸件温度场数值模拟的基础上 采用g j r 法并结合熔池孤立域的 动态划分技术对凝固过程中可能出现的缩松缩孔进行了数值模拟 对于热裂的 预测 以铸造合金流变行为的热裂判据为数学模型对其进行预测 文章详细介绍了云内动力生产的4 i o o q b 柴油机缸体铸件的生产装蓊和铸 造工艺 并根据生产几年来缸体铸件的铸造缺陷废品率数据 用统计分析的方 法 对影响缸体铸件质量的因素进行了分柝 指出其主要影响因素是掉砂和气 孔缺陷 并有针对性地对其采取相应措施进行控制 取得了一定的效果 铸造过程计算机数值模拟仿真技术已成为当今材料成形加工领域的学科 前沿 如何利用计算机凝固模拟技术来提高铸件质量昵 本文选择云内动力t 三 产的4 l o o q b 柴油机的缸体 离合器壳体铸件 采用其现行的生产工艺和铸造 工艺 利用其三维模型 对其进行了凝固过程温度场数值模拟计算 将计算结 果与现行生产结果进行了对比 二者基本吻合 这也同时验证了现行生产t 艺 和铸造 艺是比较成熟的 本文所讨论的内容 对应用计算机模拟铸件凝固过程中的温度场 预测铸 件在凝固过程中的缩松缩孔及热裂倾向 提供了一定的理论基础 对企业如何 利用计算机凝固模拟技术来改进和优化铸造工艺 提高铸件产品质量 缩短新 产品试制周期 降低生产成本 提高企业经济效益具有一 定的现实意义和理 论指导意义 关键词 铸造工艺内燃机铸件质量分析数值模拟温度场 垦竖型d 三盔兰塑主篓垡堡苎 堑 矍 a b s t r a c t t h e p r e s e n ta r t i c l es t a t e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no f s t u d yo nn u m e r i ce m u l a t i n g t e c h n o l o g yf o rf o u n d r yp r o c e s sb yc o m p u t e rb o t hh e r ea n da b o a r d p o i n t e do u tt h e m i s sd i s t a n c eo ft h es t u d y0 nt h i sa s p e c tb e t w e e nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e sa n d a n a l y z e dt h ef o u n d a t i o n p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j c o t o nt h eb a s i so ft e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i ce m u l a t i n ga n dc o m b i n i n gw i t h d y n a m i cd i v i d i n gt e c h n o l o g yo fm e l t i n gp o o li s o l a t e dr e g i o n t h i sa r t i c l eu s e d g 4 rm e t h o dt op r e d i c tp o s s i b l es h r i n k a g e sa n dd i s p e r s e ds h r i n k a g e st h a tm a y a p p e a ri ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h i sa r t i c l eg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h em a n u f a c t u r ee q u i p m e n ta n d f o u n d r yt e c h n o l o g yo f 4 1t o o q sd i e s e l so f y u n n e i d o n g l i a n a l y z e dt h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ec y l i n d e rc a s t i n gq u a l i t yt h r o u g hs t a t i s t i cm e t h o da c c o r d i n gt o r e j e c t i o nr a t i od a t ao fc y l i n d e rb o d ya c q u i r e df r o mt h ep r o d u c t i o no fp a s ts e v e r a l y e a r s p o i n t e do u tt h a tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r es a n dd r o p p i n ga n db l e b sa n d t o o kc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oc o n t r 0 1t h e mr e s p e c t i v e l ya n dg o ts o m eg o o d r e s u l t s c o m p u t e rn u m e r i ce m u l a t i n gt e c h n o l o g yf o rf o u n d r yp r o c e s sh a sb e e n r e c o g n i z e da ss u b j e c tv a n g u a r di nt h em a t e r i a lf o r m i n gf i e l dn o w a d a y s h o wt ou s e t h i st e c h n o t o g yt oi m p r o v ec a s t i n gq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sa r t i c l ec h o s et h ec y l i n d e rb o d yc a s t sa n dc l u t c hh o u s i n gc a s t sa ss t u d yo b j e c t s a d o p t e dt h e i rc u r r e n tp r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n df o u n d r yt e c h n o l o g y c a l c u l a t e d t h e i rt e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h e nw ec o m p a r e dt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t st ot h ec u r r e n tp r o d u c i n gr e s u l t sa n df o u n dt h e yw e r ea l m o s tt h e s a m e t h i sa l s ov e r i f i e dt h a tt h ec u r r e n tp r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n df o u n d r y t e c h n o l o g ya r em a t u r e t h ec o n t e n t sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l es u p p l i e ds o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rh o w t op r e d i c tt h et r e n do fs h r i n k a g ep o r o s i t y s h r i n kh o l ea n dh e a tc r a c k i n go fc a s t s d u r i n gs o l i d i f i c a t i o nb yu s i n gc o m p u t e rt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n g 昆叫理1 二入学 0 j 一学位论文 招j鲤 c a s t ss o l i d i f i c a t i o n a n dc o u l db eu s e da st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e f e r e n c e1 0 r e n t e r p r i s e st og e tas o l u t i o n f o rh o wt oa d o p tc o m p u t e rs o l i d i f i c a t i o ne m u l a t i n g t e c h n o l o g yt oi m p r o v ea n do p t i m i z ef o u n d r yt e c h n o l o g y i m p r o v e c a s tq u a l i t y s h o r t e nt r i a l p r o d u c i n gp e r i o do fn e wp r o d u c t s r e d u c ep r o d u c ec o s ta n di m p r o v e e n t e r p r i s e s e c o n o m i cb e n e f i c i a lr e s u l t s k e y w o r d f o u n d r yt e c h n i q u e n u m e r i ce m u l a t i n g d i e s e lc a s t i n g q u a l i t ya n a l y s e s t e m p e r a t u r ef i e l d 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所皇交麴掌位论文 是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果 獠囊中e 经注晓引阑的内譬外 本论文不合 任何其他个人或集体己经蔑豢躐撰写过酶研究成果 对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体 构巴在论文中作了明确韵说明并表示了谢 意 本声明的法律鳝果由本人承担 学位论文作者签名 j 簪衫击 日期 2 0 0 4 年1 1 月1 0 臼 r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅 学校可以公布 论文的全部或部分内容 可以采用影印或其他复制手段保存论文 保密论文在懈密后应遵守 导师签名 受送煎t 论文作者签名 罐彩毛 日期 2 0 0 4 年1 1 月1 0 日 昆 i j 埋1 大学硕卜学位论文 第 壮绱渺 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业 具有数千年的历史 无论过去还是 现在 无论发达国家还是发展中国家 铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用 据有关资料统计 铸件 按重量计 在机床 内燃机 重型机器中占7 0 9 0 农业机 械中占4 0 7 0 此外 在冶金工业 能源工业的水电站 火电站与核电站 航空 航 天等产业部门都发挥着重要作用 3 2 3 6 3 8 1 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展 但我国铸造行业的 技术水平与国外相比有较大差距 它严熏制约着我国国民经济的发展 我国铸件年产量已 超过1 0 0 0 万吨 居世界第二 但其中高性能 优质铸件的比例只占2 0 7 丽美国已占 4 0 7 1 9 9 8 年统计 精密铸件比例只占2 而美国已占1 3 1 9 9 4 年统计 又如 服务予航空 航天工业的精密熔模铸造业 全世爨销售额为5 2 3 亿美元 其中美国为2 4 8 亿奖元 占4 7 4 而中国仅1 8 亿美元 只占3 4 另外 我国铸件蓖量平均比国外重 1 0 2 0 劳动生产率低5 8 倍 而能耗高2 倍 再以汽车发动机缸体铸件为例 我豳 生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5 5 6 o m m 而国外只有3 5 4 5 m m 我国的轿车生产 已有十多年历史 但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域 是改造传统铸造产 业的重要途径 经历了数十年的努力 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程 实用化阶段 铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导 铸件充型凝固过程的数值模拟 可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小 部位和发生的时间 予以有效的预测 在浇注前采取对策以确保铸件的质量 缩短试制岗期 降低生产成本 计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实 昆明理工大学矾士学位论文 第 章绪论 1 2 用计算机技术改造传统铸造行业 1 2 1 铸造过程计算祝数僚模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展 计算机在铸造中的应用越来越广泛 6 0 年代初 j j 麦 的f o r s u n d 把d u s i n b e r r e 等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过 程的传热计算 开始了铸件凝固的过程模拟 此后 美国m i c h i g a n 大学的m a n o n e 等人 以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟 并取得了显著的进步 在第5 0 届国际 铸造年会举办的 凝固过程计算机模拟 专题讨论会上 深入讨论了铸件凝国过程数值模拟 在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用 总结了凝固过程模拟所依据的 系列关系 式 并设想利用这些关系式将几何模数 凝固参数 合金性能及微观组织参数等有机地联 系起来 并提出了铸造工艺c a d 的概念 我国从1 9 7 8 年开始开展铸件凝固数值模拟研 究 十多年来的研究已形成了我国凝固模拟技术研究的特色 铸件凝固数值模拟技术发展至今可分为3 个阶段 a 基础研究阶段 着重于计算模 拟 b 预测研究阶段 对拟定好的工艺方案进行检查 以预测质量 并通过模拟浇注柬 修改方案 c 优化工艺设计 包括计算模拟 几何模拟及数据库 并使之有机结合起来 有时把这3 个阶段综合称为铸造工艺c a d 有时又特指为第三阶段 目前就国外而言 铸造工艺c a d 正处在第三阶段 因此 在实际研究中铸造工艺c a d 应包括4 个部分 即 凝固过程数值模拟 热场模拟 充型过程数值模拟 流场模拟 热应力及残余热应 力数值模拟 力场模拟 和微观模拟 组织模拟 i 2 i 1 铸件充耍 过程数值模拟 3 铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却 进而得到铸 件 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段 许多铸造缺陷如卷气 夹浚 浇不足 冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的 因此对充型过程进行数值模拟非常必要 目前研究多数以s o l a v o f s o l u t i o n a l g o r i t h m 法为基础 引入体积函数 v o i u m eo f f u n c t i o n 处理自由表面 并在传热计算和流量修正等方断进行研究改进 有l 勺研究在对 层流模型进行大量的实验验证之后 用k e 双方程模型模拟铸件充型过程的紊流现缘 目前 虽然已研究了许多算法 如并行算法 三维有限单元法 三维有限差分法 数值算法与解析方法混合的算法等 但是到现在仍然没有找到最好的算法 各神算法务有 昆刚j 理1 入学硕士学位论文第犟绪论 优劣 应用的侧重点各不相同 在提高计算速度方面 j d 2 h u 等曾提出了 种基于d f d m 的算法 对于规模为一百万单元 铸侔单元3 0 0 0 0 0 豹系统可减少存储鼙8 0 m b 常用的网格是矩形单元 2 d 或酝交的平行六面体单元 3 d 不过日本的i o h n a k a 等人提出了一种新的网格划分方法 即无结构非正交网格 这种技术是通向较高精度充型 模拟的可能途径之一 目前砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模揪中占主胃地位 然而消失模铸 造 金属型铸造等充型模拟的研究工作也已经开始 当前关予充型的一个旋展趋势是辅助 设计浇注系统 因为模拟的最终目的就是为了辅助设计 r m c d a v i d 和j d a n t z i g 在这方 面进行了尝试 并取得了一定的成果 1 2 1 2 缩松缩孔预测的数傣模拟 1 州6 1 3 蜘m 1 金属凝固是一个非常复杂的物理化学过程 是由包括热量传输 动量传输 质耋传 输及相变等一系列过程耦合而来的 铸件凝固过程数值模拟是铸造c a d c a e 的核 b 内容 其最终目的是优化工艺设计 实现铸件质量预测 其中 在温度场模拟的基础上进行缩孔 缩松的预测是其中的 项重要内容 铸件缩孔 缩松形成的模拟预测是控制铸件内部质量的重要手段之一 也是铸件充 型凝固过程数值模拟软件的主要功能之一 目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多 种判据用于铸件缩孑l 缩松预测 但是 目前大多数判据均是用于铸钢件或不含石墨的铸 造合金时比较有效 由于含石墨铸铁在凝固时要析出体积较大的石墨 因此铸铁在凝固时 的体积变化较铸镪等复杂得多 必须采用专用笋4 据 铸钢传缩孔 缩松预测判据经过多年的发展 从最初的定性的温度场热节法 发鼹 刘后来的e n i y a m a 提出的g r 法 再到后面的各种定量预测方法 无论是从预测精度 还是使用范围来看 均达到了较高的水平 可以有效地预测铸件中的缩孔 缩松 为优化 铸造 艺 降低铸件陵品率提供了可靠的保证 而铸铁件 特别是球墨铸铁件缩孔 缩松的预测一直缺乏可靠有效的判掘 1 9 9 4 年 李襄荣等在大量试验的基础上提出了 种定量预测球墨铸铁件缩孔 缩松的判撮 该判掘 考虑了化学成份 铸型钢度等的影响 随后 李文珍等基于球墨铸铁微观模拟模型提出了 球疆铸铁件缩孔 缩松定量预测判据 国外也有一些研究工作者提出了定量计算球墨铸铁 件凝围过程中体积变化的模型 目前 球墨铸铁缩孔 缩松颈测方法已部分投入实用化 8 昆l l j 理工大学硕士学位论文 掉一章绪论 1 2 1 3 应力场数值模拟 6 1 3 州 3 铸造过程应力场的模拟计算能够帮助铸造工作者预测和分析铸件裂纹 变形及残余应 力 为控锖4 应力应变造成的缺陷 优化铸造工艺 提高铸件尺寸精度及稳定性提供科学依 据 国外有关铸件应力分析及变形模拟研究的主要特点是 1 多数采用热一力耦合的模 型来模拟铸件凝固过程中的物理过程变化现象 包括传熟 传质 应力及缺陷形成等 许 多研究是先预测铸件中的应力及砂型和铸件的气隙 并由此计算界面热阻 反过来再进行 热分析 还有一些研究是把热分析 流体流动和应力分析等结合起来 同时进行模拟充型 过程 预测变形 预测缩孔 预测热裂及应力分析和残余应力的计算 2 应力分析采用 的模型有热弹塑性模型 热弹粘塑性模型 热弹性模型及弹性 理想塑性模型等 这些模 型都属于热弹粘塑性的范畴 采用的模拟方法多为有限元法 也有人采用有限体积法 控 制有限体积有限差分法等 关于熟一力耦合分析的许多研究都采用商品化的软件包如 a b a q u s c a s t s a n s y s 及p h y s i c a 等 关于应力分析中边界条件的改进 由 卜砂 型与铸件之间力的相互作用 而且砂型并非刚性 因此多采用接触单元算法 在国内 大连理工大学及清华大学均进行了这方面的研究 在对铸造应力进行模拟 分析时 由于应力变形做功引起的热效应同温度变化和凝固潜热释放的热效应相比可忽略 不计 故一般铸造过程的热分析和应力分析可单独进行 只需将温度变化的数据转化为温 度载荷加入应力分析中即可 应力场数值模拟虽然取得了一定的进展 但撼体还处于初步研究阶段 离实际应用 还有一定距离 1 2 1 4 铸件的微观组织数值模拟 7 伸6 m 7 3 州 微观模拟是一个较新的研究领域 通过计算机模拟来预测铸件微观组织形成 进而 预测铸件的力学性能和工艺性能 最终控制铸件的质量 微观模拟虽然是个较新的领域 但已取得了显著的进展 现在已能够模拟技晶生长 共晶生长 柱状晶与等轴晶转变等台 金微观组织变化 微观组织形成的模拟可分为三个层次 毫米 微米或纳米量级 宏观量 如温度 速度 变形等 可以利用相应的方法计算 通常采用有限元法或有限差分法求解 而在微观范围内 则采用解析的方法来分析枝晶端部 拭晶薄层或球粒的动力学生氏 近 年来 随机方法如m o n t e c a r l o 法或c e l l u l a r a u t o m a t o n 法已被用于晶粒组织形成及生长的 9 昆i j 理工 k 学硕士学位论文第一窜绪论 模拟中 这些技术综合考虑了非均质形核 生长动力学 优先生长方向和晶粒间的碰撞 最近 r a p p a z 等人对凝固过程中的枝晶组织模拟进行了回顾 评述了随机论方法 s t o c h a s t i c 和决定论方法 d e t e r m i n s t i c 的发展状况 虽然二者都可以预测柱状晶和 等轴晶组织 但相比较而言 决定论模型已经可以把凝固过程中所涉及到的物质守恒方程 与晶粒形核和长大的微观模型耦合起来 而随机论方法贝 1 只能将能量方程与形核和生长结 合起来 决定论方法无疑更接近于实际凝固过程韵物理机制 特别是它考虑了宏观偏柝和 固态传输 随机论方法则更适合于描述桂状晶粒组织的形成 如结晶选则 组织形成等 及柱状晶和等轴晶的相互转变 不少学者对三维c e l l u l a ra u t o m a t o n 有限元模型 c a f e 模拟的原理及应用作了阐述 f e 方法用来计算三维铸传的温度场 c a 形核和生长算法则 用来预测晶粒组织的形成 者的耦含 则可以对枝晶生长动力学及潜热释放进行模拟 三维c a f e 模型可以模拟定向凝固叶片精密铸造过程中柱状晶的竞争生长 晶粒在过冷 液体中的延伸及多晶生长 相场方法 p h a s ef i e l dm e t h o d 的研究是进行直接微观组织模拟的研究热点 相场 理论通过微分方程反映了扩散 有序化势及热力学驱动力的综合作用 相场方程的解可以 描述盘属系统中固液赛面的形态 曲率以及界面的移动 把相场方程与温度场 溶质场 流速场及其它外部场耦合 则可对金属液的凝固过程进行真实的模拟 已有的工作包括 而对于纯金属或共晶合金等在一定温度下凝固的金属 则采用所谓的温度补偿法来 模拟潜热的释放过程 纯金属或共晶合金在凝固开始后的一段时间内 圆相不断增多 但 温度基本保持在熔点附近 这是由于释放潜热补偿了热传导带走的热量 亦即补偿了由传 热所引起的温度下降 由予热量的多少常可以单元体的温度或其变化来表示 因此可以将 这部分热量折算成所能补偿的温度降落 加入到温度讨 算中去 这即是温度回升法或温度 补偿法 体积为a v 的液态金属在凝固时所释放的潜热为 a q o l a o 一 2 3 1 这部分热量用于提商其自身温度 贝l j 升温 t a u 2 2 由此可以得到 a t z 沼3 3 也就是说 对于体积为 v 的金属单元体 在凝固阶段可供补偿的温度为 1 在具 2 4 昆明理工大学碗士学位论文销二慧 一般铸件凝闺过程温度场模拟 体计算中 温度的卒b 偿可以用固相百分率的增加来监测计算过程 每次计算使温度仍嘲s t 一 到熔点 同时记录累积的 f 当 f s 1 时 说明计算结束 亦即潜热释放完毕 这 种比用 t 来i f 测计算过程的方法物理意义更加明确 也易于与数值计算过程结合 2 5 2 潜热释放模式的确定 潜热处理方法只是针对数值计算的要求丽采用的具体计算方法 从彩响铸件内部的 温度分布及凝固模式来说 更具实质性的乃是在模拟计算中采用何种潜热释放模式 前面已经说过 处理潜热释放的关键在于确定固相百分率 与温度的关系 为便j 二 比较 以数值计算中常见的四种模式作为对象来考察 它们分别是 1 假设在液相线温度t l 和固相线温度t 之间潜热里线性释放 则 f s t l 彤t 虬墨t 1 2 3 4 2 假设在t 1 和k 之间 厂 与温度呈二次线性关系 3 假设凝固过程进行缓慢 以至可以认为在闽液相之间始终处于平衡 这样即可 按相图所示并利用杠杆定律来确定厂 一一7 关系 4 假设 与t 的关系服从s c h e l l 定律 即在凝固过程中固相内没有扩散而液相 则是完全均匀的 无论何种模式 对某种合金而言 潜热的总量是相同的 区别仅在于释放的速度不 同而已 对凝固温度区间大的合金来说 不同的潜热释放模式所导致的温度分布电有较大 差异 模式 3 4 所得的温度较高 而模式 2 得到的较低 而这种差异主要表现 在糊状区内 一旦凝固结束 彼此间的差异将迅速减小 而对于凝固温度区问较小的合金 来说 则不同的模式导致的结果彼此差异不大 昆明理工大学硕士学位论史第三章一般铸件凝嘲缩桧缩礼及热裂模拟 第三章一般铸件凝固缩松缩孔及热裂模拟 3 1 一般铸件凝固缩松缩孔数值模拟 铸件凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸造工艺的优化设计问题 实现铸件质量 预测和控制 其中缩松缩孔预测是一个重要内容 在温度场计算的基础上进行缩松缩孔的 数值模拟 然后改进不合理的工艺 提出新工艺 再进行计算 多次反复直至获得最优工 艺 以控制铸件的内部质量 文献 3 2 中提出了一种预测一般铸件缩松缩孔的三维定量模 拟法 采用等效液面收缩法来预测一次 二次缩孔的形成 用g r 法来预测缩松的形成 e 7 2 2 jc 2 7 3 2 4 43c 4 5 4 6 3e 5 6 3 5 s s 9 6 0 6 1 6 33c 6 4 6 5 陆 3 1 1 缩孔的分类及产生机理 铸件在凝固过程中 由于合金的体积收缩 往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞称 为缩孔 容积大而集中的孔洞称为集中缩孔 简称缩孔 细小雨分散的孔洞成为分散性孔 洞 简称缩松 缩孔不同于铸件内部产生的气泡状缺骼 气孔 但在很多场台下难以严 格区分 实际生产中 根据缩孔的形状和发生部位 把缩孔分为两种 即由于金属液面f 降而形成的管筒形缩孔 亦称一次缩孔 在一次缩孔下部产生的为二次缩孔 在壁厚中心 部位产生的集中缩松 亦称宏观缩松 分散产生的树枝状晶体之附的显微缩松 一一般也 把产生于铸件表面 能直接观察到的缩孔称为明缩孔 一次缩孔及外缩孔 产生于铸件 内部的缩孔称为暗缩孔 二次缩孔 缩松及显微缩松 总之 缩孔是会属液面f 产生的 空隙或者是铸件内部产生的空隙 在这些空隙中存在着 二氧化碳 空气等气体 因此 这 样的缺陷实际上是气孔的一种 其主要形成原因是缩孔是由于体积收缩引起的 气孔是液 体中的气体引起的 下面简要介绍一下缩孔的形成机理 1 液体会属的流动和压力下降 铸件冷却凝固时的液态收缩 凝固收缩 固态收缩 铸型的变形等引起了型腔中液 体金属的移动 使液体金属液面下降 这个液丽下降是形成一次缩孔的主要原因 液体金褥的流动会引起压力的下降 特别是凝圃过程中处于圜液两相共存状态列 2 6 昆明理工大学碳 学位论文 第 章 一般铸件凝同铺松鳓乱发热裂楼拟 压力下降更大 这是暗缩孔和明缩孔产生的原因 固液共存状态的流动可以分为只有液相流动和固液两相均进行流动两种情况 只有 液相的流动可看成是液体在多孔的透气物体内流动 这种情况可以用d a r c y 定律来描述 甜 一罢 p p l g 3 1 jo 式中 u 液态金祸的动力粘度 p 三维空间中的压力梯度 p 体积液相率 g 重力加速度 k 渗透率 k r f i 它取决于树枝晶体空隙的大小 其中y 为与树枝晶体空隙和结构有关的常数 对式 3 1 进行积分 假定其余项为定值 并忽略重力的影响 则在x 方向一e 因 流动产生的压力损失为 a p 盟 缸 3 2 k 或 扯等等妇 渤 式中 f 体积固相率 由式 3 3 可知 如果嗣相率减小 相同流速n 卜 的压力损失会急剧增加 当固相率 达到某个定值以上 流动的压力降到足够小时 液相的流动会变得非常困难 此时由于合 金的体积收缩而得有到金属液的补充而形成缩孔缺陷 把流动发生困难时的这个圃相率称 为临界流动围相率 简称临界固相率 用 表示 对于以等轴晶体凝固的合金 在凝固初期 不仅存在着液相的流动 而且还同时伴 随着等轴晶体固相的一起流动 此时由于流体的粘滞性 对围液两相均避行流动姻情况 就不宜采有d u r c y 定律 而应根据考虑了流路摩擦损失的b e m u l i e 方程束处理 为此假定 固液共存区中合金的表观粘度为虬 根据h a g e n p o i s e u i l l e 公式 流路商径为d 的层流流 动的压力损失 p 为 a p 3 2 钐2 挑 3 4 昆i 弱理1 大学硕土 学位论文第兰章 一般铸件凝同缩松缩孔及热裂模拟 由式 3 4 知 在流路直径d 和流速u 一定的条件下 表观牯度越大 压力损失也 越大 当固相率达到某一临界值以上时 厂 兰 表观粘度会急剧变大 压力损失将 急剧减小 在铸件中将产生缩孔缺陷 2 溶质成分的浓化和反应 随着温度下降 液体中的气体溶解度也相应下降 因此气体成分向溶解度比较大的 高温一侧扩散 移动 同样像铁碳台金中碳 硫等那些溶质分配系数小于1 的元素也将向 液相一侧排出 此时若液体中溶解气体 h 2 等气体 或反应气体 如 2 0 等 的平衡压 力大于生成气泡的临界压力时 则气泡生成 气泡不能排出 形成缩孔 3 气泡的生成和长大 缩松和显微缩松不少是由于溶解气体和反应气体生成的气泡形成的 气泡的生成和 液态金属的结晶一样 首先必须形成气泡核 气泡核的形成也有均质形核和异质形核 除 了气体的压力较小 几乎可以认为气泡核和晶核的生成机理相同 液体会属的压力p 如果 低于某一临界匪力 即p p 气泡就会发生 也就是 p p p g k 一 p 3 5 p p 6 2c 幺一p 3 6 ie 式中 p 作用于金属液面上的压力 p g k 液体金属的压力 a p 由式 3 2 3 3 3 4 求得的流动压力损失 p j 气体分压力 2 半径为1 7 的气泡核所受液体金属的表面张力 引起的压 j 日 力 p 生成气泡所需要的过饱和平衡压力 气泡一旦生成 过饱和气体成分就以扩散方式向气泡内移动 而使气泡长大 如果 压力的降低比气体成分扩散快 则就会生成其它新的气泡 一般说 气泡浓度越小 冷却 速度越慢 生成气泡的数量越少丽尺寸越大 气泡的长大不仅受扩散的影响 也受固褐率 的影响 凝固初期 固相率小时 生成的气泡能够长得较大 而凝固术期固相率大时 树 枝状晶体之间生成的气泡就不可能长大 另外 气泡是否由于浮力而能够上升和周围相率 昆明理工大学硕士学位论文第三章 一般铸件凝捌缩松缩扎披热裂犊拟 的不同而不同 综上所述 生成缩孔的原因 除了液体金属液面下降的原因外 凝固收缩引起的压 力下降使得过饱和气体生成了气泡 也是缩孔形成的原因 临界固相率厂 在缩孔形成中 具有重要意义 但是要精确测定歹二的值目前仍很困难e 3 1 2 一般铸件缩松缩孔兰维定爨数值模拟 金属凝固时 液灏相线之间的体积收缩即凝固收缩是形成缩孔及缩松的主要原因 当补缩通道畅通 树枝状晶体没有形成骨架时 体积收缩表现为集中缩孔 一次或二次 且位于铸件可流动单元的上部 而当树枝状晶体形成骨架时 宏观补缩通道被堵塞 这时 被树枝状晶体分割包围的液体部分其体积收缩裘现为缩松 树枝状晶体范围内 液态收 缩和固态收缩对缩孔缩松的形成影晌不大 特别是固态收缩 铸件在实际凝固过程中 当金属从液态变为固态对 原子阐距要大大减小 在宏观 方面表现为体积要减小即发生收缩 当铸件发生收缩肘 剩余可流动液体将对收缩部分进 行自动朴缩 这时在重力作用下 液体将自动由顶向下流动 进行补缩 即表现为宏观的 液面降低 因此我们假定冒口或铸件最高部位液面下降量等于铸件 包括冒口本身 的收 缩量 这种假设称为等效液面收缩量法或称等效液面 f 降法 e q u i v a l e n tl i q u i ds u r f a c e d e s c e n d i n gm e t h o d 简写成e l s d m 冒口或铸件中的金属液面下降后 原来充满会渴 液的部分将变为一个空腔 充满空气 这个空腔即为冒口部位的缩孔 一次缩孔 若铸 件的一一次缩孔下部出现与一次缩孔不相连通的 二次缩孔 则该缩孔由于常常被 t 2 和c 0 2 充满又叫做气孔 这时铸件已经凝固或正在凝固的单元与缩孔单元之间的热交换将由原来 铸件自身单元之间变为铸件和大气 或其它气体 单元之间 铸件和缩孔边界单元 以及 气体与气体单元之间 缩孔内部单元 即传热性质发生了变化 这时需要重新设置边界 条件 原来是铸件自身单元之间传热 现在变为铸件和气体边界单元以及大气单元之间的 换热 这是由于收缩引起的传热方面的变化 对于大型铸件 由于收缩量往往很大 需要 进行多次浇注即需要补浇 但每次补浇应在何时进行 补浇量是多少 这些因素如果能事 先确定对于浇注工艺的优化是非常重要的 这就要求在数值模拟的过程中能随时计算缩孔 体积及补浇量并能很方便的输出结果 补浇量 缩孔体积 金属液密度 随着凝固的进行 单元固相百分数不断增加 液棚百分数不断减小 当单虎吲干冀率 2 9 昆蜗理1 一大学硕j 学位论文第三章 般铸件凝瑚缔描缩乳艘热裂模拟 达到或大于临界流动固相率时 该单元成为不可流动单元 因而就不能参与宏观补缩 因 此每进 亍一次计算都应该判断哪些是可流动单元 哪些单元是不可流动单元 然后自顶向 下减去流动单元 使流动单元减少的数薰等于缩张单元增加的数量 单元的坐标则反映了 缩孔的位置 当树枝状晶体凝固形成骨架时 被树枝状晶体包围的体积收缩将形成缩松 对于缩 松出现的部位的判断的方法有等温曲线法 温度梯度法 流导法 固相率梯度法 p 值法 时间梯度法 乡么法 压力梯度法 补缩距离法 收缩势法 直接模拟法等 此处用新 山荚辅提出的吵府判据进行判断 当单元的 厢值小于莱一临界值时 该单元便是可 v j 能出现缩松的单元 所有可能出现缩松的单元的集会就表示了缩松的分布范围 但是 形 压值的大小与单元尺寸的大小有关 当网格划分过大时 有时 j 誓席的值即使小于 抵 q k 临界值 该单元也不会出现缩松 但这时缩松形成单元的哕斥一定小于临界值 k 综上所述 用三维数值模拟定量预测一般铸件的缩孔和缩松 需要经过以下几个步 骤 温度场计算 潜热的处理 收缩量计算 缩弧形成计算 边界条件的重新设罱 缩松 形成判定 结果显示 其具体步骤论述如下 l 收缩量的计算总的收缩薰由单元收缩量之和组成 从时刻t 到t 十 t 之间 单 元i 的固态收缩量 y 用公式 3 7 计算 从时刻t 到t t 之间的总收缩爨用公式 3 8 计算 y 届a 函舭 3 7 y 矿 矿 3 8 l j l 式中 口 凝固收缩率 n 单元总数 单元i 固相率 幽 咖 d z 剖分单元在x y z 方向上的剖分步长 a 单元i 的液态收缩量 2 缩孔形成的计算由于缩孔形成是连续的 要求在计算过程中随日寸判断铸件总 的收缩量是否大于单元体积 若大于单元体积 则随时从冒口中或铸件最高部位的可流动 昆明理工大学硕士学位论文第三章 一般铸件糍醐孵松端孔艘热裂模拟 单元中减去收缩量 因为单元是离散的 所以每次只能减去一个单元 反复减 直至总收 缩量小于一个单元的体积再进行下一个单元的计算 在从冒口或铸件中减去收缩量时 首 先需要判断被减单元的固相率的大小 只有当单元的圆相率小于临界流动固相率厂 时 该单元才可能流动进行补缩 缩孔形成后 缩孔和铸件单元将由不同的物质组成 这时将 不断的有背后的边界层形成 传热特性及温度场都将发生变化 并将影响以后的计算 为 此必须不断对新的边界层随时进行设定 即重新设定边赛条件 3 边界条件的重新设定 在温度场的计冀程序中一般说来可以编写 个子程序用 于设置初始条件 因此对于冒口中被减去的单元即为缩孔单元 只需将其单元分类号羲新 设置 然后再执行该子程序即可对新的边界进行重新设置 边界重新设置后 铸件的温度 场将发生变化 这种变化在实际的凝固过程中将影响缩孔的形状和分布 即加强或减弱缩 孔周围单元的散热条件 4 缩松形成的预测 用 酝法进行缩松形成的预测 此方法由日本的新山英辅 提出 其大致推导过程如下 根据模数和凝固时间的关系可得 尚 3 9 式中 凝固时间 v 被计算铸件某部分的体积 a 被计算铸件某部分的散热面积 由此可以得出 f ro c 矿 3 l o 另一方面 由凝固收缩引起的流动速度1 1 为 邓 3 1 1 由式 3 1 0 和式 3 1 1 可得 舭托 3 d 因为冷却速度r 夕0 则有 c 瓦 从而有 c 咒 3 1 3 又因为金属液在枝晶间的流动属于多孔介质问的流动 符合达尔西公式 则确 3 l 昆明理 j 大学颂t 学位论文第三章一股铸件凝瑚缩挫缩f l 发热裂模拟 c 所以有 o c 3 1 4 由式 3 1 4 可知 g 仨越小 p 越大 金属液流动所需的压力差就越大 说明金 吖直 属液流动的阻力就越太 对金属的补缩越困难 则容易形成缩松 如果取菜一褊界值 为 常数 使9 猛s k 为产生缩松的糊据 这就是乡惫法的由来一但是 巧百法一般仅用于 二维问题 将乡缸判据用于三维拟 对于三维温度场来说 需计算每 个节点相邻2 6 个单元的g r 值 取9 锰值最大者代表棱晶闫补缩艟力 当单元的 巧瓦值 j 于临界值 时 出现缩松 否则不出现 但是 从上面方法的技术路线可以看到 该方法考虑到了由于补缩造成的传热边界 的变化 但却没有考虑到补缩行为只限于孤立熔池中 而认为所有的补缩行为均来自于铸 件最高处的可流动单元 显然 这种处理方法存在很大的局限性 该方法缩孔的预测把凝 固过程中全部收缩量所需的补绩均归结于铸件最高流动单元 而不考虑是否存在朴缩通 道 往往会带来较大偏差 另一方面 在一定程度上存在着缩孔位置被预测成为缩松的隐 患 针对上述问题 清华大学的贾宝仟以及山东大学田学雷提出了凝固过程中动态补缩域 的技术 可以较好的预测凝固过程中同时出现的任意位置多个孤立补缩域的缩孔缩松 解 决了凝固过程数值模拟常出现的位置较低的侧暗冒口或铸件中可能出现的缩孔不能被诋 确预测的技术难题 3 1 3 一般铸件凝固过程中熔池孤立域动态划分 l 熔池孤立域的划分 所谓的熔池孤立域就是在铸件的凝固过程中 因为凝固顺序的a i 同 铸件内部出现 多个热节 这些热节彼此之间被已经凝固的部位隔开 不能相互补缩 而每个热节内部均 存在着可流动的金属液体 这些热节被称为孤立熔池域 在铸件的凝固过程中 动态的区 分熔池的分布情况 进行收缩量 补缩量 被补缩量等收缩补缩计算时 对各个孤立熔池 域均进行独立计算 而不允许跨越区域范围进行补缩 这就是孤立熔池送域动态补缩的思 想核心 采用此项技术可以有效豹减小铸件缩孔形成对在预测多热节铸 牛时产t 扛的误差 从而提高预测缩孔缩松位置和形状的准确性 j 2 昆明理工大学硕士学位论文第三章 般铸件凝j 捌缩松缩孔及热裂模拟 孤立熔池域的动态划分简要介绍如下 算法是要方便而快速地动态判定某一补缩域 在铸件的凝固模拟中将可流动单元称 为液态单元 这些单元的固相率小于临界固相率 所以临界固相率是判断某个单元是液念 还是固态的一个重要依据 在已知哪些铸件单元是液态单元之后 就要判断哪些液态椎元 属于同一个熔池 即熔池的区分 熔池的区分以凝固过程热传导计算公式的有限差分格式 为基础 而有限差分的计算对象是直角六面体 中间单元是分析对象 其它单元为此单元 的前 后 左 右 上 下相邻的六个单元 熔池孤立域的划分思想如下 1 假设除未完全凝固的铸件单元外 其它单元均为绝热单元 2 虚拟传热计算之前 假设铸件各单元的温度均为零度 这样如果能找到一 个未完全凝固的铸件单元 给该单元赋一个非零假想温度值 然后从该单元开始通过传热 计算继续在该单元的六个相邻单元中寻找新的液态单元 如此反复寻找 最终将找到与该 单元相连的所有液态单元 则这些单元属于同一个熔池孤立域 在寻找竞熔池的所有单元 后 将这个熔池中的所有单元做一个标志 表示它们属于同一个熔池 然后 继续寻找未被做标志酶液态单元 即另一个熔池的单元 找到后 从此液态 单元开始寻找与它相连的所有液态单元并做另一个熔池的标志 如此反复寻找 可以找到 所有属于不同熔池的液态单元 也就完成了对不同盼熔池的划分 2 熔池孤立域收缩量的计算 每个孤立域的收缩量是该孤立域单元收缩萤之和 t 到t a t 时刻 m 孤立域中单元 i j k 的收缩量为 瞻 胚尼川a x a y a z 一 3 1 5 该孤立域的总收缩量为 a v 7 呻 出 矿 j l 一 3 1 6 其中 孔 m 孤立域 i j k 单元t 到t a t 时刻的凝固分数 由于缩孔的形成是连续的 要求在计算过程中随时判断任一个孤立域的总收缩量是 否大于单元体积 d x d y d z 的大小 如果大于单元体积 从该孤立域的可流动单元中减去 收缩量 由于单元是连续的 同样应该每次只能减去一个单元 反复核减 赢至该孤立域 的总收缩量小于一个单元的体积 对于减去的流动单元 形成缩孔单元 同样需要进行 边界的重新设置 边界更新设置后 铸件的温度场将发生变化 昆州理r 火学碗j 学位论史第兰章 一般铸件凝 翅缩松蛳孔驶热裂模拟 3 2 般铸件凝固过程热裂数值模拟 热裂是铸造生产中的常见缺陷 自从2 0 世纪初铸造工作者就开始研究热裂的形成机 理 广大铸造工作者为研究热裂的桃理 预测 控制和预防这种缺陷作了很大的努力 研 究表明 这是一个影噙因素众多 机理复杂 涉及铸件 铸型系统综合作用的结果 5 0 年代 铸造工作者发现在铸件凝固过程中液圈两相区可以分为无强度的准液相区和肖强度 的准圈相区 热裂发生在准固相区 由于影响热裂的因素多种多样 热裂的机理没有彻底 摘清楚 因此多年来铸件热裂数值模拟与预测闻藤还没有解决 多年来在热裂数值模拟方 面所做的工作分为基于凝固条件与补缩缒力的热裂模拟和基于铸件高温应力应变场的热 裂模拟两部分 随着温度场数值模拟技术的发展 很多磷究