数值模拟技术在铸件质量控制及工艺优化中的应用

1、2008中国铸造活动周论文集数值模拟技术在铸件质量控制及工艺优化中的应用周照耀,曹文炅,李元元(华南理工大学铸造业对国民经济发展起着至关重要的作用。在传统的铸造业中,由于铸件成形过程具有不可见 性,只能对铸件形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的预测和控制。随着计算机技术的高 速发展,应用CAD/CAE/CAM技术来实现优质、高效和低费用产品的方式已被广泛采用。铸造过程数 值模拟技术能够对优化铸造工艺、提高铸件质量、缩短产品试制周期等方面提供极为有效的作用,尤 其是计算机技术的不断发展,使得数值模拟技术处理各种复杂问题成为可能。设计人员通过对铸造过 程的数值模拟,能够不再仅依靠经验和试错

2、的办法进行新产品铸造工艺的设计与改进,从而大大降低 新产品开发的设计周期与费用,为企业带来明显的经济效益。1铸造模拟软件ADSTEFAN介绍 、1.1概述目前国内外已有诸多商业铸造模拟软件,大部分商业铸造软件已能够胜任铸造过程充形模拟、凝 固模拟、微观组织模拟、热应力模拟等。较著名的有日本的ADSTEFAN,德国的MAGMASoft,美国的 Procast、Flow3d等等。ADSTEFAN是由日本日立公司和El本东北大学新山英辅及安斋浩一等教授共同 开发,是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的专业CAE系统,ADSTEFAN利用有限差分技术、 数据库技术和可视化技术,根据传热理论、流体力学

3、以及金属凝固理论等对铸造过程进行仿真,从而 模拟出在铸件充型、凝固和冷却中的流场、温度场、应力场和微观结构,并根据这些物理场预测铸件的 质量、优化铸造设备参数和工艺方案。1.2ADSTEFAN的特点1应用广泛:ADSTEFAN可以模拟各种铸造工艺,包括砂型铸造、重力铸造、金属模铸造、低压/高压铸造、熔模铸造、回转铸造、离心铸造、挤压铸造、半固态铸造和连续铸造等,还可进行热应力模 拟,微观结构模拟等。2图形界面:标准化、结构化的图形界面可以引导用户设置、运行、分析模拟结果以及方便有效 地管理参数数据库,对材料的热物性参数进行表格化管理。根据用户需要提供中文、英文、日文3种不 同版本。3结果分析:

4、后处理模块强大,应用可视化技术对铸件凝固过程进行动态显示,对各种场和矢量 进行查看,对三维模拟结果提供截面查看功能。ADSTEFAN的模拟结果还可以其他分析软件所应用。 4模拟分析能力:ADSTEFAN几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题,如:缩 孔、裂纹:裹气、冲砂;冷隔、浇不足;应力、变形;模具寿命;工艺开发及可重复性。5材料数据库:ADSTEFAN包含了80多种材料数据,容括了铸铁、铸钢、铝、镁、锌、铜等有色金 属,这些材料数据得益于长期的联合研究和工业验证,使得通过工业验证的材料数据库不断地扩充和 更新,而且用户也可以根据实际生产需要自行更新和扩展材料数据。1.3ADSTE

5、FAN的分析模块ADSTEFAN主要由以下几个模块组成:网格生成模块,流动分析模块,凝固分析模块,微观组织散值模拟技术在铸件质量控制厦I艺优化中应用分析模块和应力(铸件和铸模分析模块。1罔格生成模块依据设定的参数自动产生有限差分同格。它可以读人标准的CAD文件格式如￥TL等。周格生成 模块同时拥有其它性能.例如初级CAD工具、高级修复工具等。2流动分析模块流动分析模块可以模拟金属液体充型过程以及气液两相流动的效应。ADSTEFAN以Navier Stoeks流动方程为基础对流伴流动和传热进行耦合计算。3凝固分析模块凝固分析模块可以模拟高温液态金属由液相向固相的转变过程。通过建立铸件凝固过程中传

6、热 的教学模型,进行数值求解,从而得到俦件凝固过程的规律.进而预测铸件缺陷(缩孔、缩橙产生的可 能性及位置。4傲观组织分析模块铸件凝固模拟的目的是对运动的固液界面进行时间和空间上的描述,包括对蒋件完整性(有无 缺陷、微观组织及周相分数的预测。随着铸件凝固模拟的进一步辣人.研究者们开始把目光转向铸件 微观组筝l的模拟研究。常见的两种用于研究微观组织的方法是确定性模拟和随机性模拟。确定性模拟以凝固动力学为基础,符合晶体生长的物理背景,因此无法考虑晶体生长过程中的一 些随机现象,如晶核的随机分布、随机晶向取向及等轴晶向柱状晶的转变等。随机性方法中比较有代表性的是Monte Carlo法和Cellul

7、ar Automaton法。在Monte clo法中引 概率论,对形棱位置的分布与晶粒生长取向进行随机的处理。以形核过程的物理机理和晶体生长动 力学理论为基础,可以得到晶粒的尺寸大小及分布,也可以描述柱状晶的形成及柱状晶向等轴晶的转 变。此模块可用于满足铸铁、俦钢件生产的需要。它能够定性和定量地计算固相转变。通过微观组织 模型计算各相如奥氏体、铁索体、渗炭体和珠光体的成分、多少以及相应的潜热释放。圈1为微观组织模拟示例。a纯铝铸件凝固组蝣倒俯蚀蒋:I%HF东溶液 b凝固鲥纵摸拟示例图i微观组9l模拟5应力(铸件和铸模分析模块铸造过程中,由于不均匀的温度分布导致铸件和模具产生应力和变形。应力模块

8、能够预测铸件在2008中国铸造活动周论文集凝固和冷却过程中的应力场分布和相应的应变和变形,包括铸件、铸型、型芯和冷铁等。采用应力分析 模块可以分析出残余应力、塑性变形、热裂和铸件最终形状等。应力模块可以反映铸件、模具与温度相关的非线性材料特性之间的关系,尤其是弹性模量、热膨 胀系数、泊松比等。2铸造过程数值模拟理论基础铸造过程数值模拟是一个多学科交叉的研究领域,涉及到计算流体力学、传热学、计算机图形学、 统计学、计算方法、偏微分方程以及铸造工艺理论等。数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶 段的场的变化进行准确的计算以获得合理的铸件形成的控制参数,其基本思路是利用有限分析方法 (有限元法、有

9、限差分法等,对充型凝固过程中的流场、温度场、应力应变场等所服从的数学模型进行 数值求解,得出这些物理场所服从的时间、空间变化规律,以此作为判断铸件质量的依据,指导工业实 践。其中铸件的充型凝固过程数值模拟仿真发展已进入工程实用化阶段,下面就该部分的控制方程做 出简要说明。2.1充型过程控制方程采用有限元或有限差分等数值方法求解质量守恒方程(连续性方程和动量守恒方程(Navier Stokes方程,得到金属液速度场和压力场,从而得到流体运动规律。质量守恒方程表明单位时间内流体微元体中质量的增加,等于同一时间间隔内流入该微元体的 净质量。其表达式如下:塑+aCou_2+型+型:0(1 8t 瓠 劫

10、 恕其中p为流体的密度,t为时间,u、v、W为速度矢量在x,y、z三方向的分量。若流体不可压,密度p为常数,(1式变为锄却伽._+_+_=U (2优砂动量守恒方程表明微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之 和。表达形式如下:p百栅瓦w瓦+w瓦。一言+p&+p爵+矿+万饿 m ov oz ox 呶 钟 oz却 加 加 加 知 f21,a2v a21,p瓦枷瓦+v面+w瓦2一毒+p岛+“丽+矿+虿一西 苏 却 昆7咖。叫一缸2却2瑟0w 0w 0w 知0v a2w 02w c32wp瓦枷面w瓦+w西一言+pgz+弘万+萨+万讲 出 卯 韶 也 咖 咖 出(3式中

11、,P为压力,邬gy、昏重力在x,y、Z方向的分量,斗为流体动力学黏度,其余同(1式。2.2凝固过程控制方程凝固过程是由包括热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程耦合而成的。在满足实际 要求的前提下,通常以计算温度场为主,预测缩孔缩松等铸造缺陷。传热过程包括金属与铸型的导热、 液态金属与铸型的对流换热、高温金属的辐射传热三种方式进行。控制方程分别如下。-360-数值横拟技术在铸件质量控制及工艺优化中的应用热传导方程呜鲁=去cx罢,+昙cx雾,+言cx誓,+。 c。, 式中c一为定压比热容,T为温度,x为热导率.O为源项,其余与(1式相同; 对流换热方程:q=(一t式中为对流换热系数,n为

12、流体的特征温度,L为固体边界温度 辐射换热方程:q2800lj“ (5(6式中e为辐射黑度.嘞为SiefenBohzman常数,To为表面的绝对温度。3应用实例分析在压铸生产过程中。液态或半固态的金属在高速、高压下充型,并在高压下迅速凝固,常产生流 痕、气孔、浇不足等铸造缺陷,因此充型过程的流场控制是压铸过程的棱心,对压铸充型过程的正确模 拟与计算,能够为控制流场提供科学有效的方案,从而降低铸件废品率,提高铸件质量及生产效率,并 延长模具使用寿命。压铸模拟与普通砂型铸造模拟侧重点、控制方程处理方式及缺陷判据均有一定区 别。压铸充型在高压高速条件下进行,可以被看作是未充分发展的紊流流动。对于压铸

13、充型模拟,则主 要采用紊流模型进行模拟,以求充型模拟更能接近于实际的情况。31手机底壳高压铸造模拟该产品材质为镁台金AZ91D,设备为150t热室压铸机,浇铸温度为610,模具预热温度为 船0.高速压射速度为3m/s.一模两件。原工艺流道三维图如图2所示,模拟时将压铸件和模具按边 长为03mm的正方体进行网格划分,单元总数约为3000万个,计算时长为35小时。图3为气体卷 人示意图,可以看出,在主横浇道与分支浇道连接处截面积大于主横浇道截面积,因而该址困气现象 较为严重。整个浇注系统体积为零件体积的3倍左右,材料利用率非常低。图4为原工艺充型过程温 度场发展,可以看到金属液汇聚处温度降至较低度

14、数,该处则常有拎隔产生。罔2手机底壳腻T艺二维摸2罔3手机庇壳碌工艺气体卷28中国铸造活动周论文集图4手目嘛壳原I岂温度场根据上述工艺存在的问题,改变铸件流道为锥形,并对流道采取一定的保温措施,同时提高浇注 温度为620。C,高速压射速度为Sm/s。图S为改进工艺后的三维模型,图6为改进工艺后气体卷A情 况.图7为充型过程温度场发展情况。图5手机底壳酲进I艺-if:模型 嘲6手tL嘿壳改进工艺气体卷A圈,手机底壳改进I艺度场一362数值模拟技术在铸件质量控制及I艺优化中的应用改变流道后的浇注系统,体积仅不到原工艺浇洼系统的二分之一,大大提高了材辩的利用率,同 时在原工艺条件下卷气部位也有所改善

15、,且在高速金属液流作用下,卷气体被打得极为细小,从而 降低卷气对铸件质量的影响。克型结束得到的温度场分布较为均一,稍除了玲隔,也有利于降低凝固 缺陷及降低热应力。32手机面板充型模拟本例产品材质为镁舍金AZ91D,设备为150t热室压铸机.浇铸温度为610。C,模具预热温度为 220'E,高速压射速度为3m/8,一模单件。分析其充型过程的温度场,我们发现,由于模温较低,充型速 度较慢。在零件充型后期,金属熔液温度已降至较低.从而产生了冷隔。图8为克型过程温度场发展, 图9为成型零件照片盈其缺陷部位显微照片。可以看到,通过计算机分析所得的产生冷隔的部位,与 实际情况非常吻舍。改变工艺参数

16、如下,提高模具温度为280“C,高速压射速度为4rnls,则大部分该缺 陷得到消除。 罔8手机面板克型址甜虞墉瞄惑一i翟旦匮丽鲴2蓑f嬲 嬲U2008中国铸造活动餍论文集33铝台金壳型件高压锦造模拟本饲对一铝合金壳型件的两种不同的流道设计方案进行了对比分析。两种流道设计如图10所示方案一日lO方案=除了流道系统不一样以外,所有其它模拟参数都保持一致,后面将以第一种方案为倒进行说明。 图11为充型流动过程中最后阶段的填充状况,由模拟结果可知产品中存在填充不足区域。图12为充型结束时温度场分布,围13为温度场切片图,在整个流动过程中的温度分布相对较低.容易产生 提前凝固和拎隔缺陷。图14为残留空气

17、分布示意图,在零件内部,有一处困气的部位。目JJ&月i#*a364 1|捶 m 12充填%柬目m度场分布目ld&目女2t*￥目一鼙 敷值模拟技术在祷件质量控制厦I艺优化中的应用与第一种方案相比,第二种方案在第一种方案的基础上,减少了进浇口,增加了一个溢流槽。从填 充顺序初步判断,第二种方案比较理想。图t 5为两种流道方案初期流动情况比较。围16第一种方案某时刻铸件凝固分数示意圈 罔17第二种方案某时刻铸件凝固分数示意图 综合以上分析,可以确定第二种方案优于第一种方案,由此确定该铝合金盒形件的工艺路线。34铝台金滤清器压铸过程数值模拟及工艺改进汽车用铝台金滤清器零件,具有结构复杂

18、,壁厚变化较多等特点,采用冷室高压铸造。由于某些部 位在后续加工中用作基准,使得内浇口开设仅能局限于图18中所示位置。其次.滤清器油路均由型芯 形成,这些型芯大部分不同轴,使得抽芯机构的设置颇为复杂,也增加了金属液在型腔中流动的复杂 性。原工艺三维模型如腰18所示,ABCD四处内浇道厚度均为3ram,高速压射速度为3m/s。2帅8中国铸造活动周论文集圈18原I艺=维模型由于上述工艺条件制约.该零件在原工艺下废品卑高达20%以上.特别是图18中x处园气孔造 成的废品率就有12%,对原工艺进行数值分析,可以看出,金属液向x处充型过程中,产生了分流,一 股金属渍沿着滤清器边缘绕至X处背侧,与x处正面流的金属液汇聚,此处气体被两股金属液所 田,无法排除,从而使铸件产生气孔。图19为充型70qo时型腔内残余气体,裹气位置与实际情况吻合。 此外喇叭口Y处亦常存在气孔,喇叭口位置金属液先由左侧进人该部分结构,与后续右侧流人的金属