第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用范文.docx
- 文档编号:14340535
- 上传时间:2023-06-22
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:1.78MB
第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用范文.docx
《第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用范文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用范文.docx(19页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第三章缺陷判据在低压铸造凝固过程中的应用范文
第三章低压铸造凝固过程中缺陷的预测
在上一章对低压铸造凝固过程的温度场进行了分析,由于在铸造过程中,铸件及模具温度场的分布与变化会极大影响模具的使用寿命、铸件的质量。
其次,温度场是低压铸造数学模型的验证基础,而且温度场的研究是缩松缩孔缺陷预测的基础。
因此我们在某轮毂生产车间进行了一系列实验,对实际生产中和特定条件下的模具温度场进行了测量,通过测量结果,了解并分析了在低压铸造铝合金轮毂过程中模具关键点的温度变化规律及影响因素,为下一步的数值模拟及缺陷预测提供了可靠依据;为在实际生产工艺如何为消除这些因素的影响提供了良好的指导建议。
3.1低压铸造凝固过程温度场的实验测试
铸件的数值模拟要经过几个步骤:
1、三维实体的造型2、对实体进行网格剖分3、进行温度场计算4、缺陷预测
3.1.1实验目的
1、生产过程中不同冷却工艺条件下测量低压铸造轮毂模具各部分的温度状
态,得出温度变化曲线。
2、将低压铸造数值模拟温度场与实验测量温度场进行对比,用相对准确的温
度场进行缺陷判据的验证。
3、通过改变参数设置改进判据模型,使得模拟结果与实际实验结果相吻合,
以便更好的指导实际工艺。
3.1.2测温方法
1、测量温度的方法:
温度测量按照所用方法之不同,分为接触式和非接触式两大类。
(1)接触式测温
测温元件直接与被测对象相接触,二者之间充分进行的热交换,最后达到热平衡,这时感温元件的某一物理参数值就代表了被测对象的温度值。
它的显著优点是参数直观可靠,但它存在一定的弊端,感温元件接触不良等都会带来测量误差,另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。
接触式仪器又可分为:
膨胀式温度计、电阻式温度计、热电式温度计等。
(2)非接触式测温
感温元件与被测对象不接触,通过辐射来进行热交换,这样避免了温度及腐蚀介质对测温元件性能的影响。
非接触测温法热惯性小,可达千分之一秒,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。
但它的缺点,具有较高的测温上限。
由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他介质的影响,故测温具有一定误差。
非接触式温度计可分为:
光学高温计、红外测温仪等。
2、测温方法的选择
由于铸造过程是连续进行的,整个凝固过程中模具是静止的,而铸件在密闭的型腔中,我们很难得到铸件的温度场,只能测量铸型的温度场间接的的计算铸件的温度场。
因此我们选择用接触式测温-热电偶测温。
我们通过热电偶来实现的测温,在铸型的重要部位开孔,热电偶的一端通过孔与铸型相接(见下图a),另一端通过接线盒与工控器相连接(见下图b),测出的温度会实时传输到与热电偶相连的工控器的仪表屏幕上(见下图c),显示温度场的数据,再将温度场数据拷贝出进行整理分析。
c工控器仪表显示屏
b热电偶与接线盒连接
a热电偶与铸型连接
3.1.3实验过程
1、实验工艺设备
实际实验中,采用设备是国产低压铸造机,能同时实现压缩空气(风冷)和水的冷却工艺;模具为新设计的模具(CW8286-1665-M16)。
在低压铸造汽车轮毂工艺过程中,由于轮毂的结构有截面不均匀处,会造成凝固速度的不同而产生气孔、缩孔、缩松等缺陷,故需要对模具特殊部位进行冷却,通过冷却介质的作用时间、部位来调节凝固顺序,以达到顺序凝固的目的,从而减少缺陷的产生。
再者,在凝固过程中增设冷却通道可以加快铸件的冷却速度,提高生产效率和经济效益。
低压铸造中最常用的冷却介质就是水和空气,我们先后做了不加冷却介质、加冷却介质一系列实验。
2、实验方案
根据实验目的,确定实验方案的影响因素主要有:
首先在实际生产中,铸件的凝固受到模具散热以及水冷,压缩空气等多种冷却工艺条件的影响,而不同的控制条件会产生交互的影响,为了确定各类参数的影响效果,需要一组无任何冷却条件下的结果作为后续模拟结果的对比基准,以此确定自然冷却条件下的界面热阻等。
其次,不同类型的冷却方式对模具的冷却效果不同,对于冷却工艺有点冷和环状冷却之分,而点冷又分直接点冷和间接点冷。
所以通过在自然冷却的基础上增加相应的冷却方式(压缩空气点冷,水的点冷,水的环状冷却等)得到的不同的模拟结果。
然后,温度场数值模拟的一个重要意义是应用温度变化数据预测缺陷,缺陷判据模型直接影响缺陷预测的准确性,而低压铸造与传统砂铸不同,压力条件下金属液的补缩性能不同于自然重力条件下金属液的补缩性能,这直接体现在缺陷判据的表达形式。
实验中通过对比有明显缺陷的冷却工艺和正常生产没有明显缺陷的一组工艺下的温度曲线结果来实现。
最后,实际实验过程中,由于该模具为新设计的模具,实际生产经验少,没有比较好的水冷工艺参数可借鉴,所以如何得到没有缺陷的一组结果是整个实验最困难的一组,放在最开始进行。
此外,如果每组实验都是在自然冷却的基础上加一个不同类型的冷却通道来进行,模具的整体散热会比较慢,使得实验时间过长,所以采取递进对比的方式,每次实验都是在上一次结果的基础增加不同类型的冷却,每次的实验结果都与上一次的结果进行对比,这样既可以分析得到不同类型的冷却效果,又减少了实验时间。
通过以上分析确定实验方案如下:
第一组:
自然冷却条件(无冷却)
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
550
25
43
第二组:
正常生产条件下的冷却设置表
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
175
25
30
冷却设置
冷却点
开始时间
持续时间
流量
冷却通道位置
水冷5
10
30
800
上轮唇水
水冷6
50
20
800
边模下轮唇水
水冷7
5
145
800
边模R角水
水冷8
130
100
800
下模水小1
风冷1
120
90
75
分流锥
风冷2
115
100
75
上pcd风
风冷4
1
240
75
上模模芯水1
第三组:
关闭水冷7-边模R角处水冷
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
170
25
40
冷却设置
冷却点
开始时间
持续时间
流量
冷却通道位置
水冷5
10
30
800
上轮唇水
水冷6
50
30
800
边模下轮唇水
水冷8
100
100
800
下模水小1
风冷1
100
100
70
分流锥
风冷2
100
100
70
上pcd风
风冷4
1
240
70
上模模芯水1
第四组:
关闭水冷8-下模水小进1
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
170
25
65
冷却设置
冷却点
开始时间
持续时间
流量
冷却通道位置
水冷5
10
30
800
上轮唇水
水冷6
50
30
800
边模下轮唇水
风冷1
100
100
70
分流锥
风冷2
100
100
70
上pcd风
风冷4
1
240
70
上模模芯水1
第五组:
关闭水冷6-边模下轮唇环状水冷
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
200
25
73
冷却设置
冷却点
开始时间
持续时间
流量
冷却通道位置
风冷1
100
130
70
分流锥
风冷2
100
130
70
上pcd风
风冷4
1
240
70
上模模芯水1
第六组:
关闭风冷4-上模轮芯水1
时间设置(s)
升液
充型
升压
保压
冷却
取件
8
20
10
300
25
85
冷却设置
冷却点
开始时间
持续时间
流量
冷却通道位置
风冷1
100
200
70
分流锥
风冷2
100
200
70
上pcd风
实验中模具上各冷却通道布置图如下图3-1、3-2。
图3.1模具冷却通道分布示意图
图3.2模具冷却通道连接示意图
4、热电偶分布图
基于热电偶的布置不能破坏铸型,我们在模具所选部位上共安装了23个热电偶,其中1-10号位于下模部分,11-16号位于边模位置,17-23号位于上模。
热电偶分布图如图3.3所示。
图3.3热电偶分布位置图
3.2实验结果与模拟结果分析
3.2.1温度曲线结果分析
实验前对热电偶进行了短接测试,其中7-23号显示的补偿温度(即室温)22度左右,比较正常,而1-6号显示的补偿温度达70度左右,且后续统计的结果也高出其他点很多,所以忽略了这六个点的结果。
17和20号位于上模R角位置温度变化剧烈,温度曲线变化很不规则。
估计是热电偶接触不良引起的,因为模具温度升高时,发生膨胀,热电偶与模具接触,测量模具温度,温度降低时收缩,热电偶与模具不接触,此时近似为空气温度,因而温度在模具热胀冷缩的情况下忽高忽低,变化很不规则,所以没有进行记录。
图3.4是从第三组实验中上模、边模、下模分别选择的热电偶位置的温度曲线图。
图3.4上、下、边模位置热电偶温度曲线图
由实验温度数据分析可知,在都存在冷却的条件下或者自然冷却条件下,下模温度最高,上模其次,边模温度最低,这与各部分散热情况能很好的吻合。
下模与地面不完全接触,夹层的空气基本不流通,导热较差,温度较高,靠近中心的温度最高,向外逐渐降低;上模的凹形结构既不利于空气的流通,又使上模的辐射面朝里,散热效果也比较差,上模的温度由下向上逐渐降低;边模散热面对着空气,辐射效果好,而且空气的流通性也很好,边模的温度由下向上逐渐降低,所以温度较低。
此外,在实验过程中,外界条件的扰动对温度场的影响较大,尤其是开模取件的时间。
在图3.5中第三个循环和第四个循环之间存在一个大幅度降温,从图中可以看出两循环之间的时间步长较大,这是由于实验开模取件时间过长,开模以后,模具内表面与外界空气接触,产生强烈的对流和辐射,因而温度下降较大,在经过数个循环后温度又逐渐回升。
图3.5实验五16号测温点温度曲线图
3.2.2模拟温度曲线
本次模拟使用的模型是某轮毂公司生产的铝合金轮毂,模具型号为CW8286-1665-M16,模具和轮毂的三维造型如图所示3.6和图3.7所示。
图3.8分别为铝合金轮毂及其模具的实物图。
图3.6模具结构图图3.7轮毂三维模型
图3.8铝合金轮毂和模具实物图
其中轮毂的材料为ZL101A(A356),化学成分如表3-1所示。
模具的材料为H13,边模材料为QT500。
轮毂及模具的相关性能参数见表3-2.
表3-1ZL101A的化学成分
合金牌号
质量分数%
元素
Si
Cu
Mg
Zn
Mn
Fe
Ti
ZL101A
6.5-7.5
0.1
0.25-0.45
0.1
0.1
0.2
-
表3-2轮毂及模具的相关性能参数
材料
密度ρ
导热系数λ
比热
结晶潜热
固相线
液相线
轮毂
ZL101
2.7
0.23
0.37
93
557
624
模具
HT13
7.8
0.0679
0.11
3.3数值模拟结果
3.3.1温度场数值模型的验证
1、模拟结果分析
通过对凝固过程的多次模拟,我们发现:
铸型与外界空气之间的界面热阻变化对于测温点温度的上下限都有比较明显的影响,热阻升高,上下线跟着升高,且幅值变小;而内表面热阻对于温度下限的影响较小,对于上限的影响较大,内表面热阻升高,测温点温度上限明显下降,而下限会有微小的上升,如图4.20和图4.21所示。
模拟过程中,我们根据以上原则,先对外面表热阻进行调整,使得模拟温度与实验温度的下限吻合,然后再调整内表面热阻,使得实验结果和模拟结果的温度上限吻合,这样就通过调整界面热阻参数使得模拟结果与实验结果基本吻合,初步确定了模拟软件在模拟铝合金轮毂低压铸造凝固过程中的参数和模型设置。
图3.9外表面热阻对温度曲线的影响
图3.10内表面热阻对温度曲线的影响
以实验为基础,以理论为依据,经过多次调整,模拟,分析,再调整的过程,现得到的比较理想的散热参数如下:
上模与空气间换热系数为14.3W/m2K,边模与空气的换热系数为40W/m2K,下模与空气的换热系数为2.857W/m2K,模具与铸件之间的界面热阻为0.003m2K/W。
下模由于散热条件较差,因而换热系数比较小,边模周围与外界空间接触,同时存在对流和辐射换热,因而换热系数较大,而上模与边模相比,辐射和对流强度均较小,所以换热系数比边模小,这与前面理论推导所得到的边界条件是相符的。
在上述条件下进行模拟得到的温度变化范围与实验结果对比如表3-3所示。
由表中数据可知,除少数测温点温度相差较大以外,其余测温点温度上限和下限相差较小,模拟温度和实际试验温度比较吻合。
表3-3自然冷却条件下实验结果与模拟结果温度上下限的对比
模拟测温点
实验温度幅值
模拟结果温度变化范围
下限
上限
7
472-507
470
497
8
450-478
458
485
9
405-447
442
478
10
446-478
414
453
11
380-445
390
450
12
375-430
378
421
13
345-368
348
389
14
380-445
392
449
15
375-430
378
422
16
347-375
349
390
18
400-450
390
456
19
370-405
367
414
21
425-485
424
483
22
395-460
391
455
23
370-415
368
414
选取其中下模8号,边模15,上模21号、上模23号四条曲线的模拟结果和实际结果对比如下图(其中,纵坐标为温度,单位℃,横坐标为时间,步长4s):
图3.118号、15号、21号、23号测温点模拟实验温度对比曲线
从表3-3温度上、下限对比以及图3.11温度曲线对比可以看出,在现有参数条件下,对于模具温度场的模拟已经有了相当精确的结果,在后续工作中,对加入强制冷却后的凝固过程进行模拟,与其他五组实验结果对比、分析,在现有参数的基础上,调整其他模拟参数,得到比较精确的强制冷却条件下的模拟温度曲线,从而为复杂换热条件下的实际工艺提供参考。
3.3.2缺陷判据的模拟结果与试验结果的对比
数值模拟实验中,以铝合金轮毂为例,对压力条件下的缺陷判据进行测试验证。
并对比压力条件下判据与原先
之间的区别。
从实际经验可知,铝合金轮毂低压铸造过程中,最容易产生缺陷的位置就是轮辋上缘和轮辐和轮辋连接处(工艺上称之为R角),这也是产品报废最主要的原因之一。
在生产线上轮毂的X光检验也主要是轮辋上缘和R角处。
轮辋上缘容易产生缺陷的主要原因是轮辋是轮毂的最薄部位,轮辋中部由于散热条件较好,散热较快,导致上缘部分形成了孤立熔池,最后就容易在轮辋上缘部分产生缩松缺陷,如图3.12所示;而R角处属于厚大部位,再加上轮辐中间部位凝固较快,在凝固过程中轮辐中心处很容易断开,在R角的地方形成孤立熔池,因而在R角的位置容易产生缩孔缩松等缺陷如图3.13所
图3.12轮辋上缘的孤立熔池图3.13R角处的孤立熔池
在压力条件下判据中,由于引入了压力参数,而压力对铸件的补缩是有利的。
原判据即新山判据在预测重力铸造时时比较准确的,但是在压力条件下,补缩条件得到了改善,再使用原来的新山判据明显是存在差别的,原先新山判据在预测低压铸造缺陷时,产生缺陷的区域较多、较大,如下图3.14所示,基本上在整个轮辋上都产生了缺陷,而从实际情况来看,是明显不合理的。
在改用压力条件下的判据以后,所预测的结果基本准确,产生缺陷的区域明显减少,只在轮辋上缘部分和R角处出现缺陷,如图3.15所示,而这与实际是相符的,因而低压铸造中压力条件下的判据来预测缩松是更准确的,也是更符合实际的。
图3.14原来判据预测缺陷结果图3.15压力条件下判据预测缺陷结果
图3.16X光检测轮辋处缩松
图3.17X光检测R角处缺陷
图3.18生产过程中产生的明缩孔
图3.19不合格产品的皮下缩孔
3.4参数对计算结果的影响
3.4.1压力的影响
低压铸造的最大特点就是在整个升液、充型、凝固的过程中始终有压力的作用,液态金属在充型压力下填充到铸型后进行结晶凝固阶段,凝固压力的大小、保压时间的长短决定了补缩效果、铸件成型的好坏。
ZL101(A356)属于宽结晶温度范围的合金,铸件的补缩可认为是金属液的枝晶间流动。
由于轮毂属于薄壁件,冷却快,液体补缩时阻力大,只有当增压压力足够大,才能够克服这一阻力,先凝固部位才能得到金属液的补缩,减小缩松缩孔的倾向。
3.4.2冷却工艺的影响
3.5本章小结
本章主要通过一系列的实验结果与模拟结果进行对比,验证了考虑压力项的缺陷判据在现有的模拟软件比原判据更为接近实际。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三 缺陷 判据 低压 铸造 凝固 过程 中的 应用 范文