THERMOMECHANICAL MODELING OF SOLIDIFICATION PROCESS OF SQUEEZE CASTING I. Mathematic Model and Solution Methodology

开发了模拟挤压铸造凝固过程中铸件温度、应力及形状变化的有限元模型. 该模型包括了凝固过程中潜热的释放和体积收缩效应、界面传热和变形的相互作用以及凝固壳在冲头压力下的变形等. 应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型描述凝固壳的变形, 并对液相和糊状区进行了特殊处理. 利用接触算法处理铸件与模具界面, 并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动. 该模型可以用来研究模具设计和工艺参数(如模具温度及冲头压力等)对铸件质量的影响.     

挤压铸造过程热-力耦合分析的有限元模型

开发了模拟铝合金挤压铸造凝固过程铸件温度、应力及形状变化过程的有限元模型。该模型包括了凝固过程的潜热释放和体积收缩效应、传热和变形通过界面气隙的相互作用、以及凝固壳在冲头压力作用下的变形过程等。应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型来描述凝固壳的变形,并对液相/糊状区进行了特殊处理。利用接触算法处理铸件与模具界面,并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动。该模型可以用来研究模具设计、工艺参数(如浇注温度、冲头压力、加压时间等)对铸件质量的影响。     

A319合金挤压铸造凝固过程数值研究

利用ANSYS有限元分析软件,考虑相变潜热、对流边界条件和界面传热系数等因素,建立了铝合金挤压铸造凝固过程温度场模型,研究了挤压铸造过程参数(挤压力及模具预热温度)对铸件凝固过程温度分布的影响.通过分析不同挤压力下铸件的显微组织,表明模拟结果与实验结果基本一致.     

A356合金连杆半固态挤压铸造工艺参数的优化

基于ProCast2008软件平台,用其自带的非牛顿流体模型Power Law Cut-Off (PLCO)来建立流动模型,对A356合金连杆半固态挤压铸造铸造的充型和凝固过程进行了数值模拟.研究了浇注温度、冲头速度、模具预热温度等主要工艺参数对连杆半固态挤压铸造铸件成形品质的影响规律,获得了连杆半固态挤压铸造铸造的合理工艺参数:浇注温度为576～583℃、模具温度为200～250℃、冲头速度为0.1-0.5 m,s-1.在该工艺参数下进行成形,金属浆料填充平稳,凝固时间较短,挤压铸件缺陷少.     

挤压铸造镁合金轮毂浇注系统的数值模拟

在浇注温度为680℃,冲头压射速度为0.5 m/s,模具初始温度为250℃,保压压力为80 MPa等工艺条件下,利用数值模拟软件对侧向浇注和中心浇注的AM60B镁合金摩托车轮毂铸件进行了模拟.通过对金属充型过程的可视化观察及分析表明,中心浇注系统更为合理.进一步对优化后的浇注系统进行凝固过程模拟和缺陷分析,结果表明,铸件缩孔缩松和卷气倾向明显减少,改善了铸件质量,优化了铸造过程.     

铝合金模精密铸造界面换热系数测量

熔模精密铸造对于铸件近净成形具有重要意义,但目前鲜见对其铸件-铸型界面换热系数的相关研究.本试验在一维传热模型中采用非线性估算法对工业纯铝在熔模铸造过程中与型壳的换热行为进行了研究,分析结果表明:在凝固前期,铸件与型壳之间的热流密度基本不变,而界面换热系数随两者温差减小而增大;凝固中期,界面换热系数随着整体固相分数增加而线性下降;凝固后期,界面换热系数下降变得十分缓慢.将在一维模型中反求得到的界面换热系数应用到三维铸件模型中,得到的模拟温度与实测温度基本吻合,证明通过一维模型与非线性估算法求取的界面换热系数比较准确,有望在铝合金精密铸造温度模拟中得到应用.     

AlSi7Mg连杆半固态挤压铸造成形数值模拟

通过Magmasoft软件的Ostaward-de Waele粘度模型,对AlSi7Mg连杆的半固态挤压铸造成形过程进行了模拟,并对凝固过程进行了分析.通过数值模拟,获得了浇注温度、模具预热温度、冲头速度对连杆成形质量的影响规律.结果表明,优化的AlSi7Mg连杆半固态挤压铸造成形工艺参数为:浇注温度为576～585℃、模具温度为200～250℃、冲头速度为0.1～0.5m·s-1.在该工艺参数下进行半固态挤压铸造成形,金属浆料流动平稳,凝固时间较短,AlSi7Mg连杆铸件缺陷少.     

挤压铸造大高径比铸件的凝固特性和组织

铸件的凝固特性和组织直接影响铸件的力学性能，用计算机模拟和试验的方法研究了大高径比挤压铸件的凝固特性和凝固组织。研究表明，铸件中压力分布极不均匀，靠近冲头处压力较大，凝固速度较快；增大压力导致晶粒细化并使其发生塑性变形；大高径比薄壁铸件的下部组织中出现分界面，界面两侧组织明显不同。     

基于CAE铝合金壳形件浇注系统的研究

针对实际压铸生产中的零件,设计了两种类型的浇注系统,运用有限元模拟软件对两种浇注系统的铝合金铸件压铸过程进行数值模拟,得到优化浇注系统的设计.结果表明,在浇注温度700℃、模具温度230℃和冲头压射速度2m/s的情况下,壳形件采用中心浇口浇注系统比侧端面浇口浇注系统优化,有效地避免了铸件中的缩孔、缩松等缺陷,同时在优化设计基础上生产出致密的铝合金铸件.     

ASTMD1765低合金钢压力铸造的计算机模拟分析及试验验证

分析了ASTMD1765低合金钢压力铸造工艺方案,建立了低合金钢铸件结构、热、流体分析的耦合理论模型。根据工艺方案及理论模型,建立了低合金钢铸造组合模具三维模型及有限元分析模型。通过模拟分析得到其铸造过程中流动速度、缩孔率、缩孔区域和铸件底端中心点温度等,通过试验对铸件的缩孔区域进行了验证。结果表明,由于凝固分数及凝固时间不同,铸造过程流动速度、铸件底端中心点温度分布也不同。为了获得性能优良的低合金钢铸件,可通过修改模具结构、设置合理的铸造参数等方法获得合理的流动速度和温度,从而减小铸件缩孔率。     

基于MSC.SuperForm的金属体积成形数值模拟摩擦模型的二次开发

针对金属体积成形数值模拟,在反正切摩擦模型基础上,建立了考虑温度、压力和变形程度等的多因素摩擦模型,可以充分地考虑体积成形过程中速度、温度、单位压力和变形程度对变形体与模具之间界面的影响.采用该多因素摩擦模型对体积成形软件MSC.SuperForm进行了二次开发,通过实际算例分析,并与已有的文献结果对比,说明了提出的多因素摩擦模型的合理性.     

熔模铸造ZL114A铝合金凝固过程界面换热系数研究

为获得ZL114A铝合金在凝固过程中温度场的分布规律,根据实际工况设计了测温实验方案,利用热电偶和热成像仪得到了金属及其型壳在凝固过程中温度场的变化曲线,并根据实际测得的温度曲线借助ProCAST模拟软件中的反算模块对铸件与型壳间的界面换热系数进行了反求,得到了更加符合实际的界面换热系数。随后对其进行验证,用该界面换热系数所模拟求得的金属液温度曲线与实测值最大温差为10℃,型壳温度曲线与实测值最大温差为15℃,该方法及结果为铝合金熔模精铸模拟界面换热系数的设置提供了参考依据。     

AM60B镁合金压铸模浇注系统的模拟与优化

设计出2种类型的镁合金压铸浇口及浇注系统,运用模拟软件对2种浇注系统进行模拟,分析液态金属充型及凝固过程中流场和温度场的分布。根据凝固规律有效预测铸件中可能存在的缩孔及气孔缺陷的分布,优化浇注系统结构。结果表明:在浇注温度690℃、模具初始温度200℃、冲头压射速度3m/s条件下,压铸件质量较好。     

镁合金压铸用模具的应力场和变形数值模拟

通过建立有限差分/有限元集成应力分析系统,模拟了镁合金压铸用模具在压铸过程承受的应力场和变形.首先采用有限差分法模拟压铸系统的三维温度场,然后利用温度载荷转换接口将温度载荷转换到模拟对象有限元模型,再计算应力场和变形.应力计算中能够处理压铸过程的合模和开模过程中的边界约束条件变化.通过分析模具在合模过程及开模时刻的应力变化和变形趋势,对铸件尺寸精确度进行了预测,对压铸过程工艺参数的优化提出了见解.     

镁合金副车架压铸过程计算机仿真与工艺优化

基于AnyCasting软件,采用正交试验研究了压铸过程中冲头速率、模具温度、浇注温度对镁合金副车架铸件气孔含量、氧化倾向、冷隔和缩松等缺陷的影响,并得到了优化的压铸工艺参数:冲头速率为7m/s、模具温度为250℃、浇注温度为700℃。在该工艺参数条件下,获得了表面和内部品质良好的镁合金副车架压铸件,同时验证了通过模拟仿真优化压铸工艺参数方法的有效性。     

机械振动对AZ91充型凝固中铸件-铸型传热的影响

研究了AZ91镁合金在充型凝固过程中不同振动频率对镁合金充型过程、凝固方式和铸件-铸型间隙的影响机制,并自主设计铸件-铸型界面传热效率装置,探讨了机械振动对铸件-铸型界面传热的影响。结果表明,机械振动使充型过程中合金液流体雷诺数变大,层流边界层厚度减小;破坏凝固初期型腔壁已凝固薄层,改变镁合金的凝固方式,使合金晶粒细化、改变晶体内部相形态及分布;凝固后,使铸件-铸型间隙处于动态变化过程。进而影响了铸件-铸型界面间的传热。当振动频率分别为0,20,50 Hz时,模具所达到的最高温度值分别为365.3,372.1,377.1℃,模具温度上升至最大温度值所需的时间依次为111,100,91 s,振动频率从0Hz增大到50 Hz,模具所达到的最大温度值逐渐增加,模具温度上升至最大温度值所需的时间逐渐减少。     

熔模铸造条件下Ti6Al4V合金铸件与陶瓷型壳间界面换热系数研究

建立了Ti6Al4V合金铸件/铸型界面换热系数(h)的一维反算模型,从数学及数值模拟的角度研究了型壳热物性参数和热电偶定位等参数对h计算的影响,分析了不同参数影响的不同特点,据此对型壳热物性参数和热电偶定位位置等进行了修正,提高了h反算精度.修正计算参数后的反算结果表明,Ti6Al4V合金熔模铸造条件下,h的变化可分为4个阶段:(1)铸件为液态,h维持约440 W/(m2·K);(2)铸件表面生成完整凝固层,此阶段h下降近60%;(3)凝固层不断增厚至铸件凝固,此阶段h下降接近峰值的20%;(4)铸件凝固后,h随温度缓慢下降.在三维模型中对反算得到的h进行了验证,得到的模拟温度与实测温度基本吻合,表明反算得到的h较为准确,可以应用于Ti6Al4V合金熔模铸造过程的数值模拟中.     

基于数值模拟的镁合金压铸件工艺设计及优化

在对框架型镁合金压铸件工艺分析的基础上,对其工艺结构进行初步设计;然后使用铸造工艺模拟软件对其充型及凝固过程进行数值模拟,预测了完全凝固后存在于铸件中的缩松、缩孔等缺陷;最后对工艺参数进行了优化。优化后的工艺参数:冲头压射速度为3.3m/s,浇注温度为670℃,模具初始温度为190℃。     

基于数值模拟的镁合金压铸浇注系统的设计与优化

对镁合金壳体零件设计了两种类型的浇注系统,运用有限元模拟软件对两种设计的充型和凝固过程进行模拟,通过观察流场和温度场的分布情况,预测充型时间、凝固时间以及铸件中可能存在的缩孔及气孔缺陷的分布与尺寸,提出优化的浇注系统设计.结果表明:在浇注温度655℃、模具初始温度200℃、冲头压射速度2.4 m/s的条件下,阶梯分型面设计采用的浇注系统优于平直分型面设计的浇注系统.     

铝铸锭凝固边界热交换规律及温度场模拟

研究铝铸锭凝固边界热交换的变化规律及数学模型,并对不同浇注温度下凝固过程的温度场进行模拟。利用实时数据采集系统获得凝固过程中铸锭和金属模温度变化历史数据,采用非线性反算法和一维传热差分法对试验数据处理,建立界面换热模型并将其应用于凝固温度场模拟中。结果表明：在铸锭表面凝固前后凝固界面热流密度可分段用指数函数来描述其变化规律,而所建立的热交换系数与边界温度的对应关系可更好地反映实际的传热情况。模拟结果与实验测温结果相符,验证了该铸件/铸型边界热交换规律的可靠性。