半固态A356铝合金流变压铸充填过程的数值模拟
半固态A356铝合金流变压铸充填过程的数值模拟
白月龙
1,2
毛卫民1 徐 宏3 侯 华3 毛红奎3 徐 俊
2
(1.北京科技大学材料科学与工程学院;2.北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究所;3.中北大学铸造工程研究中心)
摘 要 建立了半固态A356铝合金浆料的表观粘度触变模型,模拟了米字型压铸件的流变充填过程,并进行了实际流变充填验证。验证性的流变压铸表明所建立的表观粘度触变模型正确可行,可用来模拟半固态A356铝合金浆料的流变压铸充填过程。数值模拟还表明:压射比压、内浇道处浆料的流动速度和浆料温度对半固态A356铝合金的流变压铸充填过程具有重要影响,较大的压射比压、内浇道处浆料的流动速度和浆料温度有利于流变充填;流变压铸的内浇道尺寸对半固态A 356铝合金的流变压铸充填过程具有重要影响,较大的内浇道尺寸有利于流变充填。关键词 半固态;A 356铝合金;压铸充填;数值模拟
中图分类号 TG 146;TP311 文献标志码 A 文章编号 2007(S)-0473-04
Nu m erical Si m ulati on on M oul d F illi ng i n the Rheo -diecasti ng
Process of the Se m -i soli d A356A l u m i nu m A lloy
Ba iYuelong 1,2
M aoW ei m in 1
X u Hong 3
H ouhua 3
M ao Hongkui 3
Xu Jun
2
(1.M aterials Sc ience and Eng i n eering Schoo,l Un i v ersity of Sc ience and T echnology Be ijing ;2.N ational Eng i n eer Research C enter for Non-ferrousM etals Co m posite ,GeneralR esearch
I nstitute for Non -ferrousM eta ls ;3.Research C enter for
foundry Eng ineer ,North Un i v ersity of Ch i n a)
Abst ract :The apparen t v iscosity mode l of the se m -i solid A356alum i n um alloy has been deve loped to si m ulate the mould filli n g in the rheo -diecasting ,and the experi m ent validation o f the r heo -d ieasti n g has been carried ou.t
The experi m en t resu lts sho w that the apparent v iscosity m odel is feasi b le and m ay be used to si m u late the mo ld filling of t h e A 356alum i n um alloy .A lso it indicates that the i n jection pressure ,t h e fl o w velocity o f the se m -i solid sl u rr y i n the i n gate and the for m ing te m pera t u re have i m portan t effect on the m ou l d filli n g i n the rheo -d i e casti n g of t h e se m -i so lid A356alum i n um alloy .the higher i n jection pressure ,fl o w velocity o f the se m -i so lid sl u rry in the i n ga te and the for m ing te m perat u re are advantageous to the filli n g of the se m -i so li d sl u rry .Besi d es the d i m ensi o n of the i n gate a lso has i m portant effect on t h e m ou l d filling i n t h e rheo -diecasti n g o f the se m -i solid A356alum i n um alloy ,the larger di m ension o f the i n gate be l o ngs to the filling o f the se m -i so li d .K ey W ords :Se m -i solid ,A356A l u m i n um A ll o y ,Rheo -diecasting ,Num erica l Si m u lation 收稿日期:2007-04-18
基金项目:国家高技术研究发展项目(2006AA03Z115);国家重点基础研究规划项目(2006CB605203)
第一作者简介:白月龙,男,1976年出生,博士研究生,北京科技大学材料科学与工程学院铸造研究所(100083),电话010-********E -m ai:l bai_yue -l ong @163.co m
采用数值模拟技术对液态金属的充填过程进行模拟仿真,可以预测缺陷,优化工艺,减少铸件生产工艺的试验次数,缩短铸件的生产周期,增强铸件的市场竞争力,因此该技术获得了国内外的广泛关注和应用,在生
产中发挥着越来越重要的作用[1~3]
。与液态金属流体的充填过程不同,半固态金属浆料的充填过程是一个更复杂的过程,涉及复杂的流变学行为,因此对其充填过程的数值模拟也就复杂的多。目前已有许多学者对半固态金属充填过程的数值模拟进行了一定的研究,大多将半固态金属的流动作为稳态流动进行处理,即流动充填过程中金属熔体的温度不发生变
化,不考虑表观粘度随剪切时间的变化
[4~8]
。但实际上
半固态金属浆料在压铸型腔中会发生强烈的剪切,且充填过程中的浆料温度会发生变化,因此浆料的表观粘度肯定会发生变化,充填行为也会发生变化。为了准确的模拟半固态金属的充填过程,模拟时必须考虑浆料温度和剪切时间的变化对其充填行为的影响[9~11]
。
基于上述原因,本课题在基础试验数据的基础上建立了半固态A356铝合金浆料的表观粘度数学模型,并在该模型中考虑了剪切时间对表观粘度的影响,也考虑了浆料温度变化对表观粘度的影响。最后利用该模型对半固态A356铝合金浆料充填米字型压铸件的充填
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计算机应用技术2007年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会专刊
过程进行了数值模拟。1 充填模拟的数学模型
表观粘度数学模型的建立是半固态A356铝合金流变压铸充填过程数值模拟的核心。为了模拟半固态A356铝合金浆料在型腔中的充填行为,必须建立能够
描述半固态A356铝合金浆料表观粘度的控制方程。采用的表观粘度数学模型的控制方程为:
G -G e
G i -G e
=
exp [-(3.20-1.3014@104
@C
#-1.93
#t]
(1)
与普通液态金属充型模拟过程类似,将半固态A356铝合金浆料视为不可压缩的单相流体,而且半固
态A 356铝合金浆料的表观粘度比液态A 356铝合金高3~4个数量级,可将半固态A356铝合金浆料的充填流动看作是层流流动。因此半固态A356铝合金浆料的充填流动仍然遵循质量守恒定律、动量守恒定律,与之相对应的数学方程则为连续性方程和N )S 方程。在三维直角坐标系下,半固态A 356铝合金浆料流变压铸时的连续性方程和N )S 方程可表示为:
连续性方程
5U 5x +5V 5y +5W 5z
=0(2)
动量方程
5V 5t +U 5V 5x +V 5V 5y +W 5V 5z
=-1Q 5P 5y +g y +C (52V 5x 2+52V 5y 2+52
V 5z 2)(3)
5W 5t +U 5W 5x +V 5W 5y +W 5W 5z =-1Q 5P 5z +g z +C (52
W 5x 2+52
W 5y 2+52
W 5z
2)(4)
5U 5t
+U 5U 5x +V 5U 5y +W 5U 5z =
-1Q 5P 5x +g x +C (52U 5x 2+52U 5y 2+52
U 5z
2)(5)
体积函数方程
5F 5t +U 5F 5x +V 5F 5y +W 5F 5z
=0(6)
能量方程
5T 5t +U 5T 5x +V 5T 5y +W 5T 5z
=1Q 55x [(K c +L t R t 5T
5x
]+1Q 55y [(K c +L t R t 5T
5y
]+1Q 55z [(K c +L t R t 5T
5z
](7)
式中,U,V,W 为x,y,z 方向的速度分量;Q 为液体密度;P 为压力;g x ,g y ,g z 为x,y,z 方向重力加速度分量;C 为运动粘度;F 为液相体积分数;T 为液体温度;c 为比热容;K 为导热系数;G 为在剪切时间为t 时的表观粘度;G i 为初始粘度;G e 为半固态A 356铝合金浆料的稳态粘度;f s 为浆料的固相率;C #
为剪切速率。
2 流变压铸过程数值模拟
在实际的半固态流变压铸件中,压铸件的壁厚大多
不均匀,铸件的壁厚对半固态金属的充填行为应该具有重要影响。因此,本课题将建立的表观粘度数学模型嵌入到商品化的软件Castsoft6.0中,对米字型压铸件的充填行为进行了模拟研究。该米字型压铸件有4个115mm @18mm 的试片,其壁厚分别为10mm 、5mm 、2.50mm 、1.25mm,压铸件还有两根<10mm 的圆棒,长度分别为115mm 和70mm,米字型压铸件的实体图见图1
。
图1 米字形压铸件的实体图
图2是米字形压铸件流变压铸的充填模拟结果。
模拟采用的工艺参数为:内浇道的流动速度为
1.73m /s ;浆料温度为585e ;压射比压为20M Pa ,压铸型预热温度为200e 。
从图2的模拟结果可以看出,当半固态A356铝合金浆料充填米字形压铸件的型腔时,浆料优先向壁厚的
试片充填,见图2a ,此时已充填了30%的型腔,壁厚为10mm 和5mm 的试片已充填了一部分,圆棒也开始充
填,而壁厚为2.50mm 和1.25mm 的试片几乎没有充填或充填量很小。当型腔的充填量达到50%时,壁厚为10mm 和5mm 试片的充填量已经很多,壁厚为10mm 试片的充填速度和充填量比壁厚为5mm 试片的更快和更多,圆棒充填也较多,而壁厚为2.50mm 和1.25mm 试片的充填量仍然很小,见图2b 。当型腔的充填量达到70%时,壁厚为10mm 试片的充填已经趋于结束,圆棒继续向前充填,充填量较多,而壁厚为2.50mm 和1.25mm 试片的充填量仍然不大,其充填前沿浆料的温度下降很多,尤其是壁厚为1.25mm 试片处的浆料表现得更为突出,图2c 。当浆料的充填量达到90%时,壁厚为10mm 的试片已经完全充满,壁厚为5mm 的试片也即将充满,圆棒充填已经很多,仍然在继续向
前充填,而壁厚为2.50mm 和1.25mm 的试片也仅充
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图2 米字形压铸件充填模拟结果
填了一部分,壁厚为2.50mm 试片的充填长度比壁厚为1.25mm 试片的充填长度大一些,但这些部位浆料流动前沿的温度已经降低到540e 以下,已经不可能继续充填此处,见图2d 。当型腔的充填结束时,壁厚为10mm 和壁厚为5mm 的试片已经完全充满,圆棒也已经完全充满,而壁厚为2.50mm 和壁厚为1.25mm 的试片没有充满,见图2e 。因此最后的充填模拟结果是:壁厚为10mm 和壁厚为5mm 的试片完全充满,圆棒也完全充满,而壁厚为2.50mm 和壁厚为1.25mm 的试片未充满。这充分说明了压铸件的壁厚对浆料的充填行为有明显的影响,浆料在厚壁铸件型腔中的充填性好,而在薄壁铸件型腔中的充填性较差。
出现上述现象的原因与压铸型浇道的设置有关,对于10mm 和5mm 壁厚的试片,其压铸型的内浇道厚度也分别为10mm 和5mm,内浇道面积相对较大,流变压铸时的充填阻力较小,半固态浆料将更多地流入此处,试片就易于充满。而对于2.50mm 和1.25mm 壁厚的试片,其压铸型的内浇道厚度也分别为2.50mm 和1.25mm,内浇道面积相对较小,流变压铸时的充填阻力较大,流入此处的半固态浆料相对较少,试片就不易于充满。所以,在流变压铸过程中,浆料将优先对10mm 和5mm 壁厚的试片充填,对2.50mm 和1.25mm 壁厚的试片充填就更困难一些。压铸型还会对半固态A356铝合金浆料产生持续的冷却作用,不断增加浆料的固相率,导致充填阻力变大。对于10mm 和5mm 壁厚的试片来说,包含的半固态浆料较多,其热容量也较大,压铸型的冷却作用对其固相率和流动性的影响较小,充填阻力增加不明显,所以该试片的充填就容易。对于2.50mm 和1.25mm 壁厚的试片来说,包含的半固态浆料较少,其热容量也较小,压铸型的冷却作用对其固相率和流动性的影响较大,充填阻力增加明显,甚至已充填的试片可能发生部分凝固,更显著地增加充填阻力,所以2.50mm 和1.25mm 壁厚试片的充填不足。
改变半固态A356铝合金的流变压铸条件,即浆料温度为595e ,压射比压为30M Pa ,内浇道浆料的流动速度为3.00m /s ,米字形压铸件的流变压铸过程模拟结果见图3。
从图3的模拟结果可以看出,同图2的模拟结果类似,浆料优先向壁厚为10mm 和5mm 的试片充填,而
向2.50mm 和1.25mm 的薄壁试片充填的速度较慢。但在提高浆料温度、压射比压和内浇道流动速度后,壁厚为10mm 和5mm 的试片及圆棒充填完整,壁厚为2.50mm 和1.25mm 的试片充填也较完整,见图3f 。这主要是因为提高浆料温度、压射比压和内浇道流动速度后,浆料的充填动力增加,浆料的温度下降减慢,浆料有较高的能量来克服充填过程中遇到的流动阻力,因此压铸件充填完整。
3 试验验证
为了验证米字型压铸件的流变压铸过程的数值模拟结果是否正确,利用自制的小型立式压铸机流变压铸了米字形压铸件,流变压铸结果见图4和图5。
图4所采用的流变压铸工艺参数与图2模拟计算选用的流变压铸工艺参数一致。从图4中可以看出,壁厚为10mm 试片的充填完好,壁厚为5mm 试片的充填稍差,其端部充填稍显不足,两根<10mm 的圆棒充填完好,而壁厚为2.50mm 和1.25mm 试片的充填严重不足,这与图2的模拟计算结果基本一致。
由于试验所用的半固态压铸机的工艺参数选择的限制,无法验证图3的模拟结果,因此图5流变压铸件就采用本压铸机的最大压射比压25M Pa 、最大内浇道流动速度2.17m /s ,浆料温度595e 。从图5看,除了壁厚为1.25mm 试片的充填不足外,其他试片和圆棒均充填完整;如果选用如图3所用的流变压射工艺参数,就会得到充填完整的米字形压铸件,因此图5也间接验证了图3的模拟计算结果的正确性。
图2和图3所示的流变压铸过程的模拟充填结果与图4和图5的实际充填结果基本一致,模拟充填结果较好地反映了半固态A356铝合金的实际充填过程。因此验证了建立的半固态A356铝合金浆料的表观粘度触变模型的正确性,可以用来模拟半固态A356铝合金的流变压铸充填过程。
根据图2和图3所示的模拟结果,以及与图4和图5所示的实际压铸件成形结果可知,浆料温度、压射比压和内浇道流动速度较低时,不能保证米字型压铸件的完整充填,因此对于米字型压铸件,宜采用较高的浆料温度、压射比压和内浇道流动速度,经模拟优化和试验验证,适合米字型压铸件流变充填的压铸工艺参数为:
475
图3
米字形压铸件充填模拟结果
图4 流变压铸的米字形压铸件
1
图5 流变压铸的米字形压铸件2
压射比压不小于30MPa ,内浇道的流动速度不小于3.00m /s ,浆料温度在595e 以上。
4 结论
(1)压射比压、内浇道处浆料的流动速度和浆料温度对半固态A356铝合金的流变压铸充填过程具有重
要影响,较大的压射比压、内浇道处浆料的流动速度和浆料温度有利于流变充填。
(2)流变压铸的内浇道尺寸对半固态A356铝合金的流变压铸充填过程具有重要影响,较大的内浇道尺寸有利于流变充填。
参 考 文 献
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(编辑:刘 卫)
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铝合金半固态锻造工艺研究
轻金属半固态模锻工艺研究 1、前言 20世纪70年代初，美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施 加强烈的搅拌，可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织，从而得到一 种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料，即半固 态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性，采用这种既非液态又非完全固态 的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为 半固态金属加工(Semi-Solid Metal Processing，简称SSM)。从理论上讲，凡具有 两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成 为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能， 即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时，坯料具有很高的粘度近似固态，可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时，坯料便表现出较小的粘度可以 像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时，由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大，流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此，半固态金属成形具有多方面的优点：相对于 普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造，）由于半固态浆料中已有一半左右的固相存 在而且温度低于液态金属近100℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等 缺陷，而且模具寿命成倍提高；相对于常规固态成形（如模锻或挤压），由于半固态 浆料具有很好的流动性，因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少 了成形道次、模具投入及后续机加工量，而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点，可以满足现代汽车 制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。 半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同 之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在 较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固 态金属锻造方法来生产，其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻 造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需
铸造过程模拟仿真
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
铝合金半固态成形工艺的研究现状
铝合金半固态成形工艺的研究现状 作者：上海大学 余忠土 张恒华 邵光杰 许珞萍 新型的成形技术─―半固态成形 技术（SSM ）是一种近终成形（Near-net-shape ）的成形工艺。与传统的成形工艺相比，它有一系列突出的优点：成形温度低，成形件力学性能好，并较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点。本文阐述了铝合金半固态成形技术的主要工艺方法，其工艺参数与传统液态压铸成形的差异，以及半固态成形件在不同状态下的力学性能 图1 半固态金属压铸流程图 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 等人在实验中发现了半固态金属的流变性能，到70年代中期，Joly 等人进一步探索了半固态金属的这种性能，并出现了半固态金属加工的概念。所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然後直接进行流变铸造或制备半固态坯锭後，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然後进行成形加工。铝合金的半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料的制备、二次重熔和触变成形。触变成形作为半固态加工技术的最後一道工序，是影响半固态成形件组织和性能的关键工序，直接影响着半固态成形件的组织和性能。自该技术被开发以来，已经历了30馀年的研究发展，并已召开了六次有关半固态的国际会议，发达国家已经进入生产实用阶段。因为半固态成形技术有一系列突出的优点：半固态金属成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。
铸造工艺的数值模拟优化
! 收稿日期：２００６－０１－１６；修回日期：２００６－０７－１９ 作者简介：胡红军（１９７６－），男，重庆工学院讲师，主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 铸造工艺的数值模拟优化 胡红军，杨明波，龚喜兵，李国瑞 （重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘 要：为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响，设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸 造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟，根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况，提出改进工艺方案并对其进行凝固模拟，选择最佳方案应用于生产。研究表明，３＃是最合理的浇冒口布置方式，最优的浇注温度８２５℃，浇注时间１５ｓ，采用水平分型。应用表明，铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷，从而辅助工艺人员进行工艺优化。 关键词：凝固模拟；军用汽车转向臂；铸造工艺优化；浇冒口系统；缩孔；铸造模拟软件中图分类号：ＴＧ２５０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００６）０６－００５１－０３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＨＵＨｏｎｇ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ－ｂｏ，ＧＯＮＧＸｉ－ｂｉｎｇ，ＬＩＧｕｏ－ｒｕｉ （ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｃａｓｔｉｎｇｓｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｐｏｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｔ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｒｅ－ｓｕｌｔｓａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｎｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｉｎｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｏｂｒｉｎｇｆｏｒ－ｗａｒｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏ．３ｃａｓｔｉｎｇｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ８２５℃，ｐｏｕｒｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１５ｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｓｅｄｉｎｈｅａｖｙｍｉｌｉｔａｒｙｔｒｕｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｕｒ－ｉｎｇａｎｄｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｃａｓｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ 铸造数值模拟是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，节约试制成本［１－４］。 １ 铸造过程充型数值模拟方法 军用汽车转向臂的几何实体造型采用ＵＧ软件建 立，在得到三维几何数据后，利用ＵＧ软件的反向出模模块，通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的位置和分型面等，作为凝固模拟的几何模型。由于金属液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复杂，需要根据连续性方程、动量方程及能量方程，并进 行速度场、压力场的反复迭代，计算量大而且迭代容易发散，致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，如有限差分法和ＳＯＬＡ－ＶＯＦ体积函数法，开发出一些实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。作为整个模拟的核心部分，ＣＡＥ的数值模拟效果最终将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中，热传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问题采用傅里叶定律（式１），式２是根据能量守恒定律推导的方程［５－８］。 ｑ＝－λ !ｔ !ｎ （１）ρｃ!ｔ!τ＝!!ｘ（λ!ｔ!ｘ）＋!!ｙ（λ!ｔ!ｙ）＋!!ｚ（λ!ｔ !ｚ）＋ｑｖ （２）其中ｑ为热流密度，λ为导热系数，ｔ为温度（函数）， ｎ为温度传递方向上的距离，Τ 为温度，ρ为密度，ｃ为质! ２００６年１１月兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６ 第２９卷第６期
压铸操作工艺流程
班前准备事项一 1压铸工上班必须按规定穿戴劳保用品，包括：工作服、工作鞋、工作帽，严禁穿背心、短裤、赤膊。 2压铸工必须提前20 分钟到岗，进行上岗前准备，包括：查看交接班记录 查看上个班次本班及其它班产品质量情况 每班交接班前提前15 分钟。检查机床、模具状态是否正常。压铸操作规范二 生产准备验证: 生产前必须按《生产准备作业验证》进行验证，其中工艺验证包括：核对现场实际工艺和工艺卡是否一致；将没有输入的工艺逐项输入并核对。 压铸操作规范三 1机床启动。 2启动机床前，必须全面检查机床确保机床处于正常状态。 3启动机床前，手动润滑后再开机。 4点动启动机床并观察机床运转情况，如有异常立即停机。 5机床启动后，应开冷却水，以防油温升高。 6机床发生故障或报警信号响起，应立即查看原因后报修，严禁机床带病工作。 压铸操作工艺流程作步骤四 模具安装f调试T清理预热模具f喷刷涂料f合模f涂料准备f 涂料配制 f 压铸 f 冷却与凝固 f 开模 f 顶出铸件f质量检验T成
品T废品f合金熔化 一、模具安装 模具安装前，压铸工必须全面了解模具结构状况，包括： 1模具有无抽芯；动模抽芯，还是静模抽芯；滑块抽芯，还是液压抽芯。 2是否需要安装复位杆。 3浇口套大小，溶杯大小，结合尺寸是否一致。 5 是否中心浇口。 6 顶棒位置、大小、长短是否合适。 二、操作规范 1根据模具情况更换熔杯冲头，必要时调节压射升降机构。 2检查动静模板，确保表面无异物、无高点。 3正确安装吊具，在确定安全的情况下起吊，并确保模具进入机床前无摇动，以免撞伤机床。 4根据模具情况，正确安装模具。特别注意，带有液压抽芯的模具，必须将机床相对应抽芯状态调到“选择”并且抽芯在动模的，要调到“锁模前”插芯；抽芯在静模的，要调到“锁模后”插芯状态。 5压紧模具，接好油管及冷却水管完成模具安装。 三、模具调试 1安装完毕后进行模具调试，装有抽芯器的先调试抽芯器，调试时必须注意。
新型半固态铝合金的设计与优化研究
收稿日期:2005211228; 修订日期:2005212226 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目 (2002AA336080) 作者简介:徐 骏(19542 ),江苏镇江人,博士,教授.从事金属半固态加工技术研究. Vol.27No.3Mar.2006铸造技术 FOUNDR Y TECHNOLO GY ?有色合金及其熔炼 Non 2ferrous Alloy and Its Smelting ? 新型半固态铝合金的设计与优化研究 徐 骏1,王海东1,2,张志峰1,杨必成1,田战峰1,石力开1,韩静涛2 (1.北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京100088;2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083) 摘要:结合半固态加工基本原理,利用热力学计算方法,设计出了新型半固态铝合金,主成分为Al 26%Si 22%Mg ,并利用实验方法优化选择了微量元素Zr 、Sr 。结果显示:Zr 元素具有明显的细化晶粒作用,Sr 元素的加入具有改善共晶硅形态的作用。合金中Zr 含量为0.10%～0.14%、Sr 含量为0.02%～0.04%的新合金AlSi6Mg2,表现出良好的半固态组织和力学性能。关键词:铝合金;半固态;合金设计 中图分类号:T G146.2+1 文献标识码:A 文章编号:100028365(2006)0320249203 De s i g n a n d Op ti miz a ti o n of A d v a nc e d S e mi 2s oli d Al u mi n u m All o y XU Jun 1,WANG H ai 2dong 1,2,ZHANG Zhi 2feng 1,YANG Bi 2cheng 1,TIAN Zh an 2feng 1,SHI Li 2k ai 1,H AN Jing 2tao 2(1.N ational E ngineering R esearch Center for Nonferrous Metal Composites ,B eijing G eneral R esearch Institute for Nonferrous Metals ,B eijing 100088,China ;2.School of Materials Science and E ngineering ,U niversity of Science and T echnology B eijing ,B eijing 100083,China) Abs t rac t :A main component Al 26%Si 22%Mg of an advanced semi 2solid aluminum alloy was de signed by thermodynamic calculations with the consideration of the basic principle of semi 2solid proce ssing (SSP ).Tiny Zr and Sr addition were selected by optimizing experiment methods.Re sults show that the new alloy AlSi6Mg2with 0.10%～0.14%Zr and 0.02%～0.04%Sr has good micro structure and mechanical propertie s in SSP. Ke y w ords :Aluminum alloy ;Semi 2solid ;Alloying de sign 半固态加工技术是极具潜力的近终成形技术之一[1,2]。目前,国内关于半固态加工技术的研究主要集中在对其工艺技术本身的研究上,采用的材料多为传统铸造铝合金,如A356、A357。由于传统铸造铝合金的局限性,使其并不能充分发挥半固态加工技术的优势,因而限制了半固态加工技术在工业上特别是汽车零部件制造业上的推广和应用。针对这一情况,研制开发出能充分发挥半固态加工技术特点,又具有市场应用前景的的半固态专用铝合金具有很大的现实意义[3,4]。本文以Al 2Si 2Mg 系作为研究对象,利用热力学计算设计出新型半固态铝合金的主成分为Al 26%Si 22%Mg ,并实验优化选择了微量元素Zr 和Sr 。1 新型半固态铝合金主成分设计1.1 新合金设计的基本条件 为了获得适合半固态加工成形的新合金,在合金设 计时需要根据半固态加工成形的特点来考虑新合金应 满足的基本条件[4]:①合适的固2液相温度区间ΔT S -L ,在参照常用铸造和变形铝合金固相线与液相线数据的 基础上,设定30℃≤ΔT S -L ≤150℃,以利于半固态初生相形成和固相体积分数的控制;②固相分数f S 对温度的敏感性,如果固相分数对温度的敏感性太高,温度的微小波动就会引起固相分数较大的变化,这将会使加工过程难以控制,并导致最终产品的质量不稳定。为此,在合金设计时设计固相分数随温度的变化率df S / d T ≤0.015;③Mg 2Si 是Al 2Si 2Mg 系主要的强化相,在 合金设计时应有尽可能多的析出量,使合金具有良好的热处理强化能力,以获得高性能的半固态零部件。1.2 热力学计算与设计结果 根据新合金设计的基本条件,采用国际通用的Thermo 2Calc 软件对Al 2Si 2Mg 系合金进行了计算。 表1是影响半固态加工主要参数的计算结果,其中列出了商用铝合金A356、A357及6061的相关参数,以便于比较。新合金具有合适的液相线温度,液固相温 度区间ΔT S -L =58.5℃,满足合金设计的基本条件。在计算d f S /d T 时,分2种情况:f S =0.3和f S =0.6 ? 942?
铸造数值模拟
铸造过程数值模拟 摘要：铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。 关键词：数值模拟；充型过程；微观组织；应力；热裂； 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。 一、铸件充型过程数值模拟的研究概况 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、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。然而由于本身的复杂性, 与凝固过程相比, 充型过程计算机数值模拟技术的起步较晚。长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量的试验基础上的经验准则。从20世纪80年代开始, 在此领域进行了大量的研究, 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。 许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等都与液态金属的充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方式，对充型过程进行数值模拟非常必要。其研究多数以SOLA—VOF法为基础，引人体积函数处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方法进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量实验验证之后，用K一￡双方程模型模拟铸件充型过程紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行计算法、三维有限单元法等，但最好的算法仍然没有找到。常用的网格划分为矩形单元(2D)或正交平行六面体(3D)。日本的I.Ohnaka等人提出了无结构非正交网格，这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主导地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作已经开始。充型模拟的另一发展趋势是浇注系统辅助设计，R.McDavid和J.Dantzig在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。 二、缩松和缩孔预测的数值模拟研究概况 铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程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松、缩孔的预测．但是，大多数判据均是在用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效。由于石墨铸铁凝固时析出比体积较大的石墨。因此其体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专门的判据。 铸钢件缩松、缩孔预测判据经过多年的发展，从最初的定性温度场热节法，发展到后来的E．Niyama提出的G／R1／2法，再到后面的流导法、固相率梯度法等定量预测方法，无论从精度还是从使用范围看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件钢中的缩松、缩孔。 而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩松、缩孔的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994年，李嘉荣等在大量试验的基础上提出了球墨铸铁缩松、缩孔形成预测的“收缩膨胀动态叠加法(DECAM)”，该法基于Fe—C平衡相图，用杠杆原理计算凝固过程中收缩和膨胀量，将收缩和膨胀量进行叠加，可以预测球墨铸铁件缩松、缩孔的形成．李文珍等在进行球墨铸铁微观
压铸工艺实操全过程
压铸工艺实操全过程 一、概述 压铸：熔化的金属从模具口高速注入，在未凝固之前加高压，使模具各部分型腔铸满，加工的产品表面美观，且尺寸精度高、稳定。 压铸大致可分为两种：冷式压铸机作业法和热式压铸机作业法。前者一般适用于铝合金、镁合金、铜合金等高熔点合金；后者适用于锌、铅、锡等低熔点合金压铸。 二、压铸机简介 压铸机也根据作业方法的不同分为：冷式压铸机和热式压铸机。 冷式压铸机又可分为：卧式压铸机与立式压铸机 xxx目前所使用的均为冷式卧式压铸机。故以冷式卧式压铸机为例。 压铸机主要分为三大机构：锁模机构、压射机构、顶出机构
冷式压铸机本机各部名称： 下面是冷式压铸机各装置的典型布局
主要有压铸机本机、给汤机、喷涂机、取出机等组成。 三、压铸安全操作注意事项 1、开机作业前，必须确认“安全门”、“非常停止按钮”、“操作电源开关”、的功能是否正常。 2、必须确认开合模、与取出机、喷雾机之间的安全互锁关系是否正常。 3、严禁两人或更多的人同时操作按钮。当有帮手时（换模），必须在相互确认，高声呼喊，方可下一步动作。 4、压铸作业时，模具分型面前方严禁站人。 下面是铸造作业时发生灾害事故的分析：(数据来源日本) a 模具分型面最容易飞散铝液引起烫伤事故。43%
b 开模时候的料饼裂碎会引起烫伤事故。7% c 被顶出板夹住引起事故。6% d 被曲柄夹住引起事故。2% e 其他的灾害事故42% 5、取出机活动范围内严禁站人。 6、清理或修理模具时，必须关闭“操作电源开关”或按下“非常停止”按钮。 7、给汤机勺子作业前要预热、涂钛白粉、烘干，以免造成爆炸。熔解炉中严禁注水。 8、压铸机、模具修理时，如有身体一部分要进入动作结构时，必须切断电源开关，以免机械误动造成人身伤害。 四、发生事故时的应急措施 1、铝液爆炸时，操作工应尽快躲避，并高声通知。 2、发现火情，应立即关闭电源，随后用灭火器或砂子扑灭。 3、生产中，发现异常动作时，都应立即停止，报告领导，寻找原因。
(工艺技术)半固态金属铸造工艺
半固态金属铸造工艺 3.1 概述 自1971 年美国麻省理工学院的D.B.Spencer 和M.C.Flemings 发明了一种搅动铸造（stir cast ）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Sr15% Pb 流变浆料以来，半固态金 属（SSM铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶 组织合金或称部分凝固铸造合金（Partially Solidified Casting Alloys ）。由于采用该 技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成形的部件。半固态金属铸造工艺的成形机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态 铸造用压铸机，成形件重量可达7kg 以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21 世纪最具发展前途的近净成形和新材料制备技术之 一。 3.2 工艺原理 在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2 左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6 时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。 3.3 合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法 （SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。 3.3.1 机械搅拌法 机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings 等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡- 铅合金半固态浆液；H.Lehuy 等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌- 铝合金和铝- 硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效 果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。 3.3.2 电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用 下产生 运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993 年由法国的C.Vives 推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。 3.3.3 应变诱发熔化激活法（SIMA） 应变诱发熔化激活法（SIMA是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈的拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。 SIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之间再加一
铸造过程的数值模拟
铸造过程的数值模拟 1零件分析 本次铸造过程的数值模拟所用的零件为方向盘，该零件结构复杂，并且在实际使用过程 中，需要承受较大的扭转力，因此选用镁合金并采用压铸工艺。此项工作需要在方向盘上建 立合适的浇注系统和溢流槽，进行充型模拟，得到合理的压铸方案。在建立浇注系统之前，需要合理选择分型面，然后选择浇注系统的内浇口位置，待浇注系统建立好之后，进行一次预模拟，从而确定溢流槽的数量和位置。 2工艺设计 2.1浇注系统 该铸件的分型面为铸件的最大截面，选定的浇注系统在铸件上的位置如下图所示。 rr 口斗+带〒 *”斗-T 已知数据有：压室直径60mm，压室速度0.1m/s-3m/s，铸件材料AM50A，方向盘质量 595g，压射温度685C。 查表取值：AM50A 镁合金密度1.75g/cm3;充填时间t= 0.05s;内浇口厚度b=2.5mm ; 取充填速度v仁50m/s。 铸件的体积v= — = —95 =340000mm 3; P 1.75 根据经验，可以取溢流槽的体积为铸件体积的10%，则溢流槽的体积v^ 34000mm3。 计算内浇口面积（V铸件+ V溢流槽） vt 二340 34 -50 0.05二149.6 2 mm
内浇口宽度 s c 2 b 冲头速度 4v 1s 4x 50 x149.6 “ , V ? 2 2 2.65 m / s nd 兀汽60 横浇道选用等宽横浇道 厚度 bh=10mm ，斜度10°，宽度B=（ 1.25-3）An/bh ;圆角半径 r=2mm ,横浇道宽 2 度为 30mm 。增压时间 k=1.5s ，: =0.005 t = k ： b 1.5 0.005 9 = 0.0675s 直浇道的设计 因为压室直径为60mm ，因此可以将直浇道与压室相连处的直径设计为 60mm ，直浇道 的高度为40mm ，拔模斜度为5 °。 2.2排溢系统 根据前面所述，溢流槽的总体积设计为铸件总体积的 10%,则v^ 34000mm 3。并且 设计三个溢流槽，分布在方向盘的圆周上，具体位置根据铸件最后充型位置确定。 根据经验和查表，溢流槽的桥部的尺寸与内浇道的尺寸的差距不宜过大， 因此选取溢流 槽的尺寸为 A=30mm ， B=35mm ， H=12mm ，a=9mm ， b=22mm ， c=1mm ，溢流槽桥部厚度 为h=1.3mm 。则溢流槽的仓部体积和为 v 溢=3 ^B_H = 3 30 35 37800mm 3。 149.6 治 30 mm
铝合金半固态锻造工艺研究
铝合金半固态锻造工艺研究
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轻金属半固态模锻工艺研究 1、前言 2０世纪70年代初,美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施加强烈的搅拌,可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织,从而得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料,即半固态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性,采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为半固态金属加工(Seｍｉ-Solid MetaｌProcｅssinｇ,简称ＳSM)。从理论上讲，凡具有两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能，即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时,坯料具有很高的粘度近似固态,可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时,坯料便表现出较小的粘度可以像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时,由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大,流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此,半固态金属成形具有多方面的优点：相对于普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造）,由于半固态浆料中已有一半左右的固相存在而且温度低于液态金属近1０0℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，而且模具寿命成倍提高;相对于常规固态成形(如模锻或挤压），由于半固态浆料具有很好的流动性,因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少了成形道次、模具投入及后续机加工量,而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点,可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。 半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属锻造方法来生产,其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形力较大的高固相率的半固态材料，并
半固态金属铸造工艺
精心整理 半固态金属铸造工艺 3.1概述 3.2工艺原理 在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。 3.3合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅 -铝合金和铝-1993SIMA 状组织。该方法的特点是，不需要加入合金元素也无需搅拌。V.Dobatkin 等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声处理后获得半固态铸锭的方法，称之为超声波处理法，如图1所示。 图1超声波处理法示意图 3.4成形方法 半固态合金成形方法很多，主要有： （1）流变铸造（Rheoforming,Rheocast ） 图2触变铸造工艺示意图 1压铸合金2连续供给合金液3感应加热器4冷却器5流变铸锭6压射室7压铸模 在金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固相分数下，直接将所得到的半固态金属浆液压铸或挤压成形，见图2。
如R.Shibata等人曾将用电磁搅拌方法制备的半固态合金浆液直接送入压铸机射室中成形。该方法生产的铝合金铸件的力学性能较挤压铸件高，与半固态触变铸件的性能相当。问题是，半固态金属浆液的保存和输送难度较大，故实际投入应用的不多。 （2）触变铸造（Thixoforming,Thixocast） 将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区达到适宜粘度后，进行压铸或挤压成形，如图3所示。 图3触变铸造工艺示意图 1坯料2软度指示计3坯料重新加热装置4压射室5压铸模 美国的EOPCO、HPMCorp.、PrinceMachine、THTPresses以及瑞士的Buhler公司、意大利的IDRAUSA、ItalpresseofAmerica、加拿大的ProducerUSA、日本的ToshibaMachineCorp和UBEMachineryServices等均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。该方法对坯料的加热、输送易于实现自动化，故是当今半固态铸造的主要工艺方法。 （3 （4 4所示。 （5 (1) 1 2 3 4 5 6 7 (2) 1）铸件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。 2）凝固收缩小，故成形后尺寸精度高，加工余量小，近净成形。 3）成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。 4）制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，可使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的复合材料。 3.6半固态铸造技术的最新发展 3.6.1镁合金半固态温度区间扰动和浇温对铸态组织的影响 AZ91HP镁合金在不锈钢坩埚电阻炉中升温至720℃保温10分进行精炼处理后，在液相线附近进行短时保温处理，可减小枝晶组织形成趋势；降低处理温度、对熔体进行扰动均加速晶粒向等轴形乃至球形发展；在半固态温度区间对熔体吹氩（Ar）处理，使熔体扰动，提高了形核率，加速了
铸造数值模拟仿真报告
本科生课程考核试卷 科目：教师： 姓名：学号： 专业： 上课时间： 20 年月至20 年月 考生成绩： 阅卷教师 (签名)
一、前言 计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD）：是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证、产品总体设计、技术设计、零部件设计和产品图绘制等。 狭义铸造工艺CAD：即工艺设计，指用计算机软件在计算机上设计浇注系统、冒口、溢流槽、排气槽、冷铁、型芯等。并进行工艺图绘制。铸造工艺CAD可将计算机的快速、准确和设计人员的经验、智慧结合起来。改变上千年的手工设计方式，缩短工艺设计周期，提高设计水平，提高产品的质量和竞争力。 二、产品分析及初步方案 图1 图2 如图1和图2所示，该产品为方向盘，此模型是一个方向盘，结构复杂，并且在实际使用过程中，需要承受较大的扭转力，一般为锌合金，或者铝合金，我们做模拟时就采用更便宜、更轻的镁合金并采用压铸工艺生产。初步拟定工艺设计过程如下：
1. 初步方案设计 2.压铸工艺有关参数的选取 3.根据产品体积，确定内浇口面积及形状。 4.横浇道和直浇道方案设计 5.根据确定的参数，利用CATIA软件作出浇注系统三维模型。 6.利用Anycasting模拟充型过程 三、具体设计过程 1.初步方案设计 图3 金输液流动方向如图3所示，此零件结构复杂，在高压浇注过程中，充型速度很快，易产生激溅、铁豆，且型腔中气体不易于排除，所以根据上述易产生的缺陷，应采用底注式浇注系统，它不但能改善上述缺陷，还可以使内浇道很快被金属液淹没，实现快速平稳充型。同时型腔中液面升高后使横浇道较快充满，较好挡渣，利于得到外形精美、质量优良的铸件。 由于此零件模型中间部分较为复杂，四周比较简单，中间位置充型易出现问题，所以浇注系统的位置应该选在下面部位上。
半固态压铸件ADC12铝合金的可行性毕业论文外文翻译
文摘 研究半固态压铸件ADC12铝合金的可行性。已经确定活塞速度受壁厚和固态粒度缺陷的影响。研究表明缺陷是由缩松引起的。在实验中,采用的是半固态浆料制备半固态gas-induced(GISS)的技术。然后,液态金属被转移到压铸模具之中,模具和套筒温度分别保持在180 C和250 C结果表明,GISS制作的压铸模具松孔较小没有气泡微观结构均匀。实验结果表明并可以推论,GISS是可行的,适用于ADC12铝压铸过程。另外GISS可以改进性能比如减少孔隙度和增加组织均匀性。 关键词:ADC12铝合金;半固态压铸;气体引起的半固态(GISS); 流变铸造 第1章 在电子、航天、和建筑领域。多年来一直使用铝制部件这些部件通常使用高压压铸过程大量生产。压铸过程的优点在于实现了如生产效率高和生产小且复杂的工件压铸过程包括将铝液在高压下注入到一个模具型腔中。金属液灌到模具型腔中,导致金属反应和铸造的过程中产生气孔。因此,最终的结构部分充满气泡和氧化物夹杂。此外，压铸件通常不能进行加工,由于这些缺陷的产生要进行阳极氧化、焊接、热处理,[1-4]。来提高的压铸过程质量和性能因此在这里介绍了半固态金属技术。大量的半固态压铸的研究报道,使用半固态压铸有助于改善产品性能和提高质量的压铸零件[5-7]。半固态金属加工过程使用流变路线可以提供更高粘度的液体与更高的粘度, 能够获得更少的湍流流动,这有助于减少空气孔隙度和氧化物夹杂在模具填充[5-7]。此外,流变过程可以很容易被应用于传统的压铸模具的生产过程,只需要少量修改便可使效率提高[8]。许多研究显示成功的半固态压铸与流变过程[7-12]。然而,大多数的工作已经使用了A356,A357,ADC10铝合金。尽管ADC12现已广泛用于压铸行业,但是还没有完整的研究的半固态成形铝合金已发表。ADC12铝合金的好处是具有良好的流动性优秀的铸造性能和高机械性能。不会导致气孔缺陷,通常也不会因为在高温下进行表面热处理而引起起泡和毛孔扩张[13-14]。ADC12铝合金也因此被选中来研究半固态压铸过程。 a本研究的主要目标是其可行性 1)处理的铝合金半固态ADC12使用气体引起的半固态(GISS)技术和 2)半固态压铸的商业部分。
ProCAST 熔模铸造过程数值模拟
熔模铸造过程数值模拟 —国外精铸技术进展述评 北京航空航天大学陈冰 20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着此项技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。其中，A FSolid (3D)（美国）, PASSAGF/POWERCAST（美国）、MAGMA（德国）、PAM-CAST（法国）、ProCAST（美国）等最具代表性。尤其值得一提的是由美国UES公司开发的ProCAST，和美国铸造师协会(American Foundrymen's Society)开发的 AFSolid(3D)，它们代表了二种不同类型的软件系统。 一. 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者——ProCAST 早在1985年，美国UES Software Co.便以工程工作站/Unix为开发平台，着手开发ProCAST[1]。为了保证模拟结果的准确性，ProCAST一开始就采用有限元方法(FEM)作为模拟的核心技术。自1987年起，开发用于熔模铸造（精铸）的专业模块。1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也参加ProCAST部分模块的开发工作。2002年，UES Software和Calcom SA先后加盟ESI 集团（法国）。通过联合，ESI集团在虚拟制造领域的领先地位进一步增强。 现在，ProCAST也有微机/Windows或Windows NT版本。三维几何造型模块支持IGES、STEP、STL 或Parasolids等标准的CAD文件格式。Meshcast模块能自动生成有限元网格。它的凝固分析模块可以准确计算和显示合金液在凝固过程的温度场、凝固时间，以及固相率变化，同时，从孤立液相区、缩孔／缩松体积分数、缩孔／缩松Nyiama （新山英辅）判据等三方面，帮助铸造工程师分析判断缩孔／缩松产生的可能性和具体位置(见图1) [2]。针对熔模铸造热壳浇注的特点，ProCAST传热分析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝固过程的影响, 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别重要。例如，对不锈钢人体植入物的凝固过程进行模拟时，发现位于模组中部的铸件由于接收到的辐射热比周边铸件多，因而温度偏高，不利于铸件顺序凝固，容易产生缩孔、缩松[1]。特别值得一提的是，ProCAST特有的辐射分析模块，计及辐射线入射角和遮挡物的影响，模拟对象一旦因相互运动导致辐射线入射角改变或产生遮挡, 该软件将重新自动进行计算，特别适用于定向凝固和单晶铸造。 a) 孤立液相区 b) 缩孔／缩松体积分数 c) Nyiama （新山英辅）判据图1 ProCAST缩孔／缩松判据