鋁合金消失模鑄造中縮孔的數(shù)值模擬

simould_tec

2009年11月18日 12:42

上海析模科技有限公司---FLOW-3D中國(guó)指定代理

P. Scarber, Jr., H. Littleton (阿拉巴馬大學(xué)，伯明翰市，美國(guó))
美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)(版權(quán)2008) 摘要在全球大多數(shù)鑄造廠中鋁合金鑄件上孔洞問(wèn)題一直成為導(dǎo)致廢料的首要原因。研究表明：敞口鑄型中一些減少鋁鑄件縮孔及縮松的改進(jìn)方法已取得了不同程度的成功，然而消失模鑄造中充型行為很明顯不同于敞口鑄型，并且減少孔洞的方法并沒(méi)有取得同樣的效果。
過(guò)去三十年里鑄造仿真軟件一直被沿用至今，并已成功地預(yù)測(cè)出鋼件孔洞的發(fā)生位置。由于鋁合金具有更寬的凝固區(qū)間并且缺少相關(guān)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，致使其孔洞變得更難預(yù)測(cè)。在消失模鑄造中，由于鋁合金溫度梯度變化極其復(fù)雜，所以仿真軟件不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出相對(duì)較大的孔隙。
通過(guò)增加更準(zhǔn)確的凝固熱物性數(shù)據(jù)并且修正凝固模塊的子程序，使得仿真軟件更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋁合金消失模鑄造的縮孔發(fā)生位置。凝固模擬可以在數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，利用新數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果與實(shí)際鑄件在顯微觀察結(jié)果更接近。
對(duì)同一鋁合金系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用新數(shù)據(jù)模擬的冷卻曲線要比利用公布數(shù)據(jù)的結(jié)果更加準(zhǔn)確。仿真后孔洞出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾毫米范圍內(nèi)，這比公布數(shù)據(jù)得出結(jié)果更準(zhǔn)確。
引言
過(guò)去二十年里，由消失模鑄造(LFC)生產(chǎn)鋁合金件的數(shù)量已增長(zhǎng)了超過(guò)1000％，并且在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)放緩的情況下新投產(chǎn)的消失模鑄造廠的數(shù)量仍能以一個(gè)相對(duì)較高速度增長(zhǎng)。消失模鑄造是一種非常節(jié)約成本的鑄造方法，這緣于其具有可分開(kāi)的工藝流程，許多復(fù)雜而小批量的零組件都可以通過(guò)單一的消失模型澆注成型。許多加強(qiáng)件都是由消失模鑄造成型的，由于其工藝可以降低總成本和減少鑄件的廢料，所以在現(xiàn)代的鑄造方法中消失模鑄造被當(dāng)作首選。如果完全了解并掌握消失模鑄造
各階段的工藝，那么就有可能會(huì)生產(chǎn)幾乎沒(méi)有加工余量的鑄件，但鑄件產(chǎn)生不連續(xù)的縮孔成為一個(gè)大問(wèn)題。
為了獲得高質(zhì)量的消失模鑄件，利用計(jì)算機(jī)對(duì)金屬液流動(dòng)、充型過(guò)程和凝固過(guò)程仿真是一個(gè)必不可少的步驟。由于金屬液前沿運(yùn)動(dòng)及溫度梯度形成過(guò)程并不是很直觀，因此常利用計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)時(shí)X射線及鑄造儀器等找出鑄造缺陷及異常的來(lái)源。然而，在一些案例中仿真結(jié)果并不夠準(zhǔn)確，這使得大家開(kāi)始懷疑消失模鑄造仿真結(jié)果的正確性。
仿真軟件發(fā)展三十多年以來(lái)，一直把鑄件孔洞仿真作為仿真軟件的首要任務(wù)。如今，大多數(shù)商業(yè)鑄造軟件已經(jīng)能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)敞口鑄型的縮孔位置，其中一些軟件甚至可以預(yù)測(cè)消失模鑄造金屬前沿的收縮情況，但這些軟件對(duì)縮孔預(yù)測(cè)并不是很成功，這主要緣于消失模鑄造的充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（一般來(lái)說(shuō)，比敞口鑄型工藝的時(shí)間要多出一個(gè)數(shù)量級(jí)）。尤其對(duì)鋁硅合金來(lái)說(shuō)，充型時(shí)間越長(zhǎng)，溫度梯度變化越復(fù)雜。
本文詳細(xì)介紹了在伯明翰市由美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)消失模鑄造委員會(huì)主辦關(guān)于阿拉巴馬大學(xué)開(kāi)發(fā)的研究工藝，該工藝可大幅度提高鋁合金消失模鑄造的孔洞預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性問(wèn)題。通過(guò)修正一套商業(yè)模擬軟件及對(duì)實(shí)驗(yàn)澆鑄體進(jìn)行研究，以提高鋁合金消失模鑄造縮孔預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。研究中所采用的鋁合金為C356 和 A319，仿真結(jié)果在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。
原理
鑄造仿真軟件從它誕生之日起，人們把孔洞預(yù)測(cè)作為計(jì)算機(jī)仿真重要目標(biāo)。而首次增加縮孔模型的仿真軟件僅僅被設(shè)計(jì)成只限于相對(duì)較大的黑色金屬鑄件，主要包括一些形狀簡(jiǎn)單和厚壁合金鋼。該仿真軟件主要模擬一些冷卻速度相對(duì)較快大和補(bǔ)縮范圍及距離較短的鑄件，所以利用仿真軟件找到的鑄件熱點(diǎn)或凝固判據(jù)（如凝固時(shí)間或凝固速度等）都是相當(dāng)準(zhǔn)確的。然而對(duì)于鋁硅合金來(lái)說(shuō)，這些凝固仿真軟件并不能找到縮孔的準(zhǔn)確位置，主要因?yàn)殇X硅合金具有較長(zhǎng)的凝固區(qū)間。
早期鋁合金凝固仿真主要集中對(duì)高速冷卻的固定模鑄件開(kāi)發(fā)上。快速凝固可以消除凝固區(qū)間較寬、負(fù)熱對(duì)流及枝晶間補(bǔ)縮的影響，這讓仿真以最小的計(jì)算力運(yùn)算變得更可行。近年來(lái)，鋁合金凝固仿真重點(diǎn)更多地放在縮松方面，但不得不承認(rèn)對(duì)
宏觀收縮問(wèn)題仍很難預(yù)測(cè)。
為了更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋁鑄件孔洞，軟件需要在鑄件各個(gè)位置上預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確溫度場(chǎng)。這對(duì)消失模鑄造來(lái)說(shuō)極其重要，因?yàn)殍T件在充型結(jié)束后有時(shí)會(huì)形成不可預(yù)測(cè)或不正常的溫度梯度。此外，在敞口鑄型中充型過(guò)程速度越慢，熱對(duì)流越強(qiáng)，從而使溫度場(chǎng)變得更復(fù)雜。
利用有限差分法，得出受內(nèi)能控制的溫度場(chǎng)微分方程如下：

其中，VF 表示流體流經(jīng)計(jì)算單元的體積分?jǐn)?shù)、AX, AY, AZ分別表示流體流經(jīng)單元的截面面積比例、 u, v, w 分別表示x, y, z 三個(gè)方向的流體流動(dòng)速度。方程右邊的關(guān)系式表示與外加熱源和散熱有關(guān)的。湍流擴(kuò)散內(nèi)能的微分方程如下：

其中， ci 表示互逆紊流普蘭特爾數(shù)。熱傳導(dǎo)的微分方程如下：

其中，T 表示溫度和 k 表示流體的熱傳系數(shù)。方程式（一）與方程式（二）合并后內(nèi)能的微分方程如下:

其中， cv,1 表示流體的恒容比熱、fs 表示凝固率、cLHT,1 表示凝固相變熱。把方程式（四）展開(kāi)后，形成一個(gè)含相分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)變能多項(xiàng)式，并將其代入最后一個(gè)關(guān)系式。(Flow Science, Inc, 2006)
模壁、內(nèi)芯、壁邊界及其它類似干擾都會(huì)影響流體內(nèi)能變化。受總熱傳導(dǎo)方程
控制干擾溫度的微分方程如下：

其中，ρw, Cw, kw, Tw 分別表示固體材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、溫度，而TSOR is 由液固傳導(dǎo)及外加熱源引起的能量傳遞關(guān)系式，其值等于方程式（三）的TDIF值。(Flow Science, Inc., 2006) TSOR包括了相變和熱輻射在內(nèi)的所有熱量傳遞的熱能。
如同其它商業(yè)鑄造軟件一樣，由流動(dòng)科學(xué)公司（Flow Science, Inc.）推出的Flow-3D軟件也是利用上述方程式進(jìn)行計(jì)算，該軟件可以在消失模鑄造充型過(guò)程結(jié)束后，計(jì)算出溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化。為了顯示縮孔形成原理，F(xiàn)low-3D軟件會(huì)讓在熱點(diǎn)區(qū)孤立液相開(kāi)始凝固，隨后周圍產(chǎn)生空洞或凹陷，最終形成縮孔。對(duì)于快速充填的厚壁件來(lái)說(shuō)，當(dāng)該物理模型選用非常準(zhǔn)確時(shí)，消失模鑄型和敞口鑄型的鑄件在仿真結(jié)果卻有很大的差異。假設(shè)物理模型選用非常正確且完整，那么導(dǎo)致消失模鑄造縮孔預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的原因一定是輸入的熱物性數(shù)據(jù)不充分或不正確。
實(shí)驗(yàn)方法
以往嘗試對(duì)鋁硅消失模鑄件縮孔預(yù)測(cè)的研究是非常不成功的，主要是從儀器測(cè)量的冷卻曲線數(shù)據(jù)跟仿真的結(jié)果不一致。圖（一）是采用消失模鑄造成形的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，上部的冷卻曲線是通過(guò)熱電偶儀器測(cè)量的，下部冷卻曲線是通過(guò)仿真軟件模擬的結(jié)果。如圖所示，雖然由縮孔導(dǎo)致的鑄件廢料率超過(guò)80％，仿真冷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，但是實(shí)際預(yù)測(cè)并沒(méi)有孔洞產(chǎn)生。鑄造仿真采用兩種熱物性數(shù)據(jù)，一個(gè)來(lái)自于A319公布的數(shù)據(jù)，另一個(gè)來(lái)自于AFS資助項(xiàng)目所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以提供更完整的鑄造仿真熱物性數(shù)據(jù)。
仔細(xì)觀察冷卻曲線，可以看出一個(gè)非常真實(shí)的模擬結(jié)果（沒(méi)有任何跡象顯示在仿真冷卻曲線中產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變）。圖（二）為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的焓值變化曲線，鑒于硅的熔化熱是鋁的近四倍，曲線不連續(xù)性應(yīng)該跟它不一樣。

伯明翰市阿拉巴馬大學(xué)鑄造工程實(shí)驗(yàn)室（CEL）采用常用法被稱為硅等價(jià)法來(lái)修正焓值曲線。利用該方法及由CEL做其它實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整適當(dāng)焓值來(lái)解釋凝固過(guò)程中選用焓值較大對(duì)從富硅相析出有著很大的貢獻(xiàn)。
圖（三）顯示利用硅等價(jià)法所產(chǎn)生新焓值數(shù)據(jù)。很顯然，隨著富硅共晶相的析
出，曲線會(huì)有很大的不連續(xù)性。正如圖（四）顯示那樣，當(dāng)利用新的焓值數(shù)據(jù)時(shí)，模擬結(jié)果跟實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

結(jié)果與討論
圖5為采用鋁合金由消失模鑄造而成的直列式六缸氣缸體，左圖白色區(qū)域?yàn)閷?shí)
際鑄件的縮孔發(fā)生區(qū)域，右圖白色區(qū)域?yàn)閿?shù)值模擬結(jié)果的縮孔發(fā)生區(qū)域。圖5a的孔洞為了清楚可見(jiàn)，采用白色顏色圓圈標(biāo)識(shí)出來(lái)，而圖5b為仿真預(yù)測(cè)的孔洞的結(jié)果。事實(shí)上，對(duì)于該鑄件來(lái)說(shuō)，仿真可以準(zhǔn)確的模擬出宏觀-孔洞的位置，該縮孔主要發(fā)生在氣缸筒之間。之前利用公布的焓值數(shù)據(jù)仿真結(jié)果并沒(méi)有預(yù)測(cè)出圖5或其它縮孔的位置。

圖6為采用C356鋁合金由消失模鑄造而成的直列式六缸氣缸體，左圖白色區(qū)域?yàn)閷?shí)際鑄件的縮孔發(fā)生區(qū)域，右圖白色區(qū)域?yàn)閿?shù)值模擬的縮孔發(fā)生區(qū)域。圖6b仿真結(jié)果顯示在缸套與排氣管之間形成大面積孔洞。對(duì)實(shí)際鑄件在該區(qū)域切片，可以看到在仿真預(yù)測(cè)結(jié)果處確認(rèn)存在著縮孔

結(jié)論
本文開(kāi)發(fā)出一個(gè)新型方法，目的是在數(shù)值模擬中提高鋁硅合金消失模鑄造中縮孔的準(zhǔn)確性。以往采用公布的熱物性數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對(duì)廢品率極高的鑄件仿真極其不準(zhǔn)確。采用一種硅等價(jià)修正法讓冷卻曲線在實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果更加接近。
仿真結(jié)果顯示在兩種不同消失模鑄件中縮孔準(zhǔn)確性得到大幅提高。未來(lái)模擬工作將集中在提高球墨鑄鐵消失模及過(guò)共晶鋁硅的鑄件孔洞預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。
該模擬工作目的是協(xié)助消失模鑄造在鋁鐵鑄造廠中，在加工前利用模擬軟件找出縮孔準(zhǔn)確位置，讓廢品率降低最低。
致謝
Support for this study came from the AMC PRO-ACT program sponsored by the Defense Supply Center Philadelphia, Philadelphia, PA and AFS Division 11.

參考文獻(xiàn)
Bounds, S., Moran, G., Pericleous, K., Cross, M., and Croft, T.N., Metall. Trans. B, v 31, No. 3, 2000.
Campbell, J., Castings, Butterworth-Heinemann, 1997.

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