水冷殼低壓鑄造數值模擬

新能源汽車機槍的鋁水冷外殼主要采用壓裂工藝生產，所用材料為鋁3556鋁合金。本研究中，最大橫截面積為4mm，是典型的鋁合金壁面。為適應電動機長期運轉時循環水冷的要求,圓筒狀的機殼壁內做成了中空的螺旋水道,需要在低壓鑄造前安裝螺旋砂芯在模腔中,如圖1所示本研究運用了AnyCasting軟件對水冷機殼充型過程中的壓力、溫度及充填時間進行數值模擬分析及結果比較,并對工藝參數進行了優化,提高了產品的合格率。1u2004壓力和充型速度控制鋁合金水冷機殼低壓鑄造的工藝規范主要包括升液、充型、增壓、保壓結晶、卸壓、冷卻延時,以及鑄型預熱溫度、澆注溫度、鑄型的涂料等內容。生產中使用了帶有數字控制液面加壓系統的WFZJ4510低壓鑄造機進行水冷機殼低壓鑄造,同其他低壓鑄造鑄件一樣經過升液、充型、增壓、保壓結晶、卸壓和延遲冷卻的壓力控制變化過程為使鋁合金在持續氣體壓力狀態下進行致密度較高的結晶,水冷機殼低壓鑄造時壓力增加從升液階段開始,到充型時壓力一般為0.02～0.06MPa,充型時間為4.5～20s。在這個過程中,不同結構類型以及不同材質的鋁合金液體從開始充型到最后完全凝固,生產中各個階段會采用不同的壓力及充型速度,從而形成不同的壓力變化曲線。表1所示為三類可參考的鋁合金低壓鑄件的加壓工藝。由表1可以看出,對于無砂芯的鑄件,其補縮需求量小,可以使用較高的充型速度,并可以選擇低壓、大流量、大口徑升液管設備。而對于薄壁有砂芯的鑄件,補縮需求點多,補縮需求量大,需要選擇高壓、大流量、大口徑升液管以及增加細化壓力變化環節。帶有螺旋砂芯的水冷機殼低壓鑄造即屬于典型的薄壁有砂芯的鑄件,應該使用第三種情況的加壓工藝規范,首先進行快速增壓,即在凝固早期階段,就施以盡可能大的補縮壓力。這有利于提高水冷機殼鑄件薄壁處的致密度,有效提高機殼零件的力學性能。但金屬液充型上升過程中很快會遇到螺旋狀的砂芯,金屬液體將會大面積地與螺旋狀砂芯進行熱交換及化學反應,僅憑理論計算和分析難以下結論,因此這個階段采用的壓力和速度參數需要通過CAE軟件模擬,并在生產實踐中驗證得出。2u2004低壓制造過程的壓力計算與模擬分析2.1u2004壓力系數鑄件充型過程是鑄件凝固成形的前導,充型過程中金屬液與模具、砂芯之間進行了復雜的換熱及化學反應。鑄件充型過程的初始壓力及壓力變化速率直接影響后期鑄件順序結晶的凝固質量。許多鑄件凝固后期的缺陷都是在充型不利的情況下出現的,因此分析控制鋁液金屬充型質量因素是獲得優質鑄件的重要保證之一式中:P為充型壓力,Pa;h為合金液從液面上升到鑄件頂部的總高度,mm;r為合金液在澆注溫度時的密度,g/cm由于鑄型內部事先裝入了形狀復雜的螺旋砂芯,將會對充填進入的金屬液造成一定的阻力,故此處阻力系數μ取較大值1.35。根據鑄件的體積和熔爐的直徑計算,合金液體從液面上升到鑄件頂部的總高度為220mm,由此計算出初始的充型壓力約為0.0078MPa。2.2增加溫度對結殼補縮的影響在充型壓力的理論計算公式基礎上,運用AnyCasting軟件對不同的壓力參數數值進行模擬分析。在分析之前,首先在軟件系統中填入水冷機殼鋁合金及低壓鑄造模具的熱物性參數。機殼鋁合金使用的材料為A356,模具材料為SKD61,表2列出了初始溫度時的材料物性參數等模擬計算條件除物性參數選定外,還對其他初始工藝條件如模具溫度、升液條件進行了設置。然后根據表1中薄壁鋁合金低壓鑄造的工藝規范,將壓力變化劃分為六個階段(1)升液壓力為0.005MPa,充型壓力為0.0078MPa,加壓曲線如圖3a所示。由于充型時采用了較快的速度,沒有增加設定一段穩壓結殼階段,經模擬得到圖3b的結果。金屬液與鑄型、砂芯之間存在較大的溫度梯度,特別是當金屬液進入型腔后與砂芯接觸時,與砂芯進行較大溫度梯度的溫度交換及化學反應,環繞螺旋狀的砂芯與金屬液全面反應及熱交換,劇烈的反應會使原來呈現層流平穩上升的金屬液產生紊流,導致產生內部氣體和縮松缺陷,如圖3b中標示的位置。由于低壓鑄造金屬液充型是底注式,有外加壓力時,其補縮是從下向上,充型初期自下而上的補縮,充型后期自上而下的補縮使得在鑄件的頂部容易產生縮松和充填不足的缺陷。因此頂部成為鑄件重點的補縮區域。根據模擬結果可以看出鋁合金液體在上升經過螺旋砂芯的部分后,溫度下降較多,金屬液體與螺旋狀砂芯大面積接觸使得本來以平穩層流方式均速上升的金屬液不可避免地產生紊流現象,未經預熱的螺旋砂芯會吸收鋁合金液體的潛熱及上升動能,使本應該迅速上升的金屬液流動形態發生變化,增加了鑄件頂部氣孔和縮松的可能性,以至于產生缺陷。同時因為加熱過程中模具溫度控制不合理,導致充型時模具溫度與鋁合金液體之間溫差較大,凝固時縮松區域(圖3b)來不及補縮,形成較大的縮松。模具預熱溫度較低還會使鋁液充型接近頂部時溫度迅速降低到凝固溫度以下,鑄件過早凝固形成縮松。(2)升液壓力為0.006MPa,充型壓力為0.0085MPa,充型時采用較慢的速度,壓力曲線的斜率減小,同時在金屬液全面充型之后增加了一段5s的穩壓結殼階段,如圖4所示。圖中可見僅有一處縮松缺陷發生,這說明增加一段穩壓過程有利于結殼補縮。(3)升液壓力為0.006MPa,充型壓力為0.0085MPa,充型時采用了更慢的速度,并將穩壓結殼階段的時間增加為15s以上。同時將起始充型溫度適當提高為735℃,以避免充型過程中降溫至固相區域,鑄件過早凝固的情況發生。加壓曲線如圖5a所示,經模擬得到圖5b的結果,圖中再沒有縮松缺陷發生。3金屬液進入模腔的過程設計在水冷機殼實際生產中,將軟件模擬的參數設置方案與WFZJ4510低壓壓鑄機控制面板上顯示出來的加壓曲線比對分析,對水冷機殼這種薄壁鋁合金低壓鑄造零件的壓力工藝規范曲線應當進行更細致的劃分設定,全過程的工藝優化的內容總結如下:(1)升液階段。金屬液在升液管內的上升速度應盡可能緩慢,鋁液自起始位置上升至升液管頂端即將進入模腔,速度緩慢利于流動平穩,一般控制在16～18Mbar/s,有利于型腔內氣體的排出,同時也可使金屬液在進入模腔澆口時不致因為橫截面突然變化而產生噴濺。(2)加快充型壓力提升速度。溫度較低的砂芯將會消減金屬液的熱能,在金屬液進入型腔但未充滿模腔時,快速增壓過程中的補縮顯得尤為重要,而且需要更高的補縮壓力。在充型早期階段金屬液溫度還較高時,就施以盡可能大的補縮壓力。金屬液充滿型腔后,再繼續增壓,鋁液自升液管頂端至模具型腔頂端,速度一般控制在6～10Mbar/s。使鑄件的結晶凝固在較大的壓力作用下進行,即進行快速增壓以補充由于金屬液體與螺旋狀砂芯熱交換及化學反應而產生的動能損失。(3)增壓后期加入5～15s的穩壓結殼階段用于補縮,速度一般控制在50～70Mbar/s。這時的壓力越大,補縮效果越好,最后獲得的鑄件組織也越致密。(4)保壓時間。對于水冷機殼這類較大型的薄壁零件,保壓時間在10～15s較為適宜。如果保壓時間不夠,鑄件未完全凝固就卸壓,型腔中的金屬液將會流回爐內,造成機殼鑄件“放空”報廢;如果保壓時間太長,則金屬液在澆口會殘留較多,不僅降低生產收得率,而且還會造成澆口部分“凍結”,使鑄件出型困難。以上參數優化的重點在于凝固開始階段盡快施以較大的補縮壓力,因為對于薄壁件金屬型鑄造,鑄件凝固時間不長。液面升高的同時液態金屬已經在快速結晶,固相部分的比例快速增加,此時應急速升壓,以克服重力的負作用,進行補縮。與表1中一般通用的工藝規范比較,具體的參數優化設置如表3所示。4u2004模具水冷系統的研究運行AnyCasting中的Anypost模塊之后,模擬計算得到循環鑄造過程中鑄型的溫度變化。從中可以看出,不同的低壓鑄造條件參數形成的鑄型及鑄件溫度不同。我們將模具預熱至350℃,并在連續低壓鑄造過程中采用自動水冷系統控制模具溫度的工藝。通過分析軟件的模擬結果,如圖6可以看出,在增壓階段模具經過預熱后溫度從350℃開始上升,鑄件急劇下降,在保壓階段鑄型和鑄件之間的溫度變化較為平緩,因此可有效避免鑄件和模具之間溫度差較大而過早開始凝固形成縮松等缺陷。5砂芯與鋁液的密封優化(1)使模具預熱溫度分布合理,即左右側模具同步均衡加熱,預防溫度不均勻。(2)使用烘干爐預先烘干螺旋砂芯至200℃或以上,減少砂芯與鋁液之間的溫度差值。(3)對局部熱節處的對應模具部位采用強制冷卻,以調節出符合補縮的溫度場分布。(4)對局部影響補縮的“冷節”,在模具背后的四周鉆孔銑槽,然后充填絕熱材料,以增大熱阻,減緩冷卻凝固速度。6水冷有效充型過程分析由于金屬熔體在型腔內的流動與凝固過程無法在實際生產過程中看到,所以在解決鑄件缺陷問題時常需要花費大量的時間和試制成本,而且難以達到最佳的效果。根據水冷機殼的不同規格和幾何形狀,運用AnyCasting