【摘要】本文是基于FLOW - 3D CAST軟件對固相體，半固相體追蹤的功能，模擬了從液態(tài)金屬注入壓室開始至慢壓射前的時(shí)間段內(nèi)因熱量散失，所產(chǎn)生的固相體和半固相體。并就模擬出的高壓鑄造壓室中的流體流動形態(tài)與實(shí)際的鑄件樣進(jìn)行對比，結(jié)果表明，模擬的流態(tài)非常接近實(shí)際流態(tài)，完全可以用來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際中的工藝參數(shù)的設(shè)定

1、前言

在壓鑄生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝條件、現(xiàn)場設(shè)備等因素所限，會造成鑄件內(nèi)部出現(xiàn)各種質(zhì)量缺陷，而這些缺陷當(dāng)中又以孔類缺陷居多；對孔類缺陷產(chǎn)生的原因與脫模劑使用、壓室規(guī)格、慢壓射速度、沖頭油、金屬液含氣量等因素有關(guān)；目前的壓鑄充性過程數(shù)值模擬大部分是從料柄處或者澆道處開始填充，忽視了壓室慢壓射過程,以及慢壓射對快速充填過程的影響；在這些影響因素中，由于對合金液在壓室中的慢壓射過程中流動行為的研究報(bào)道很少，因此對于合金液在壓室內(nèi)的流動分析、相關(guān)壓鑄工藝的研究以及壓室內(nèi)合金液的流態(tài)對后續(xù)的合金液的充型行為的影響也研究不多，而實(shí)際生產(chǎn)中慢壓射階段的原因所造成的質(zhì)量問題也同樣的困擾著我們的鑄造工藝工程師。

FLOW - 3D CAST模流軟件是由  FLOW – 3D公司推出的專業(yè)鑄造模擬軟件，其采用的獨(dú)特的Tru VOF（Tru volume of fluid）算法，是由FLOW-3D美國總部的C.W. Hirt博士開發(fā)的獨(dú)有的算法，其采用的是三維不可壓縮兩相流數(shù)學(xué)模型,該模型通過全場耦合計(jì)算液一氣兩相的運(yùn)動，考慮了兩相之間的相互作用，可以模擬流動過程中自由表面復(fù)雜的幾何拓?fù)渥兓?采用這些算法，使得 FLOW-3D 能夠精確的捕捉自由液面和流固界面位置，極其精確的模擬液態(tài)金屬充型和跟蹤填充缺陷。

FLOW - 3D CAST的優(yōu)勢在于其金屬液在鑄造過程中流態(tài)的精確分析，因?yàn)殍T件在流態(tài)時(shí)的監(jiān)測和提前預(yù)防比在凝固時(shí)更加重要。FLOW - 3DCAST可以監(jiān)測和模擬流態(tài)的狀態(tài)，對流態(tài)走向進(jìn)行分析，對流速進(jìn)行有效控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)修正，減少卷氣氧化的產(chǎn)生，避免鑄件缺陷產(chǎn)生的因素，大幅提高鑄件的品質(zhì)，提高產(chǎn)品的良品率。

借助FLOW - 3D CAST模流軟件的模擬結(jié)果，對壓鑄壓鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化處理，經(jīng)過優(yōu)化的工藝方案生產(chǎn)出的鑄件的氣孔缺陷可以大大減少，減少了廢品率的發(fā)生，也可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本。

鑒于此，F(xiàn)LOW-3D 能夠高效解決金屬鑄造領(lǐng)域的復(fù)雜問題，本課題以FLOW - 3D CAST模流軟件為工具，利用軟件對固相體，半固相體追蹤的功能，對于對合金液在壓室中的慢壓射過程中流動行為進(jìn)行了模擬研究，并以實(shí)際的壓鑄實(shí)例作為參照，進(jìn)行了對比。

2、模流驗(yàn)證

2.1  基本模型

在FLOW - 3D CAST軟件中,壓室壓射過程和充型過程的數(shù)值模擬,是將金屬液作為不可壓縮的牛頓流體;金屬液在壓室中充填過程中,流動遵守質(zhì)量守恒\動量守恒定律。

其通用的直角坐標(biāo)系下微分方程表達(dá)式如下：

式中：ρ為密度，φ為因變量代表速度，Γ為擴(kuò)散系數(shù)，S為源項(xiàng)，u為速度，t為時(shí)間。對于特定意義的φ，具有特定意義的Γ和S。其中四項(xiàng)分別為不穩(wěn)定項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。

2.2 工藝條件的設(shè)定

實(shí)際的臥式壓鑄機(jī)的壓室是屬于非封閉區(qū)域，在澆入合金液后以及合金液在流動過程中，都有可能卷人大量氣體，使產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔和縮孔，導(dǎo)致品質(zhì)和合格率降低。目前的研究主要集中在兩方面，一是研究壓鑄方案設(shè)計(jì)，通過合理的模具結(jié)構(gòu)來改進(jìn)；二是研究壓鑄工藝設(shè)計(jì)．即液體金屬在壓鑄機(jī)壓室內(nèi)流動行為，發(fā)現(xiàn)金屬液在壓室內(nèi)流動時(shí)對鑄件質(zhì)量的影響。

針對FLOW - 3D CAST軟件的各項(xiàng)參數(shù)要求，我們將此次采用的工藝參數(shù)進(jìn)行了輸入，具體的工藝參數(shù)如下：
此次采用DCC280臥式冷室壓鑄機(jī)，壓鑄所用的材料為ADC12鋁合金，壓室直徑為Φ60mm；壓室的有效長度為378mm;壓室壁厚21.5mm；壓室材質(zhì)為H13;合金的澆注溫度為650℃，壓室的表面溫度為150 ℃；沖頭通有冷卻水，水溫32 ℃；冷卻水流量9.5 L/min；慢壓射速度0.2m/s。

2.3 模擬結(jié)果的驗(yàn)證

將壓室模型保存為STL格式的文件，導(dǎo)入FLOW - 3D CAST模流軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元的大小為1.0mm，對壓室內(nèi)的金屬液的流動形態(tài)進(jìn)行模擬；結(jié)果表明，高溫的鑄造流體，在注入壓室的過程中，與低溫壓室壁接觸，因大幅度的溫差導(dǎo)致高溫鑄造流體熱量迅速丟失，從高溫鑄造流體與壓室壁接觸表面開始，逐步向高溫鑄造流體中心，依次形成預(yù)結(jié)晶體層（固相體），半固相體，并與液態(tài)的高溫鑄造流體產(chǎn)生明顯的流態(tài)分界線（如圖1所示）。

圖1

壓鑄過程中，金屬液在壓室里大致分為四個(gè)階段：澆注、慢射、快射和增壓。

其中澆注和慢射的過程，占用較長的時(shí)間，金屬液在壓室里的散熱過程基本上是在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成的，這個(gè)時(shí)間段的長短決定了高溫金屬流體與低溫壓室之間熱交換的程度；在實(shí)際的壓鑄過程中，為了保證澆到壓室內(nèi)的金屬液的液面趨于平穩(wěn)后開始壓射，往往會設(shè)定一個(gè)壓射延時(shí)時(shí)間，一般在0.5-2s之間；由于這個(gè)時(shí)間段的存在，金屬液在壓室中存在較大幅度的熱量散失。

從觀察實(shí)際樣件，并與模流結(jié)果對比可以看出：
a）模具側(cè)，屬于澆料遠(yuǎn)端，溫度低于壓射側(cè)，因此模具側(cè)的固相層要高于壓射側(cè)的固相層（見圖2）。

圖2

b）高溫鑄造流體注入壓室，由于重力動能被壓室壁阻擋，產(chǎn)生縱向激蕩波，朝向模具側(cè)運(yùn)動，形成較高的液面高度，在撞擊模具后回流，因溫度丟失形成的激冷層保持了液面回流前的高度（件見圖2）。

c）澆料時(shí)飛濺到壓室側(cè)壁的孤立的流體，因熱量丟失劇烈迅速凝固并黏附在側(cè)壁。壓射側(cè)的兩處凸角模流上和實(shí)際一致（見圖3）。

圖3

3、結(jié)語

在實(shí)際壓鑄過程中，較長的等待澆料時(shí)間以及等待壓室內(nèi)金屬流體液面平靜后啟動慢壓射的時(shí)間，都會造成鑄造流體形成一定量結(jié)晶組織（固相體），并隨著沖頭的運(yùn)動，激冷層的固相體被擠壓；破碎，堆積于料餅位置，對二速壓射末端造成阻力，并嚴(yán)重影響型腔增壓效能。對鑄件的最終品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。

在CAE技術(shù)飛速發(fā)展的今天，性能優(yōu)越、價(jià)格適中的FLOW - 3D CAST軟件模擬軟件已進(jìn)入到了普通大眾的視野，模擬分析也從專業(yè)高深的科研工作者手中普及到了大眾工程師；對于設(shè)計(jì)人員來說，利用好FLOW - 3D CAST軟件來分析好壓鑄工藝和模具設(shè)計(jì)，可以大大縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)省開發(fā)成本，快速的設(shè)計(jì)好壓鑄工藝，提供了一個(gè)必要的方法。

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