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仿真技术降低了溢流费用
作者:Brad Guthrle
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铸造模具/压铸模具展厅
压铸模具, ...
传统上使用边试边改的设计方法来定溢流槽的位置,主要是凭经验,而通常是靠猜测。由于这些形体对铸件质量是很关键的,因此必须在完成任何数量的生产前合适地设置。溢流槽用来收集熔融金属充填压铸型腔时所形成的氧化物和其它非金属夹杂物。


图1:一个计算出来的(其中颜色表示缺陷概率)和一个具有有害疏松的实际零件之间的比较。
预测的疏松位置与观察到的非常一致


美国福特汽车公司通过使用计算流体动力学软件(CFD)来仿真金属在压铸模内的流动状态,从而减少溢流槽的体积(量)。一个成功的浇道和溢流定位的仿真设计,关键在于软件在整个充填过程中能够跟踪夹杂物,使溢流垫能设置在适当的位置,在金属充填型腔的终点处收集夹杂物。除了铸件质量的重要性外,长期的节省来自减少了浇注到这些溢流槽中的金属量。

高压压铸的兴起成为汽车工业生产轻型零件最经济的方法之一。这种技术的一个关键优点是它铸造零件的时间不用1分钟。这样短的生产时间是通过使用很大的压力迫使熔融金属迅速地进入铸模,模具充填时间一般在20~500毫秒范围内。这样快的充填速度在许多应用中产生了一个问题。在其它类型的模具作业中可以进行物理实验以监视充填过程并解决问题。然而在高压压铸工艺中,模具的充填是如此快速,充填又如此复杂,使得物理实验如进行「短压射」,只能提供很有限的信息。


图2:这些图片表示一个锌压铸件的充型的各个阶段:液流的在平面和立体中的分离,
以及已充填的铸件中的最终缺陷的位置


溢流槽

因此,汽车压铸件厂家很难在第一次尝试中就选好溢流槽的位置,需要其后添加安置较好的溢流槽。大多数铝压铸应用中均需要溢流槽,因为在充填过程中当熔融金属进入较冷的模腔时,不可避免地会形成氧化物和其它非金属夹杂物。而且,在金属充填型腔时,存在于型腔中的空气必须排除出去。空气和夹杂物会影响成品铸件的结构特性,因此必须将它们从型腔中转移到溢流槽。一般去除空气和夹杂物的方法是设置垫型的溢流槽,通过薄截面的浇口与型腔连接。这概念是由于空气和夹杂物一般处在液态金属的前沿,因此会流入溢流槽,在其中空气会排放到大气中去,而夹杂物则收集在金属中。

困难在于确定对这些溢流口的位置和尺寸。溢流垫必须够大以便收集所有的夹杂物。然而,流入溢流槽的每一克金属必须在生产另一个零件时进行重熔、过滤和重铸。像福特的压铸件生产商,每天要生产以数万计的压铸件,

重铸溢流材料的花费很庞大。而在过去,福特的工程师不得不依靠经验和猜测来设计溢流槽,因此他们不得不将溢流槽做得比实际所需的为大。当生产零件时,工程师通过检查溢流材料而得到实际的资料,从而改变压铸模,但这是很昂贵的,因为涉及修理费用、停产时间,并且几乎总是要焊接型腔,以至使它的寿命平均减少50%。


CFD 模拟

因此,福特作出了很大的努力,用 CFD 软件来仿真压铸过程。CFD 包括了基本方程的解答,用于在流动范围中的计算网络上几千个分立点处的流体流动和热传递。经适当的验证后,CFD 分析使工程师能够看到压铸模的内部,并及时确定在任何点的液流前沿的确切位置以及在压铸模中任何点的金属温度和压力。这较生产上试用获得更多的资料,能使工程师知道哪里可能发生问题。

代表压铸模的模型的几何尺寸能够在计算器上快速地改变,然后重新分析以确定改变的效果。结果,工程师能够在几天内就消除疏松问题,不像以前的试验方法那样要花几周或几个月的时间。

福特的工程师已经使用这种技术来为自己厂内的压铸作业以及为供货商消除疏松问题,他们曾使用了几种套装软件来进行仿真。特别适合于仿真压铸模充填的一套软件叫做 FLOW-3D CFD,是新墨西哥州圣菲市的流动科学公司(Flow Science Inc.) 供应的。FLOW-3D CFD 是一个通用的三维 CFD 程序,能够预测在压铸模充填过程中的自由表面流动。它使用流体体积法 (VOF) 来预测自由表面流体运动、表面张力和其它错综复杂的流动状态。特别的是此套软件提供的计算程序能够跟踪流体接口的不定的急剧变形,并应用了正确的法向和切向边缘应力条件。这项准确的特点,使其较其它 CFD 程序更胜一筹。

表面缺陷跟踪

充型过程的准确仿真是工程师改进生产的主要方法。首先,通过观察充型过程可以确定熔融金属是以直接路线通过模腔还是以漩涡形式环绕型腔。漩涡形式的缺点是再循环的金属表面因多次相互接触而在流动时就开始凝固,增加了夹杂物的形成和收集。另外,仿真在减少溢流容积中的另一个作用是能够在充型过程的每一阶段识别夹杂物的位置,使能对溢流槽进行定位和定尺寸,以便收集夹杂物。

FLOW-3D 具有一个特别的性能,叫做表面缺陷跟踪。它能够预测氧化物的形成,于是当每一个氧化物粒子产生时,它就被追踪直到凝结为止。这个性能大大提高了仿真的能力,藉以优化溢流槽和浇口的定位和尺寸。

减少疏松

福特的工程师还用 CFD 来减少疏松从而改善铸件质量。当液流前沿往回交汇在一起时,或当一个液流前沿分裂开来并收集一定量的空气或其它气体时,就会形成疏松。有时单一的液流前沿能够自身卷曲而形成波旋。不良的充型而造成的疏松可以大得足够在 2~4 毫米的壁厚内造成皮下气泡,或使在壁厚内机加工出来的信道产生泄漏。

一个理想的浇道和浇口设计可以产生一个均匀的充填分布图形,金属流并不形成分支,而是均匀地扫掠整个零件,推动在它前沿的一切气体。这种扫掠运动还在充填顺序结束时将气体和在金属流前沿的表面上形成的氧化层推到溢流槽中去。


FLOW-3D 含有一个特殊的模型,叫做绝热气泡模型,它可以用来预测疏松气泡的形成。这个模型利用了一个情况,即由此空气的密度与熔融金属相比是很小的,所以可以忽略不计。该模型把每一个空气区域作为一个气泡来对待,它的压力符合压力与容积的关系,这样就能够在整个充填过程中跟踪气泡,就像表面缺陷模型跟踪夹杂物一样。于是工程师能够通过对浇口、溢流口和溢流槽进行调整而改进模型,以便消除疏松。福特工程师制作了许多新压铸件的模型以确保孔隙度不会引起质量问题,从而减少对压铸模进行改良的费用。

作者:Brad Guthrle是美国福士汽车公司的技术专员

文章来源:
© BITF (Publishing) Ltd.工商业展览(出版)有限公司
Reprinted from Asian Mould & Die magazine. Contents cannot be reprinted without permission from the publisher.

此文章英文版首次发表于DMG World Media (UK) Ltd, Diecasting World, March 2002, 3-4
(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/1/2004)
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