新型摹拟剖析在缸型体冶炼压铸的运用

　　1模拟试验

　　模拟试验采用铸造专用软件Anycasting，在铸件充型过程数值模拟中，将液态金属看作不可压缩流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式是连续性方程和Navier-Stokes方程；同时考虑传热现象，增加能量守恒方程；采用体积函数法跟踪自由表面移动时，还需要增加体积函数F方程；考虑紊流现象时，需要增加适当的紊流模型。

　　连续性方程、N-S方程、F函数方程、能量方程以及某些紊流模型方程可以用下面的通用微分方程来描述：

　　（ρΦ）+ div（ρuΦ）= div（ΓgradΦ） + S式中，Φ为因变量；Γ为扩散系数；S为源项。

　　对于特定意义的Φ，具有特定的量Γ和S.上式中的4项表达式分别为不稳定项、对流项、扩散项和源项。因变量可以表示各种不同的物理量如速度分量、温度等。

　　利用Anycasting铸造过程仿真分析软件进行气缸体压铸过程的数值模拟的主要内容如下。

　　（1）前处理，其中包括：a.实体模型的导入，实体模型采用通用PRO/E软件绘制，并转化为STL格式文件；b.网格的划分，一般采用手动划分网格；c.设定基本参数；d.求解条件的设定，设定求解方法、终止条件、数据保存等。

　　（2）利用求解器求解。

　　（3）后处理用于模拟结果的观测，其中包括动态观测充型过程和凝固过程，不同时刻任意截面的充型和凝固状态、速度图、温度分布，以及可在任意设定的传感器点观察此点温度和充型速度、压力等参数的变化。同时，此软件还带有专门的数据库，且可自建用户数据库。

　　将铝合金金属液视为均匀介质，压铸温度680℃左右，模具温度略高于150℃。初步设定低速阶段分别为0.2 m/s、0.3 m/s，高速度为5 m/s.分别在充型50%、70%时进行速度切换。

　　2模拟过程分析与讨论

　　在压铸过程中，铝液流动分为压室内流动、模具型腔充填两个阶段，排气伴随着铝液流动过程。定量炉引流槽将料从注料口注入压室后，冲头在推动铝液时，液流在室CAE模拟分析在气缸体压铸上的应用长安汽车股份有限公司汽车工程研究院乐虎万伯谦采用Anycasting铸造仿真软件对铝合金气缸体压铸过程进行数值模拟，研究气缸体成型过程中对其成型质量有影响的相关因素，并将模拟过程与实际情况进行了对比，所得结论为改善气缸体压铸质量提供了技术支持。

　　内易形成浪花而将空气包裹在铝液中，为防止铝液夹气，应选用合适的压室尺寸。同时，压室充满度也对卷气有影响，充满度越小，夹气量越大；充满度高于50%后，充满度对夹气量影响变小。卧式冷室压铸机的压室充满度应在50%以上，而以70%80%为宜。为此，模具设计选用压室尺寸时，不仅根据压力的要求选用压室直径，还需根据充满度的要求选用压室长度。当冲头启动、封住注料口时，压室中空气只能向模具型腔排放。冲头推进时从低速至高速都以一定的加速度推动铝液，使室内铝液产生波浪。冲头加速度过大或过小，都会引起铝液产生夹气现象。

　　（1）充填模拟分析及验证进行充填计算模拟时，一般按照铸型容积百分比或运算时间存储模拟计算铝液的流态，充填时尽可能避免冲撞而形成对流、涡流，防止气孔和表面冷隔形成，模具型腔**后充填的局部区域需位于有排气槽的模具(压片模具的设计与应用)分型面附近，以利于渣料和空气排出。结束充填后，铸型的温度差不宜过大，防止冷隔和裂纹产生。

　　充填模拟计算完成后，利用后处理模块读取针对充填过程模拟计算的结果，并通过图片或动画的形式输出相关分析结论。直观地再现充填时铝液进入型腔的整个过程，并可观察是否存在飞溅或气体卷入的现象。同时，可结合反向显示技术分析出现卷气及**后凝固位置，分析铸件本体的填充时间和凝固时间。再分别利用rmm、niyama和feeding efficiency模型对铸件进行缺陷分析，并将三种模型的分析结果叠加，推断出铸件缺陷的概率分布结果。**后对以不同充填参数生产的铸件进行解剖分析，再次验证不同充填参数对铸件质量的影响。

　　对低速阶段的速度进行模拟分析以及铸件解剖验证后可知，当在低速阶段以0.3 m/s充填时，铝液在进入型腔后，充填速度过快，易形成紊流，包裹气体，造成铸件内部夹气、疏松等缺陷，影响铸件质量。

　　在低速阶段以0.2 m/s充填时，铝液流动缓慢、平稳，充填效果比较理想，铝液几乎是以层流方式进行顺序充填型腔，利于气体的排出，减少了夹气的可能性……

　　综上分析可知，当内浇口较厚、压射速度较低时，铝液流动平稳，充填效果理想。因此，低速阶段选用以0.2 m/s的速度进行充填。

　　（2）高速阶段压射速度和切换时间的不同对铸件质量影响及其验证结果考虑到气缸体铸件结构比较复杂，局部壁厚较薄，因此选择在充型50%、70%分别进行低、高速切换，并比较两种状态的模拟分析以及铸件解剖结果。

　　在充型50%后进行高速切换，速度从0.2 m/s切换至5 m/s.由于高速切换过早，铝液一部分将直接喷到对面的型腔壁，这种充填顺序不利于型腔内气体的排出。否则，铝液在高速下发生喷溅，铸件内部易产生气孔，影响铸件质量。

　　在充型70%后进行高速切换，速度从0.2 m/s切换到5 m/s.金属液首先以低速开始充填型腔，之后再进行高速切换，这种由下至上的顺序充填，使金属液以层流的方式流动，模具型腔内的气体能够被顺序的排出，降低了金属液包裹气体的倾向性。这种充填效果比较理想，几乎没有气孔，充填过程与实际情况比较相符，。

　　综上分析可知，当充型70%时，进行从低速0.2 m/s到高速5 m/s的切换，充填效果较为理想。

　　3结论

　　利用铸造模拟软件Anycasting对铸件进行充型凝固过程的数值模拟，可缩短产品设计周期，减少设计开发成本。模拟结果表明，浇注温度680℃，在充型70%时，速度从0.2 m/s切换到5 m/s，此时铸件充型凝固效果比较理想，气缸体铸件质量良好。

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