帶澆注系統(tǒng)的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)數(shù)值模擬

帶澆注系統(tǒng)的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)數(shù)值模擬

根據(jù)世界能源協(xié)會（nationalacademyofinformationsecurity）的數(shù)據(jù)，60%的汽車能耗來自汽車的重復(fù)使用，每輛車的重量可降至10%，油耗可降低10%15%，二氧化碳等汽車的剩余污染可降至13%。因此，汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段。本文以鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對象,采用CATIA建立了帶澆注系統(tǒng)的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型,應(yīng)用MAGMASOFT對其成形過程進行了數(shù)值模擬計算。對充型和凝固過程的溫度場、液相率和縮松孔隙率等進行分析,預(yù)測了鑄件中可能產(chǎn)生縮松縮孔缺陷的位置,并分析了缺陷產(chǎn)生的原因;根據(jù)缺陷的位置及其產(chǎn)生原因,進行了澆注系統(tǒng)的改進和鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化,從而消除了鑄件中的缺陷。1在原始工藝的值模擬之前1.1轉(zhuǎn)向節(jié)模型建立按低壓鑄造工藝要求,采用底注式的澆注方式,應(yīng)用CATIA軟件,在鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造毛坯模型基礎(chǔ)上添加初始澆注系統(tǒng),建立帶澆注系統(tǒng)的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)實體三維模型。同時也建立轉(zhuǎn)向節(jié)低壓鑄造模具、澆口、分流錐以及冷卻管路等的三維模型。建立的模型如圖1所示。在CATIA中完成模型的建立后,以STL格式導(dǎo)出,并將其導(dǎo)入MAGMASOFT軟件的前處理模塊。由于該轉(zhuǎn)向節(jié)模型厚度均較大,因此在網(wǎng)格劃分模塊中,將網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為200萬,采用自動網(wǎng)格劃分的方式進行網(wǎng)格劃分。1.2材料屬性參數(shù)設(shè)置對于鑄造數(shù)值模擬計算,材料屬性參數(shù)的設(shè)置將直接影響模擬計算結(jié)果的準確性1.3壓縮式壓縮式壓縮器的參數(shù)配置低壓鑄造工藝中的澆注工藝參數(shù)主要有升液壓力、升液時間、充型壓力、充型時間、保壓壓力、保壓時間、澆注溫度以及鑄型溫度等1.4處施冷、以水溫度為了充型結(jié)束后鋁液能順序凝固,對鑄件熱節(jié)處施冷,使其獲得一個較理想的凝固溫度梯度。根據(jù)經(jīng)驗,五個冷卻管路的位置排布和編號如圖1所示,原始冷卻工藝參數(shù)如表4所示。2凝固過程分析圖2為鋁液充型過程型腔內(nèi)部鋁液的溫度場分布情況。可以看出,在t=3.418s時,鋁液經(jīng)澆冒口進入型腔后,穩(wěn)定流入軸承孔部位;在t=3.845s時,鋁液液面出現(xiàn)明顯飛濺現(xiàn)象,如2(b)中圓圈中所示;在t=5.128s時,在澆注較高的減震器安裝部位時,澆注速度明顯過快,發(fā)生紊流現(xiàn)象,如圖2(c)中圓圈所示,易產(chǎn)生氣孔缺陷;在t=7.492s時,鑄件充型結(jié)束,實際充型時間△t=7.492-3.418=4.074s,比預(yù)期的6.7s充型時間短。充型完成時,由于軸承孔處是鋁液的主要充型通道,溫度約700℃,而較高處的減震器安裝部位溫度約660℃,說明中間部位溫度差過小,構(gòu)建的溫度梯度較差,不利于澆冒口對鑄件的補縮圖3為凝固過程中的液相率變化。由圖可知,鑄件一些部位(其中主要是轉(zhuǎn)向節(jié)減震器連接位置與軸承孔之間的區(qū)域以及轉(zhuǎn)向節(jié)下擺臂連接位置與軸承孔之間的區(qū)域)的凝固填充率較低,容易產(chǎn)生縮孔缺陷。從圖3(b)圓圈處可知,由于澆冒口截面積過小,內(nèi)澆口處先于轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位發(fā)生凝固,從而阻斷了升液管中的鋁液補縮,補縮效果差。在鑄件中標定3點,分別位于轉(zhuǎn)向節(jié)減震器安裝位置T1點、中間位置T2點以及轉(zhuǎn)向節(jié)軸承孔附近位置T3點,如圖4所示,3點的冷卻凝固過程溫度變化曲線如圖5所示。從曲線圖中可直觀看出,鑄件凝固不滿足自上而下的順序,如圖5圓圈中所示,因此最終容易在T2點附近產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。圖6為凝固過程中的縮松縮孔分布情況。由圖可知,該轉(zhuǎn)向節(jié)中的減震器連接位置與軸承孔之間(A)、下擺臂連接位置與軸承孔之間(B)以及轉(zhuǎn)向拉桿連接部位(C)存在嚴重的縮松縮孔缺陷,將會嚴重降低轉(zhuǎn)向節(jié)的力學(xué)性能,影響汽車的行駛安全性。因此,需要對原始工藝方案進行優(yōu)化,消除轉(zhuǎn)向節(jié)中的縮松縮孔缺陷。3優(yōu)化工藝參數(shù),提升生產(chǎn)效率由圖3(b)可知,澆注系統(tǒng)中澆冒口截面積過小,造成該區(qū)域凝固過快,從而導(dǎo)致鑄件內(nèi)部區(qū)域無法得到及時補縮,最終形成縮松縮孔缺陷,因此對澆注系統(tǒng)作如圖7(b)圓圈所示的改進。由上述充型過程分析可知,實際充型時間過短,因此需調(diào)整充型壓力等工藝參數(shù),以保證充型平穩(wěn)。根據(jù)本次模擬結(jié)果中的壓力場情況可知,實際充型完成時最大充型壓力約為7.8kPa,升液壓力約為4.8kPa。從圖3(d)可知鑄件實際凝固時間約為234s,因此可將保壓時間縮短為240s,提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化后的澆注工藝參數(shù)如表5所示。由上述凝固過程分析可知,采用原始冷卻工藝參數(shù)時,鑄件中有三個部位出現(xiàn)縮松縮孔缺陷,可以說明冷卻工藝參數(shù)設(shè)置不合理,需對其進行優(yōu)化,以獲得較佳的溫度梯度,改善鑄件質(zhì)量。結(jié)合圖1和圖5,對冷卻工藝參數(shù)作以下改變:冷卻管路1保持不變;冷卻管路2的開啟時間提前;冷卻管路3的開啟時間提前,流速增大;冷卻管路4和5的開啟時間適當提前并提高其流速。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。圖8為優(yōu)化方案后的鋁液充型過程溫度場。由圖8可知,對比原始工藝方案,鋁液充型狀態(tài)平穩(wěn),無飛濺、紊流的現(xiàn)象,可有效避免氣孔缺陷;充型結(jié)束時,軸承孔處溫度約700℃,較高處的減震器安裝部位溫度約650℃,說明中間部位溫度差得到增大,有利于鑄件自上而下順序凝固。圖9為采用優(yōu)化方案后的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)凝固過程模擬結(jié)果。由圖9(a)所示的鑄件凝固過程3點溫度變化曲線可知,鋁液實現(xiàn)順序凝固。由圖9(b)所示的縮松縮孔判據(jù)可知,鑄件內(nèi)部缺陷已消除,這說明優(yōu)化后的工藝方案對消除鑄件內(nèi)部缺陷有效。4仿真分析的意義(1)采用數(shù)值模擬方法對轉(zhuǎn)向節(jié)原始工藝中鋁液充型和凝固過程的溫度場、液相率和縮松孔隙率進行了仿真分析,預(yù)測了轉(zhuǎn)向節(jié)