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梁形铝合金压铸件变形模拟分析与机理研究
发布时间:2020年07月03日 15:27


文:C3P国际工程软件中国技术支持中心  周剑


摘要:大尺寸梁形铝合金压铸件广泛应用于汽车船舶等诸多工业领域,此类压铸件制品常见显著变形与尺寸超差,且变形集中体现为铸件两端向流道侧弯曲成弓形。利用Cast-Designer铸造设计模拟软件的有限元应力求解模块,针对梁形压铸件的凝固冷却过程进行仿真分析,验证了其弯曲变形趋势和尺寸超差数值,揭示了造成弯曲变形与流道冷却速率相关的内在机理,并提出了减轻变形的对应策略。

关键词:铝合金,高压铸造,变形,弯曲,有限元分析,Cast-Designer


前言

大尺寸梁形铝合金压铸件广泛应用于汽车船舶重工等诸多工业领域,此类压铸件在实际生产中常见显著变形与尺寸超差,其变形特征为铸件两端向流道侧(下方)弯曲。利用Cast-Designer铸造设计与模拟软件,验证了该变形,分析了产生该问题的原因,提出并通过软件模拟验证了改善策略。


1、生产试模

某船用驾驶舱仪表板梁形铝合金压铸件,含流道与溢流槽的尺寸为1475x450x96mm,铝合金材料A356,固相线为556℃,液相线为616℃,平均模温为200℃,开模时间为第25秒。现场多批次试模结果实际制品出现两端向下的严重弯曲和尺寸超差。通过调节冷却水路,延长或开模时间,以及改善冷却喷涂等措施,均收效甚微,铸件两侧远端尺寸超差从5mm 至9mm不等。


2、仿真验证

采用Cast-DesignerV7.4版本进行凝固和应力变形仿真,将含流道与溢流槽在内的整体铸件划分为41452个六面体单元,材料应力本构为弹塑性,线膨胀系数为温度线性函数2.19E-5(40℃),2.31E-5(615℃)。设置开模时间为25秒,计算终止条件为铸件与流道温度下降至室温20度。铸件流道与空气间热交换系数设置为100 W/(m2K),与模具热交换系数为2000 W/(m2K)。

为了准确分析位移量,以料饼圆心为基点(0,0),因两端对称,故仅取右端点P坐标(700,-360)为位移监测点,见图1。



2.1模拟结果

铸件和流道开模前受限于模具的刚性约束,并无显著变形。开模顶出时刻(第25秒)开始,铸件两端向溢流槽方向(向上)弯曲,该趋势与最终变形趋势正好相反(在如下位移曲线图中为负值)。


在第59秒,铸件两端纵向变形量达到最大值(-3.2mm),此后变形量开始缩小,与铸件两端开始流道侧弯曲,在194秒,远端纵向位移量重归零点附近,此后位移量持续上升,在944秒时趋近并稳定于7mm左右,见表1。P点的完整位移时间曲线见图2;



铸件与流道整体在第59,194,944秒三个时刻的变形趋势见图3*。(注:*代表该图所示零件变形效果经过10倍效果,以便观察变形趋势效果)


2.2 结果分析

从模拟结果可见,铸件两侧远端端点的纵向变形位移呈现非线性变化。造成这一现象的内因是铸件与流道(主要是与梁形铸件几乎等长的横浇道)的冷却速率不同导致[1]。取铸件温度检测点P1,流道温度监测点P2,见图4.1;在前期(0-59s)阶段,铸件区域的冷却速率大于流道区域,其收缩幅度大于流道部分,但收缩受限于流道的约束,导致整体铸件向上弯曲。在59s前后,铸件P1点和流道P2点的温度差达到最大值,见图4.3。此后,铸件的冷却速率开始低于流道部分,P1与P2温差逐渐缩小,流道的收缩幅度开始大于铸件,从而带动铸件两端开始向下弯曲,最终呈现944s处的变形形态。



纵观铸件流道整体温度场,亦可见在整个凝固与冷却过程中,铸件先于流道冷却,见图5.1-5.3。



2.3改进方案

基于上述变形的内因分析,问题根源在于流道热量集中,凝固冷却严重滞后于铸件区域,因此减少流道热量集中,提高流道散热应有利于缓解梁形铸件的两端纵向尺寸超差。通过观察原始流道设计,注意到横浇道的高宽比较大,见图6。此截面设计必将造成较大的热模数,不利于流道散热。因此考虑通过改变高宽比,调整为更扁平的流道,将获得更小的横流道热模数,有利于增加流道的散热。



改进方案建议如下:

(a) 改进方案一,在原横浇道高宽比降低为一半,获得更扁平的流道进行模拟验证。

(b) 改进方案二,在方案一流道设计基础上,将流道在空气中冷却的热交换系数提高一倍,以近似模拟针对流道局部的吹风冷却效果。


3、改进方案模拟

重新进行上述两个改进方案的模拟验证,最终铸件最大纵向变形量结果见表2。


从表2可见,改进方案二最大纵向位移量最低。各方案整体变形效果见图7*。(注:*代表该图所示零件变形效果经过10倍效果,以便观察变形趋势效果)



4、结论

梁形铝合金压铸件容易呈现两端向流道侧弯曲变形,根源在于铸件与流道的冷却速率差异,造成两端位置位移的非线性变化。

尽可能令流道特别是横浇道部分的冷却速率接近于零件部分,两者在同一时刻的温差越小,越有利于减少最终产品的变形量。

通过改变流道高宽比,采用更扁平的横浇道设计,改善流道横浇道部分在模内以及开模后的散热,均利于降低梁形压铸件的变形与尺寸超差。