鋁合金消失模鑄造中縮孔的數值模擬
鋁合金消失模鑄造中縮孔的數值模擬

 

鋁合金消失模鑄造中縮孔的數值模擬

P. Scarber, Jr., H. Littleton
(阿拉巴馬大學,伯明翰市,美國) 美國鑄造學會(版權2008)

摘要

在全球大多數鑄造廠中鋁合金鑄件上孔洞問題一直成為導致廢料的首要原因。研究表明:敞口鑄型中一些減少鋁鑄件縮孔及縮松的改進方法已取得了不同程度的成功,然而消失模鑄造中充型行為很明顯不同于敞口鑄型,并且減少孔洞的方法并沒有取得同樣的效果。過去三十年里鑄造仿真軟件一直被沿用至今,并已成功地預測出鋼件孔洞的發生位置。由于鋁合金具有更寬的凝固區間并且缺少相關準確的數據,致使其孔洞變得更難預測。在消失模鑄造中,由于鋁合金溫度梯度變化極其復雜,所以仿真軟件不能準確預測出相對較大的孔隙。
通過增加更準確的凝固熱物性數據并且修正凝固模塊的子程序,使得仿真軟件更準確地預測鋁合金消失模鑄造的縮孔發生位置。凝固模擬可以在數小時內完成,利用新數據的仿真結果與實際鑄件在顯微觀察結果更接近。對同一鋁合金系統來說,利用新數據模擬的冷卻曲線要比利用公布數據的結果更加準確。仿真后孔洞出現在實驗結果的幾毫米范圍內,這比公布數據得出結果更準確。

 

引言

過去二十年里,由消失模鑄造(LFC)生產鋁合金件的數量已增長了超過1000% ,并且在當前經濟放緩的情況下新投產的消失模鑄造廠的數量仍能以一個相對較高速度增長。消失模鑄造是一種非常節約成本的鑄造方法,這緣于其具有可分開的工藝流程,許多復雜而小批量的零組件都可以通過單一的消失模型澆注成型。許多加強件都是由消失模鑄造成型的,由于其工藝可以降低總成本和減少鑄件的廢料,所以在現代的鑄造方法中消失模鑄造被當作首選。如果完全了解并掌握消失模鑄造各階段的工藝,那么就有可能會生產幾乎沒有加工余量的鑄件,但鑄件產生不連續的縮孔成為一個大問題。為了獲得高質量的消失模鑄件,利用計算機對金屬液流動、充型過程和凝固過程仿真是一個必不可少的步驟。由于金屬液前沿運動及溫度梯度形成過程并不是很直觀,因此常利用計算機仿真、實時X射線及鑄造儀器等找出鑄造缺陷及異常的來源。然而,在一些案例中仿真結果并不夠準確,這使得大家開始懷疑消失模鑄造仿真結果的正確性。


仿真軟件發展三十多年以來,一直把鑄件孔洞仿真作為仿真軟件的首要任務。如今,大多數商業鑄造軟件已經能夠準確的預測敞口鑄型的縮孔位置,其中一些軟件甚至可以預測消失模鑄造金屬前沿的收縮情況,但這些軟件對縮孔預測并不是很成功,這主要緣于消失模鑄造的充型時間過長(一般來說,比敞口鑄型工藝的時間要多出一個數量級)。尤其對鋁硅合金來說,充型時間越長,溫度梯度變化越復雜。


本文詳細介紹了在伯明翰市由美國鑄造學會消失模鑄造委員會主辦關于阿拉巴馬大學開發的研究工藝,該工藝可大幅度提高鋁合金消失模鑄造的孔洞預測準確性問題。通過修正一套商業模擬軟件及對實驗澆鑄體進行研究,以提高鋁合金消失模鑄造縮孔預測的準確性。研究中所采用的鋁合金為C356 和 A319,仿真結果在實際發動機缸體生產中得到驗證。

 

原理

鑄造仿真軟件從它誕生之日起,人們把孔洞預測作為計算機仿真重要目標。而首次增加縮孔模型的仿真軟件僅僅被設計成只限于相對較大的黑色金屬鑄件,主要包括一些形狀簡單和厚壁合金鋼。該仿真軟件主要模擬一些冷卻速度相對較快和補縮范圍及距離較短的鑄件,所以利用仿真軟件找到的鑄件熱點或凝固判據(如凝固時間或凝固速度等)都是相當準確的。然而對于鋁硅合金來說,這些凝固仿真軟件并不能找到縮孔的準確位置,主要因為鋁硅合金具有較長的凝固區間。早期鋁合金凝固仿真主要集中對高速冷卻的固定模鑄件開發上??焖倌炭梢韵虆^間較寬、負熱對流及枝晶間補縮的影響,這讓仿真以最小的計算力運算變得更可行。近年來,鋁合金凝固仿真重點更多地放在縮松方面,但不得不承認對宏觀收縮問題仍很難預測。


為了更準確預測鋁鑄件孔洞,軟件需要在鑄件各個位置上預測出準確溫度場。這對消失模鑄造來說極其重要,因為鑄件在充型結束后有時會形成不可預測或不正常的溫度梯度。此外,在敞口鑄型中充型過程速度越慢,熱對流越強,從而使溫度場變得更復雜。

 

利用有限差分法,得出受內能控制的溫度場微分方程如下:

 

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其中,VF 表示流體流經計算單元的體積分數、AX, AY, AZ分別表示流體流經單元的截面面積比例、 u, v, w 分別表示x, y, z 三個方向的流體流動速度。方程右邊的關系式表示與外加熱源和散熱有關的。湍流擴散內能的微分方程如下:

 

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其中, ci 表示互逆紊流普蘭特爾數。熱傳導的微分方程如下:

 

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其中,T 表示溫度 和 k 表示流體的熱傳系數。方程式(一)與方程式(二)合并后內能的微分方程如下:

 

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其中, cv,1 表示流體的恒容比熱、fs 表示凝固率 、cLHT,1 表示凝固相變熱。把方程式(四)展開后,形成一個含相分數和轉變能多項式,并將其代入最后一個關系式。(Flow Science, Inc, 2006) 模壁、內芯、壁邊界及其它類似干擾都會影響流體內能變化。受總熱傳導方程控制干擾溫度的微分方程如下:

 

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其中,ρw, Cw, kw, Tw 分別表示固體材料密度、比熱容、熱傳導系數、溫度,而TSOR 是由液固傳導及外加熱源引起的能量傳遞關系式,其值等于方程式(三)的TDIF值。(Flow Science, Inc., 2006) TSOR包括了相變和熱輻射在內的所有熱量傳遞的熱能。 如同其它商業鑄造軟件一樣,由流動科學公司(Flow Science, Inc.)推出的 FLOW-3D 軟件也是利用上述方程式進行計算,該軟件可以在消失模鑄造充型過程結束后,計算出溫度場隨時間變化。為了顯示縮孔形成原理, FLOW-3D 軟件會讓在熱點區孤立液相開始凝固,隨后周圍產生空洞或凹陷,最終形成縮孔。對于快速充填的厚壁件來說,當該物理模型選用非常準確時,消失模鑄型和敞口鑄型的鑄件的仿真結果卻有很大的差異。假設物理模型選用非常正確且完整,那么導致消失模鑄造縮孔預測不準確的原因一定是輸入的熱物性數據不充分或不正確。

 

實驗方法

以往嘗試對鋁硅消失模鑄件縮孔預測的研究是非常不成功的,主要是儀器測量的冷卻曲線數據跟仿真的結果不一致。圖(一)是采用消失模鑄造成形的發動機缸蓋,上部的冷卻曲線是通過熱電偶儀器測量的,下部冷卻曲線是通過仿真軟件模擬的結果。如圖所示,雖然由縮孔導致的鑄件廢料率超過80%,仿真冷卻遠遠的超出實際測量的結果,但是實際預測并沒有孔洞產生。鑄造仿真采用兩種熱物性數據,一個來自于A319公布的數據,另一個來自于AFS資助項目所產生的數據,以提供更完整的鑄造仿真熱物性數據。


仔細觀察冷卻曲線,可以看出一個非常真實的模擬結果(沒有任何跡象顯示在仿真冷卻曲線中產生相轉變)。圖(二)為發動機缸蓋的焓值變化曲線,鑒于硅的熔化熱是鋁的近四倍,曲線不連續性應該跟它不一樣。

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伯明翰市阿拉巴馬大學鑄造工程實驗室(CEL)采用常用法被稱為硅等價法來修正焓值曲線。利用該方法及由CEL做其它實驗,通過調整適當焓值來解釋凝固過程中選用焓值較大對從富硅相析出有著很大的貢獻。圖(三)顯示利用硅等價法所產生新焓值數據。很顯然,隨著富硅共晶相的析出曲線會有很大的不連續性。正如圖(四)顯示那樣,當利用新的焓值數據時,模擬結果跟實際實驗結果完全吻合。

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結果與討論

圖5為采用鋁合金由消失模鑄造而成的直列式六缸氣缸體,左圖白色區域為實際鑄件的縮孔發生區域,右圖白色區域為數值模擬結果的縮孔發生區域。圖5a的孔洞為了清楚可見,采用白色顏色圓圈標識出來,而圖5b為仿真預測的孔洞的結果。事實上,對于該鑄件來說,仿真可以準確的模擬出宏觀-孔洞的位置,該縮孔主要發生在氣缸筒之間。之前利用公布的焓值數據仿真結果并沒有預測出圖5或其它縮孔的位置。

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圖6為采用C356鋁合金由消失模鑄造而成的直列式六缸氣缸體,左圖白色區域為實際鑄件的縮孔發生區域,右圖白色區域為數值模擬的縮孔發生區域。圖6b仿真結果顯示在缸套與排氣管之間形成大面積孔洞。對實際鑄件在該區域切片,可以看到在仿真預測結果處確認存在著縮孔。

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結論

本文開發出一個新型方法,目的是在數值模擬中提高鋁硅合金消失模鑄造中縮孔的準確性。以往采用公布的熱物性數據進行仿真,對廢品率極高的鑄件仿真極其不準確。采用一種硅等價修正法讓冷卻曲線在實驗與仿真結果更加接近。仿真結果顯示在兩種不同消失模鑄件中縮孔準確性得到大幅提高。未來模擬工作將集中在提高球墨鑄鐵消失模及過共晶鋁硅的鑄件孔洞預測準確性。 該模擬工作目的是協助消失模鑄造在鋁鐵鑄造廠中,在加工前利用模擬軟件找出縮孔準確位置,讓廢品率降到最低。

 

致謝 Support for this study came from the AMC PRO-ACT program sponsored by the Defense Supply Center Philadelphia, Philadelphia, PA and AFS Division 11.
參考文獻 Bounds, S., Moran, G., Pericleous, K., Cross, M., and Croft, T.N., Metall. Trans. B, v 31, No. 3, 2000. Campbell, J., Castings, Butterworth-Heinemann, 1997.

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