铝合金轮圈铸造模流分析
铝合金轮圈铸造模流分析
作者:余家杰(2003-08-19);推荐:徐业良(2003-10-20). 附注:本文为余家杰硕士论文「铝合金轮圈铸造参数最佳化设计」第三章.
铝合金轮圈铸造模流分析
经过与元富铝业工程师的讨论,及了解实际的轮圈铸造程序,本研究中铝合金轮 圈铸造有限元素分析的流程如图 1 所示.首先建立铝合金轮圈的电脑实体模型,这个 步骤原先以铸造分析软体 ProCAST 内建的 Meshcast 网格模型模组将电脑实体模型网 格化,但由於 Meshcast 对於不同模型间的定义较为复杂,且 Meshcast 修改实体模型 的能力亦不完备,因此我们改采以 ANSYS 进行电脑实体模型网格,并输出网格模型 的相关资讯,配合自行撰写的程式将 ANSYS 网格模型转换於 Precast 前处理模组. 於 Precast 中定义铝合金轮圈铸造的相关制程参数后,开始以 ProCAST 进行铝合金轮 圈的铸造分析,得到的分析结果以温度的变化情形及冷却凝固的方向性,判断可能产 生的缺陷位置 再与实际的铸造案例进行比对 以下各节分别逐步详细介绍整个流程 , . .
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图 1. 铝合金轮圈铸造分析程序
1. 建立轮圈网格模型
1.1 以 Meshcast 建立轮圈网格模型 以 Meshcast 建立轮圈网格模型有六个主要步骤: (1) 读取其他 CAD 软体所建立的几何形状,或表面,实体之网格模型. (2) 检查经由档案转换所得到的电脑实体模型,视模型状况进行修补或定义之工 作. (3) 对模型表面进行面的网格. (4) 根据模型表面的表面格点进行实体网格. (5) 检查并确保有限元素网格品质. (6) 将建立完成之有限元素模型汇入 Precast(於此处设定材料性质以及边界条 件) . 当我们以此六个步骤进行轮圈电脑模型的网格时,我们遭遇以下几个困难点:
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(1) 无法直接检查汇入的实体模型是否为定义完整模型.未网格前的电脑实体模 型於 Meshcast 中仅以线段结构表示,若我们要检查某个结构表面,必须以 Meshcast 中的表面定义功能输入 (n, t ) 向量来检视此一表面. (2) 修补或定义模型间关系时需从点,线,面,体慢慢定义.Meshcast 并没有布 林运算来处理模型间的几何关系,因此当我们处理两个模型间干涉或相接的 几何区域时,需一步步定义干涉部位的交点,交线,交面后,再重新定义几 何形状,修补模型亦是相同.所以当我们处理两个以上与较庞大的几何关系 时,效率较低且过程相当繁琐. (3) Meshcast 对於网格的能力较不完备.开始建立实体网格之前,我们需先定义 各结构线段的格点距离,并依此建立表面的网格分布,最后在依表面的网格 分布建立实体网格.由於轮圈电脑模型的几何线段繁多且复杂,当我们以此 一方式网格轮圈模型时,需一步步调整不同线段的尺寸大小,使其可以顺利 网格,因此将花许多时间於建立网格模型上,降低整个分析效率. 以 Meshcast 建立实体网格的过程繁琐,且需花费相当的处理时间,对於未来技 术转移至元富铝业公司时,不仅使分析的时间拉长,亦使得工程师不易熟悉此一软 体,对软体产生排斥.因此我们改采 ANSYS 网格实体模型,再将之转换为 Meshcast 档案格式的方式进行轮圈网格,如此也可让结构分析与铸造分析共用同样的有限元素 网格模型. 1.2 以 ANSYS 配合转换程式建立轮圈网格模型 ANSYS 为我们所熟悉的有限元素分析软体,以 ANSYS 修改电脑模型与网格实 体模型较 Meshcast 方便许多,除了可直接观察模型表面否有破面来判断档案交换的 成功与否外,对於几何形状的修改与定义也提供布林运算供使用者修改或定义实体模 型 并提供完备的网格工具 除了可一步步进行格点的设定 ANSYS 还可以 Free mesh , , , 的方式由程式快速建立合适的网格模型,对於输出关於实体模型点,线,面,体,元 素,节点等相关资讯也很完整,加上元富铝业工程师对於 ANSYS 亦相当熟悉,因此 我们决定以 ANSYS 做为轮圈电脑模型的网格工具.此一方式固然为我们解决了网格 轮圈电脑模型的问题,但是 ANSYS 网格模型并无法透过档案转换的方式直接转入 Precast 之中,因此我们需寻找档案转换的方法. 打开 Meshcast 储存模型的档案(*.mesh),将之整理后发现其储存资料的方式具有 「指令」「内容物」的规则,例如档案开始的第一行为「1 1 3000 700」 , ,其中「1 1」 代表记录有限元素模型的节点与元素数量的指令, 「3000 700」则代表整个有限元素 模型总共有 3000 个元素,700 个节点,而第二行到第 3001 行为记录元素号码,型态,
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材料编号,与组成的节点号码,第 3002 行到第第 3701 行则为记录模型的尺寸单位, 节点编号,以及节点的几何座标.了解 Meshcast 储存模型的档案格式,并得知建立 档案所需之有限元素条件,我们便能以程式读取 ANSYS 有限元素模型的输出资讯, 将之转换为 Meshcast 的档案格式. 整个转换网格模型的程序以图 2 表示,於 ANSYS 中建立铝合金轮圈与各部分模 具之有限元素模型,并列出此有限元素模型所有的结点以及元素资讯,并将此资料输 入转换程式进行档案格式的转换,转换程式将由输入资料中取得必要的资讯,一步步 的将之转换为 Meshcast 档案储存格式 最后将档案汇入 Precast 中完成轮圈网格模型 , .
ANSYS实体网格
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ELEMENTS MAR 8 2003 18:09:09
结点座标
NODE
Z
X Y
元素资讯
Z 30 ELEM MAT TYP REL ESY SEC 1 1 1 1 0 1 1 NODES 2 3 4
X 10
Y 20
1
…
Model a905
…
程式转换
Meshcast档案格式(*.mesh)
Command Elem. numbers Node numbers 1 3 4 1 0 0 3 1 1 3000 2 X 10 Y 20 700 NODES 1 Z 30 2 3 4 1 Command No. Elem. Elem. Type Mat._ID Command Unit No. Node
…
图 2. ANSYS 网格模型转换流程
2. 材料性质以及边界条件的设定
铝合金轮圈铸造整个分析模型如图 3 所示,分别为轮圈铸件,上模,下模,下模 仁,与边模五个部分,各部分的材料性质皆可以於 ProCAST 分析软体中取得其物理 性质.
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图 3. 铝合金轮圈电脑实体模型 定义好各部份材料的性质,我们接著建立材料接触面间的热传导性质.由於材料 互相接触会有空隙产生并无法完全的紧密配合,因此设定此接触面性质来模拟材料互 相接触时热传递的能力,如图 4 所示绿色及红色标示的元素与结点即是不同材料互相 接触的部分.依照元富铝业公司所提供的实际铸造程序及相关的制程参数,关於铝合 金轮圈铸造模拟分析所需的边界条件皆可於分析软体中设定,有关 ProCAST 施加相 关铸造分析的边界条件方式,第二章的文章内容有详尽的说明,包括边界条件施加的 方法以及对应分析软体的施加位置,在此将不再对施加方法重复说明.
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图 4. 材料接触表面热传导性质 整个程序到此完成所有的模拟设定,并根据以上程序开始进行铝合金轮圈铸造模 流分析.
3. 模拟结果分析比对
模拟软体所提供的输出资讯可以区分为两大类,第一类为物理性质分析结果,第 二类为分析软体本身所提供的判断准则,由於分析软体所提供之判断准则无法有效率 且定量的提供设计者相关的分析资讯,因此我们考虑流动温度分布状态以及凝固状态 比对分析模型与实际铸造状况. 图 5 为铝合金轮圈铸造流动与温度分布分析结果,右侧颜色区块对应分析温度单 位为 °C ,图中铝水充填时间共花费 16 秒,由图中可以看出在充填铝水的同时即产生 热交换的作用,因此铝水流动的过程将影响铸件与模具的制程温度,且经由铝水的流 动状态可观察到模穴内铝水卷气的现象,如图中分析时间 8 秒之胎环处可看到一明显 的空洞,虽说此时铝水的流动性良好,气泡应可顺利排出,但若可避免此一现象将有 助於铸造品质的提升.图 5 圆圈标示处显示轮圈铸件散热不均匀现象,此图显示轮圈 凝固时,温度下降的变化无法均匀由铸件最下处往上降温,却於胎环及轮圈肋部区域 产生一热集中区,位於此区域的铝合金熔液若是无法顺利得到胎环冒口或是中央冒口 铝水的补充,则此区域将形成「液体陷入(Liquid-entrapped)」现象[Kreziak, 1993],亦 为轮圈铸件最可能产生铸造缺陷之位置.图 6 显示分析时间 80-120 秒间轮圈凝固比 率的关系图,图右侧颜色区块对应铝合金凝固比率(1 为 100%凝固,0 为 0%凝固) ,
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图中以圆圈所标示的区域即为胎环与轮圈肋交接的热集中区,此区周遭的铝合金金属 凝固速率皆快於胎环与轮圈肋交接处,使得此热集中区形成 Liquid-entrapped 区域, 造成轮圈铸造缺陷. 选取胎环与轮圈肋交接的位置并进行此位置的剖面观察,图 7 为轮圈铸件包含胎 环与轮圈肋交接的纵剖面图,图右侧颜色区块对应铝合金凝固比率 (1 为 100%凝固, 0 为 0%凝固) ,由此图可以清楚的观察到胎环与轮圈肋交接区周遭的铝合金凝固比率 大於「关键凝固比率(Critical solid fraction)」70%[Kreziak, 1993],使得此区无法得到 胎环以及中央冒口的铝水补充,因而产生 Liquid-entrapped 现象,图中以圆圈标示之 处即为得不到由冒口补充之 Liquid-entrapped 位置.
图 5. 铝合金轮圈铸造流动与温度分布图
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图 6. 轮圈凝固状态
图 7. 轮圈凝固状态纵向剖面图 图 8 为元富铝业工程师所提供此分析铝合金轮圈之铸造实际状况,图中经由探伤 液所探测出的铝合金轮圈缺陷部分将以红色显示,其中可以看出位於胎环与轮圈肋交 接处有明显的缺陷产生,从缺陷的分布看来此缺陷分布由中央部分向外扩展没有切断 轮圈的肋骨部分,而於轮圈肋部处形成一个不连续的破坏区域,此缺陷明显为非结构 性破坏,乃由不良的铸造环境所造成的铸造缺陷,而此缺陷产生的位置与轮圈模型所 模拟出的 Liquid-entrapped 现象位置相同.进一步与元富铝业工程师讨论此分析结 果,得知决大部分铝合金轮圈铸造问题皆发生於胎环与轮圈肋交接处,与分析结果相 符,於是如何将分析结果以一定量的方式表示轮圈铸造产生的缺陷程度将在下节进行 讨论.
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图 8. 铝合金轮圈实际铸造缺陷位置
4. 轮圈铸造缺陷程度判断准则
模拟软体所提供的判断准则为一种定性的图像型显示方式(如图 57) ,仅可以 快速的提供设计者缺陷形成的位置与视觉上的缺陷大小,对於缺陷产生的程度无法有 明确量化数据,且仅能提供二维平面显示,实际胎环与轮圈肋部 Liquid-entrapped 区 域乃是三维的空间,因此根据上述的讨论结果定义出以下的轮圈铸造分析模拟之「缩 孔指标(Shrinkage Index, SI)」 ,期望能有一量化方式由电脑模拟分析软体之分析结 果,推估轮圈铸造过程中因前述 Liquid-entrapped 现象造成缩孔,以致产生缺陷之程 度. 图 9 显示轮圈胎环与肋交接区域范围 选取轮圈安装盘面外 40mm 与适当可包含 , 轮圈肋之区域,并以轮圈肋交接胎环最高位置及轮圈 J 部三个条件决定选取的取样范 围,所取得之指标范本如图 9 右侧之有限元素模型.
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图 9. 收缩指标取样范围 铝合金轮圈铸件在凝固时若无法得到冒口提供之铝水补充,则 Liquid-entrapped 现象将会出现於轮圈铸件之中,因此对於缩孔指标 SI 取样时间的选择,则依照轮圈 铸件提供的胎环冒口与中央冒口可正常供应铝水的时间,作为缩孔指标取样时间,以 Critical solid fraction 70%作为判断冒口停止供应铝水的依据.图 10 显示当胎环冒口 供应铝水至轮圈铸件时,胎环与轮圈肋交接上方位置(图 10 第一个圆圈位置)已有 铝合金凝固超过 70%,阻断了胎环冒口的补充进料,此时胎环冒口对於断料部分以下 的轮圈铸件失去了效用,但中央冒口仍继续提供铝水的补充,直到图 10 中以圆圈标 示的轮圈肋处,亦出现铝合金凝固达 70%阻断中央冒口铝水进料补充,此时间轮圈的 两个冒口皆失去作用,但位於胎环与轮圈肋交接位置仍有尚未凝固的铝合金金属,於 是选取此状态为缩孔指标的取样时间标准. 为得到正确缩孔指标取样时间,将选取的取样范围进行多段的切面讨论,图 11 的蓝色虚线方框即为对取样范围肋部处,进行每一个切面的观察,并以程式判断切面 的凝固时间,选取一正确阻断中央冒口进料的缩孔指标取样时间,图中右侧部分即为 选定的缩孔指标取样时间下,切面的铝合金凝固状态,图中切面的铝合金皆凝固 70% 以上.
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選定取樣範圍與取樣時間，理想上應計算出在此取樣時間下之取樣範本下，凝固比率低於70%的體積大小，作為縮孔指標SI的值，但實務上ProCAST並不提供體積計算所需資訊。本研究輪圈有限元素模型中每個元素體積大小大致相同，因此以程式計算在此取樣時間下之取樣範本，共有幾個凝固比率低於70%的節點數，以此數值表示Liquid-entrapped現象在三維空間中的程度大小，即為縮孔指標SI的值。
圖10. 輪圈冒口失效狀態
圖11. 收縮指標取樣時間
圖12為不同製程參數所產生的分析結果，以SI與輪圈縱向剖面顯示Liquid-entrapped的程度，其中以開發製程進行鑄造分析的輪圈參數條件；包含吹水及吹氣冷卻，而其他三者則為各取消其中一種與兩種冷卻條件的分析結果。從剖面圖
上非常難以觀察此四種不同參數對於鑄造分析上的影響，而以SI觀察可看見不同製程參數對於鑄造程序確有其影響存在，但SI數值的改變量相當微小，表示輪圈鑄造過程之中所施加的吹水與吹氣冷卻條件，對於鑄件品質的影響微乎其微，此與元富鋁業工程師所提供的鑄造經驗相差甚距。
圖12. 四種不同製程參數之SI與輪圈縱向剖面結果
重新思考元富鋁業工程師所提供的冷卻製程參數，發現施加冷卻製程條件直接作用於鑄造模具，改變模具鑄造時的溫度狀況，對於鑄件本身影響很小，因此以開發製程的製程參數與條件為基礎，將此分析中邊模模具的初始溫度調整為400與300°C進行鋁合金輪圈鑄造分析。圖13顯示不同鑄造邊模模具溫度SI與輪圈縱向剖面的分析結果，由結果中明顯看出，不同的邊模溫度對於Liquid-entrapped現象的影響程度，與開發製程所得到的SI值做比較，提高邊模溫度至400°C，SI由54提升到75，說明較高的邊模溫度使得鋁輪圈鑄件胎環處的保溫性增加，延長了胎環冒口作用的時間，也增加了胎環與其相接肋部處的鋁合金凝固時間，而胎環狹長的幾何關係，造成胎環鋁合金凝固的時間較其他部位還要快速，使胎環冒口補充胎環與輪圈肋交接處的作用失效，且同時間下模仍不斷冷卻輪圈肋部，阻斷來自中央冒口對於胎環與輪圈肋交接處鋁水的補充，因此增加Liquid-entrapped現象。反之降低邊模鑄造溫度為300°C時，胎環冒口雖仍是無法完全補充胎環與輪圈肋交接處，但由於較低的模具溫度，使
得胎環與其相接肋部處鋁合金凝固時間縮短的同時，又可得到來自中央冒口鋁水的補充，因此減低了Liquid-entrapped現象。
圖13. 不同鑄造邊模模具溫度SI與輪圈縱向剖面的分析結果
於是對於所施加的冷卻條件進行討論得知：
(1) 不論是吹氣或是吹水冷卻條件的施加，其直接作用的對象皆為模具本身，再
經由模具影響輪圈鑄件，換句話說吹水冷卻改變下模模具鑄造溫度，吹氣冷卻改變邊模模具鑄造溫度，並以此模具溫度影響輪圈鑄件的凝固狀態。
(2) 分析時僅以初始的分析作為分析結果。初始分析過程中將模具溫度設定為同
樣之溫度，也就是整個模具的溫度為單一的溫度，而實際鑄造程序模具的溫度乃是模穴內溫度最高，依序遞減至模具外部，且元富鋁業工程師正式生產鋁合金輪圈前，都會先進行試模再次預熱模具，視鑄件產出狀況判斷模具是否以達穩態溫度，加上冷卻條件對於實際狀況而言具有累加性，因此整個模擬程序將拿前一次鑄造輪圈的模具溫度，當作下一次鑄造輪圈的模具初始溫度。如此反覆模擬至模具達一穩態溫度後，模擬結果方能據以判斷鑄造品質。