铝合金轮毂低压铸造充型非线性压力条件_陈继刚

压力铸造　2009年第29卷第1期

铝合金轮毂低压铸造充型非线性压力条件

陈继刚1　李　强1, 2　王　葛1

(1. 燕山大学机械学院; 2. 河北科技大学)

摘　要　在铝合金轮毂的低压铸造充型过程中, 压力条件是影响压铸质量的主要因素。提出了低压铸造充型非线性压力条件的加载方法。结合线性与非线性压力加载的数值模拟, 分析与验证了非线性压力条件的有效性, 详细说明了压力条件对充型状态的影响, 以及缺陷的形成。对于复杂轮型, 非线性压力条件可以获得稳定充型状态; 充型前流进入型腔后, 可适当提高压力加载速度; 在轮辐与轮辋下缘充型时, 加载速度应较平缓; 在轮辋部分的上升充型中, 压力加载速度再次适当提高。研究表明, 非线性压力条件可以有效地减少压铸充型缺陷, 提高复杂轮毂的成品率; 在保障前流稳定的情况下, 可以通过数值模拟与试压铸而获得合理的非线性压力条件。

关键词　铝合金轮毂; 数值模拟; 低压铸造充型; 非线性加载; 压力条件

中图分类号　T G21+1; T G249. 2　　　　文献标志码　A 　文章编号　1001-2249(2009) 01-0027-03D OI :10. 3870/tzzz . 2009. 01. 009

　　铝合金轮毂凭借其外形美观、比强度高、精度高、安全性高等优点, 得到广泛应用。低压铸造(low -pressure

die -casting , 可缩写为LPDC ) 已成为其生产的主要工艺。同时, 在产品开发中, 多项虚拟开发技术已经普遍采用, 并向更深层次的技术集成与工艺精细化方向发展, 其中, 对于压铸充型与凝固过程的精确控制, 已经成为产品质量控制的瓶颈[1]。在该具有复杂型腔的多物理场相互作用的过程中, 研究充型的压力控制条件, 对于产品质量控制具有关键作用。

图1　低压铸造型腔结构示意图

1. 上模　2. 边模　3. 型腔　4. 下模　5. 浇道

轮芯、轮辐、轮辋的慢压射充型、增压与保压过程, 然后经凝固、开模、脱模, 完成一个压铸循环, 然后进入下一工作循环。

1. 2　压力条件加载的过程

低压铸造压力条件是通过压强与时间变化曲线来制定的, 见图2, 在一个循环中, 经过升液压力建立、慢压射充型(a -b ) 、增压(b -c ) 、保压(c -d ) 、卸压阶段, 通常, 控制施加时间点t i 与相应压力值P i 的值来制定线性

加载压力曲线。

(1) a 点前为升液阶段　即铝液从储液室表面升至浇口处。P 1取决于储液室液面到中心浇口高度, 对于

1　铝合金轮毂低压铸造工艺分析

1. 1　工艺概述

铝合金轮毂低压铸造模具结构简图见图1, 型腔主要由上模、边模和下模围成, 在上模中心设置分流与水冷装置, 在上下模的轮缘边部设置排气孔, 在上下模外

侧设置风冷装置。其压铸工艺过程为:熔融铝合金在压铸机压射冲头的作用下由压室推出, 然后液面升高, 在一定增长规律的压力条件下, 经中心浇口, 进入型腔,

经

收稿日期:2008-09-05第一作者简介:陈继刚, 男, 1970年出生, 副教授, 博士, 燕山大学机械学院, 河北秦皇岛(066004) , 电话:[1**********], E -m ail :ch enjigang @yahoo . com

加了压铸过程的可靠性, 在整体性能上将测控仪提高了一个层次。

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(编辑:袁振国)

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特种铸造及有色合金　2009年第29卷第1期

中间压力控制点m 1为熔液进入型腔到分流锥时刻; m 2为熔液到达薄壁轮辋型腔时刻, 对于不同的型腔结构, m 1、m 2处压强与时间点的值是不同的。一般情况下, a -m 1的时间为充型时间的10%以下, m 2-b 的时间为充型时间的30%左右, 从总体过程上看, a 点到b 点的过程具有非线性, 通过模拟和分析, 可以得到验证。

图2　低压铸造压力时间变化曲线

稳定的轮毂压铸系统, P 1为固定值。

(2) a -b 为慢压射充型阶段　充型“前流”通过浇口进入型腔, 然后依次充填轮芯、轮辐、轮辋。在此过程, ■P /■t 的变化决定性地影响充型状态, 对产品质量具有决定性作用。

(3) b -c 为增压阶段　增压越大、速度越快, 越有利于形成致密的铸件。但是, 受到设备能力和模具条件限制。因此, 此阶段压力条件在铸件不出现大的“飞边”和“跑火”的前提下, 应尽量快, 对于多个轮型, 此过程一般变化小, 参数P 2也较为固定。

(4) c -d 为保压阶段　这一阶段时间长短取决于铸件的凝固状态, 当加压不再对铸件凝固起到补缩作用时, 即可结束保压。此阶段的时间长短主要同型腔体积相关, 一般也为固定值。

3　非线性压力条件充型数值模拟与分析

3. 1　数值模拟方法

应用有限元方法对低压铸造过程进行数值模拟, 在模拟中, 将熔液看作不可压缩流体, 遵循流体动力学规律[2, 3], 用质量守恒和动量守恒的基本控制方程来描述, 其数学形式是连续性方程和Navier -Stoke s 方程; 而充型过程中金属液与模具之间的热交换可用建立热量平衡方程来描述, 即能量方程; 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; 具有自由表面的非稳定流动计算的关键问题在于确定流体的初始条件和边界条件[4, 5], 并考虑紊流现象, 应用K -ε双方程紊流模型[6]。

3. 2　有限元数值模拟结果与分析

以型腔结构相对较为复杂, 并且在生产上压铸成品率较低的某轮型为例。由于对称, 计算中取1/5, 图4为该轮毂造型及计算模具图。该轮辐具有减重窝, 在轮辐部充型是“前流”自由面复杂; 轮辐与轮辋的接合处为轮辋中部, 从接合处到轮辋下部较深, “前流”要充入轮辋时, 在接合处有向下部流动的自由面, 又有向上流动的自由面, 同时该轮型具有10根轮辐, 多轮辐间自由面还将融合, 因此, 从此轮型的型腔中间到轮缘, 充型断面的壁厚与“前流”自由面变化非常剧烈

。

[4]

2　充型压力条件的非线性

2. 1　非线性压力条件加载的提出

在生产中, 充型压力加载过程多看成是线性的, 对于多数轮毂能够获得较高的压铸成品率。但是, 对于一些复杂形状型腔的轮毂, 不管怎样调整工艺, 压铸成品率始终在70%以下。从理论分析上看, 在a -b 段的充型

过程中, 铝合金液的流动较为复杂, “前流”自由表面变化较复杂, 型腔壁厚变化较大, 如果将a -b 段压力加载, 仍采用严格的线性关系, 要保持自由面的连续与稳定变化, 并形成稳定的流场与温度场是不可能的。因此, 需细化地研究a -b 段充型压力加载过程。2. 2　非线性压力条件的描述

提出了非线性压力过程, 见图3, 将充型过程分为3个阶段来研究:a -m 1为初始进入型腔中心的充型; m 1-m 2为芯部与辐部的充型; m 2-b 为轮辋的充型, 添加的

(a ) 1/5的轮毂(b ) 1/5的轮毂模具

图4　用于数值计算的轮毂及其模具

为了便于研究, 针对线性与非线性的压力条件, 进行比较计算, 在大量的模拟经验与生产数据的基础上, 获得了线型与非线性加载的比较结果, 见图5, 为两种压力条件, 非线性加载:a 点1000Pa , m 1点2100Pa , m 2点3010Pa , b 点4100Pa ; 线型加载a 点1000Pa , b 点4100Pa 。图6为3个时间段的两种压力条件下充

图3　充型阶段的非线性压力条件示意图

型温度场, 左为线性加载结果, 右为非线性加载结果, 具

铝合金轮毂低压铸造充型非线性压力条件　陈继刚　等

模拟, 在a -m 1阶段, 在合理的压力加载速度的逐渐提升

下, 随着外侧自由面的稳定扩展, 所形成的空隙可较快地前移, 使得卷入的“气隙”得到消除。

(2) m 1-m 2段　此阶段“前流”自由面的增加较为稳定。压力条件继续增加, 压力增加的速度放缓, 可获得稳定的流动。如果速度过慢, 使得熔液在轮辐壁上形成二相区较厚, 在一些位置过早产生凝固, 阻碍了流动, 从而产生不稳定的流动; 同时, 速度过高时, “前流”液面不稳定, 极易产生飞溅现象, 从而形成气隙弥散等缺陷。从图6b 可以看出, 熔液进入轮辐部产生飞溅; 而图6e 中, 熔液自由面稳定地进入轮辐型腔

。

图5　两种压力加载曲线

体分析为:

(1) a -m 1段　依据Fo rm mer [7]型腔金属流动理论, 此时“前流”的涡流扰动与飞溅必然产生, 较小的扰动与空气卷入现象而产生的瞬时缺陷“气隙”, 将会逐渐退去, 此现象在模拟与生产中得到验证。同时, 通过数值

(a ) a -m 1阶段, 线性(b ) m 1-m 2阶段, 线性(c ) m 2-b 阶段, 线性(d ) a -m 1阶段, 非线性(e ) m 1-m 2阶段, 非线性(f ) m 2-b 阶段, 非线性

图6　两种压力条件下的充型温度场

　　(3) m 2-b 段　此阶段熔液从轮辐进入轮辋。充型继续, 多个轮辐的自由面汇合, 最终形成整体上升的“前流”自由面, 此时应适当提高压力加载速度。此阶段, 如初期的压力过低, 在轮辐与轮辋搭接处或轮辋处形成热节, 从而形成缩松缺陷。在形成一个稳定的上升面后, 压力提升过慢, 因壁厚较薄, 温降较为迅速, 形成凝固, 出现充不足缺陷或凝固块, 阻碍充型, 同时, 保压建立过慢, 严重影响凝固过程。从图6f 可以看出, 对于非线性充型条件, 温度降低较小, 流场也较为稳定。

时, 压力加载速度再次适当提高; 同时, 非线性压力条件可以有效减少压铸缺陷, 提高复杂轮型的成品率。

参　考　文　献

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4　结论

通过数值模拟对比, 获得了压力条件对充型影响的数值依据, 在提出非线性压力加载规律的基础上, 分析与验证了非线性压力条件的有效性。对于复杂轮型, 非线性压力条件可以获得稳定的充型状态, 充型前流进入

型腔后, 可适当提高压力加载速度, 在轮辐与轮辋下缘充型时, 加载速度应较平缓, 在轮辋部分熔液上升充型

(编辑:张正贺)

第二届东莞国际铸造及压铸技术工业展

时间:2009年5月14日至16日　地点:东莞国际会展中心(莞城)

主办机构:香港压铸及铸造业总会; 承办机构:世贸博览有有限公司(龙亨集团成员) ; 东莞市龙亨展览有限公司; 支持机构:香港汽车零部件工业协会; 香港电器制造业协会; 香港电镀业商会; 香港五金商业总会; 香港螺丝业协会; 香港金属表面处理学会; 香港模具协会; 香港模具科技协会; 香港线路板协会; 香港金属制造业协会。

联系方式:世贸博览有限公司(龙亨集团成员) ; 网址:w w w . w or ldtradeexpo . com . hk ; ww w . shimao bo lan . com ; 电邮:F DI @w or ldtradeexpo . co m . hk ;

香港电话:(852) 21392280; 传真:(852) 21392281; 东莞电话:(86) [1**********]; 传真:(86) [1**********]

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semi -solid alloy and to predict processing paramete rs . Key Words :Multi -scale Simulation , Semi -solid Form -ing , Near -liquidus C asting , Liquid /solid Phase Trans -formation

Design of Monitor and Controller for Die C asting Ma -chine Based on DSP Peng Jishen , Li Taochang , Song Liye (Depar tment of Electrical Engineering , Liao ning Technical U niversity , Huludao , China ) 2009, 29(1) 0024～0027

A bstract :Design of m onito r and controller fo r die casting m achine w as propo sed based on the DSP to im -prove control sy stem perform ance of die casting ma -chine and to relief labor intensity o f w orker as w ell as raising product quality and efficiency . Based on TM SS320F2812DSP core , the m onito r and controller e xtend peripherally sto rag e module , co mmunication module , analog ue input /output mo dule and human -machine interface to fully utilize pow erful computing capability , w hich exhibits the desirable availability of real tim e detecting die processing parameters and real -time co ntrolling die casting process . Key Words :Die -casting Machine , Monitor and Control -ler , Circuit Layout , Injection

Non -linear Pressure C ondition in Filling of Aluminum Alloy Wheel in Low Pressure Die Casting Chen Ji -11, 21

gang , Li Qiang , W ang Ge (1. Co lleg e o f Mechan -ical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao , China ; 2. Hebei Univer sity of S cience and Techno lo -g y , Shijiazhuang , China ) 2009, 29(1) 0027～0029A bstract :In process of low -pressure die -casting filling fo r aluminum alloy w heel , the pressure condition is the key influential factors fo r quality . A method of no n -linear pressure lo ad w as put forw ard . Based on the sim ula tion of linear pressure and no n -linear pre s -sure , feasibility of non -linear pressure w as validated , and effects of pressure conditio n on filling pro cess and defects in die casting we re described . Steady filling pro cess can be realized by apply ing non -linear pressure to w heel w ith com plicated cavity . Pressure -applying velocity can be properly increased afte r front -flo w fills the cavity . The pressure should be increased gently in the filling o f wheel spoke and low er half -space of w heel rim , w hile in the rising filling process of w heel rim , the pressure -apply ing velocity can be increased once again . T he results indicate that no n -linear pre s -sure co ndition can greatly reduce defects in filling pro cess to im pro ve the qualified product rate of co m -plicated w heel . The rational no n -linear pressure condi -tion can be realized by nume rical sim ulation and trial die -casting under the co ndition of keeping steady fro nt -flow . Key Words :Aluminum Alloy Wheel , Numerical Simu -Ⅲ

lation , Low Pressure Die C asting Filling , Non -linear

Pressure -applying , Pressure C ondition

Hard Spots in Die Casting ZL111Aluminum Alloy Parts Zhang Xiaoyan , Yu Xingzhi (Depar tment of M echani -cal Engineering , H enan Po lytechnic Institute , Nan -yang , China ) 2009, 29(1) 0030～0032Abstract :H ard spots in die casting ZL111aluminum alloy crankcase w ere observed by OM (optical micro -scope ) , electronic prober and micro -hardness tester , and so o n . T he results reveal that serious seg regatio n and ex ceeding -standard of chemical com position in the crankcase can be ex amined . There exists hete ro gene -ous distributio n of w hite blo ck and g ray inclusio n as w ell as lo w -g ray com pound hard spots in the micro -structure , w hich coresponding to quenching lo w hard -ness spots entrapped by turbulent flo w injection , unsmelted Si phase and spinel , M gAl 2O 4, AlSiM nFe phase as w ell as co mpo und hard spo t of intermetallic co mpound , respectively . Key Words :Aluminum Alloy , Die Casting Parts , Hard Spot , Defects

Development of Multi -function Counter -gravity Casting Equipment for Al -alloy Parts Cha i Yan , Hao Qitang , Jie Wanqi (Schoo l o f Materials Science and Engineer -ing , Nor thw este rn Poly technical University , Xi ′an , China ) 2009, 29(1) 0033～0035Abstract :In orde r to improve the perfo rmance opera -tio n fo r various alum inum casting s , a m ulti -functio nal co unte r -g ravity casting device fo r aluminum alloy w as developed . Key structure o f the device consists of tw o sealed -in jar , i . e . the upper jar and the nether one , in w hich fuzzy algo rithm treated integral -separated PID is taken as control project of the contro l sy stem , and co mbined valve co ntrolled by digital signal is adopted as the executive unites of the pneumatic sy stem . Th ree counter -g ravity casting s me thods including low -pressure casting , differential -pressure casting and vac -uum -assisted pressure casting can be accomplished by co mbining the control system w ith the main bo dy o f e -quipment , improving the practicability of the counter -g ravity casting equipment . Key Words :Counter -gravity C asting , Equipment , Alu -minum Alloy , Multi -function

Influences of Die Casting Parameters on the Porosity in Aluminum Alloy Air -conditioning Compressor Cylinder Zhao Xin 1, Zeng Xiaoqin 1, 2, Chen Bin 1, 2, Ding W en -1, 2

jiang (1. National Engineering Research Cente r o f Light Alloy Net Forming , Shanghai Jiaotong U niver -sity , Shanghai , China ; 2. State Key Labo rato ry o f Metal M atrix Com po sites , Shanghai Jiaotong U niver -sity , Shanghai , China ) 2009, 29(1) 0036～0038