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双重挤压铸造工艺在铝合金上的应用2018/7/23 11:43:09

双重挤压铸造由于采用两次挤压,其第二次挤压的范围,深度,加压时机等均可进行调整,这对于克服整体或局部的缩松,缩孔甚至缩裂和气孔等缺陷的作用非常显着。在双重挤压铸造成形过程中,锻造过程是极为重要的一环,而在这一过程中补缩力是最重要的参数。由于补缩力是矢量,即使锻压比压和功率加大,实现有效锻压补缩的部位也只能在毛坯型腔锻压压块作用位置的附近,并不能有效地传递到整个铸件毛坯上,因此必须对铸件缺陷进行预测,找到最佳的补缩位置。补缩力不够,制件内部组织粗大,缩松等压铸缺陷无法消除,反之,补缩力过大,对双控成形模具会造成很大的冲击,引起模具变形甚至损坏,降低模具寿命,并增加能量消耗<5>。目前补缩力主要通过经验公式计算确定,对于一些结构复杂的铸件相差较大,因此补缩力的确定对于消除铸件缺陷具有十分重要的意义。

  1缩松缩孔位置预测

  1.1模型的建立

  以轮毂为研究对象,使用Pro/E对轮毂进行建模,为了节省模拟计算所需的时间,考虑到轮毂的轴对称结构,取模型的1/2进行模拟分析,对铸型与铸件运用了不同尺寸的网格划分。由于铸件用于流体分析计算和热分析,因此采用较小的网格单元,又要保证铸件最薄处(轮辋)有3层网格,因此采用3mm的单元长度;对于模具部分仅用于换热计算,采用单元长度为10mm的网格划分。在Pro/E中对模型的装配体文件划分表面网格,之后通过转换程序将表面文件转换成ProCAST可以识别的sm网格文件。

  1.2数值模拟过程与结果

  1.2.1模拟参数设置

  在ProCAST分析软件中对其进行凝固场的数值模拟。材料是A356合金,开始采用挤压铸造模拟,中心浇注,设置其挤压压力,充型速度,初始模具温度及初始浇注温度等参数。模拟中采用的挤压力为110MPa,浇注温度为700℃,模具的初始温度为200℃,充型速度为1m/s.

  1.2.2模拟结果与分析

铝合金轮毂的整个充型过程在8.5s内完成,各时间的填充状态和温度场分布见图2~图5.首先铝合金液体很平稳地由浇口流入轮毂的轮芯部分,然后平缓地进入各个轮辐中,此时温度为660℃左右。在2.2s时合金液到达轮辐与轮辋的连接处,5.8s时在轮辐端部的轮辋处汇合,此时的温度为640℃左右,铝合金液处于完全流动状态,在7.1s时金属液充满轮芯与轮辐,并平稳地沿轮辋上升,此时合金液温度为620℃左右,见图4.在8.5s时铝合金液前沿到达轮毂顶部,整个轮毂被全部充满,此时轮辋上缘合金液温度为600℃左右,并处于可流动状态,整个轮毂的最低温度在轮辋的下部,约580℃,还未凝固,因此整个充型过程没有发生欠铸和冷隔缺陷。

  填充过程结束后,进入凝固过程。轮毂的凝固基本上满足从上到下,从外到内的顺序,模拟结果显示最后凝固部位在轮芯的中心,最后凝固的部位会由于压力补缩不足而产生缩孔或者缩松缺陷。

  2补缩位置和补缩力的确定

  2.1补缩位置的确定

  通过以上模拟和ProCAST软件的缩孔缩松预测判据,得到缩松的位置正是在轮芯中部,而将补缩位置设置在轮毂中心部位。

  2.2补缩力的确定

  锻造过程主要是使铸件产生屈服塑性变形,以此对铸件进行补缩,达到消除铸件缩孔缩松的目的。设一点的主应力为1,2,3,且1>2>3,最大剪应力为max= 1 2(1-3)=C(1)

  屈雷斯加屈服条件为1-3=2C(2)

  式中,C为定值,取决于材料在变形条件下的性质,在压缩条件下发生屈服时,1=s,2=3=0,则C=s/2.由于在锻造时,材料的屈服强度是很低的,同时在锻造过程中还必须考虑模具摩擦阻力的影响,因此补缩力的大小在充分考虑了各个因素影响后按下式计算<1> P=1.43sA(3)

  式中,P为补缩力,kN;s为锻造温度下材料的屈服强度,MPa,查相关标准确定;A为与补缩力垂直锻件投影面积,cm2。

  铝合金在500℃时s=11~25MPa,轮毂中心面积为200.96cm2,因此计算出锻压比压为157.3~ 357.5MPa.如果锻造温度下的材料屈服强度无法确定,也可用经验公式进行补缩力计算。

  P=K<1+0.001(H/a)

  3 >A(4)

  式中,K为合金种类系数,查相关标准确定;H为锻件中锻造时阻力较大部分的高度,mm;a为与H部分相对应的平均厚度,mm.铝合金中K=800~1000MPa,H=200mm,a= 4mm,由此计算得锻压比压为100.8~126.0MPa.

  2.3双重挤压铸造数值模拟结果分析

  对铝合金轮毂进行多次双重挤压铸造数值模拟,补缩位置设置在轮毂中心,铸造参数采用挤压铸造时的挤压参数,锻造开始时间为轮毂快凝固终了时,补缩力以经验公式为依据建立补缩力参数模拟,补缩力为110MPa时,缩松缺陷区域已经很小,说明由于补缩力的增加,使铸件产生塑性变形,对铸件进行补缩,明显减少了缩松缺陷的产生,当补缩力在120~130MPa时,无明显缩松,其微观缩松危险区域也进一步减小。

  3结论

  (1)针对铝合金轮毂进行了挤压铸造数值模拟,发现轮毂中心部位会出现缩松缺陷,由此将锻压头的加压位置设在轮毂中心部位。

  (2)运用屈服准则分析铸件塑性变形情况,综合考虑各方面影响因素后得出了补缩力的经验值,通过对轮毂进行多次双重挤压模拟,最终确定补缩力为120~130 MPa.


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