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    探討如何應(yīng)用模擬分析解決鑄造品質(zhì)問(wèn)題


    鑄造數(shù)值模擬,可以幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計(jì)階段對(duì)可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行有效的預(yù)測(cè),從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì),確保鑄件的品質(zhì),縮短試制周期,降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)上,鑄造技術(shù)人員通過(guò)多次試制和修改模具以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,既浪費(fèi)時(shí)間,又增加成本。如果在未制造模具之前,能有效預(yù)測(cè)鑄造缺陷,并采取相應(yīng)的解決方案,可以縮短生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)成本。通過(guò)采取多次模擬和優(yōu)化,可以驗(yàn)證模具方案的有效性。接下來(lái)以壓鑄工藝為例,探討如何應(yīng)用模擬分析解決鑄造品質(zhì)問(wèn)題。

      1 壓鑄模擬策略分析

      技術(shù)人員壓鑄模擬策略分析見(jiàn)圖1,可根據(jù)缺陷預(yù)測(cè)選擇計(jì)算模塊,在實(shí)際應(yīng)用中有明確指導(dǎo)意義。以汽車雨刮器臂為例,討論如何正確合理使用鑄造模擬分析軟件。


      圖1 壓鑄模擬分析策略圖

      2 在汽車雨刮器臂缺陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

      該型號(hào)汽車雨刮器臂為鋁合金壓鑄件,采用ADC12合金,質(zhì)量為94g。在零件噴涂和裝配后需要進(jìn)行疲勞測(cè)試,要求連續(xù)低速工作25h,雨刮器不出現(xiàn)故障。但是,8個(gè)零件中有5個(gè)在25h內(nèi)斷裂,且所有斷裂零件的位置相同,見(jiàn)圖2。


      圖2 疲勞試驗(yàn)后斷裂的雨刮器臂

      首先,對(duì)斷裂零件作了掃描電鏡斷口分析,在斷面上發(fā)現(xiàn)了氣孔和縮孔,見(jiàn)圖3和圖4。另外,生產(chǎn)的雨刮臂鑄件,經(jīng)過(guò)X光檢查和斷面觀察,再次確認(rèn)該處存在氣孔和縮孔,見(jiàn)圖5和圖6。


      在斷裂處的氣孔和縮孔將影響雨刮器臂的強(qiáng)度,是產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因。因此,解決斷裂處的氣孔和縮孔問(wèn)題非常重要。借助AnyCasting模擬軟件來(lái)對(duì)此氣孔和縮孔問(wèn)題進(jìn)行分析和解決。

      2.1 初始雨刮器臂模擬分析

      利用AnyCasting對(duì)初始?jí)鸿T模設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)充型流動(dòng)及凝固模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn),在雨刮臂斷裂位置有卷氣及縮孔缺陷,與實(shí)際缺陷零件吻合,模擬的結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8,在發(fā)生斷裂缺陷位置有清晰的卷氣現(xiàn)象和縮松缺陷。


      雨刮臂鑄件在斷裂處存在卷氣,氣體在此處包卷被壓縮形成微小的孔洞,在零件長(zhǎng)時(shí)間工作后氣孔會(huì)有擴(kuò)張傾向,缺陷嚴(yán)重的零件就會(huì)發(fā)生斷裂。

      2.2 第一次優(yōu)化分析

      消除熱節(jié)、降低縮孔缺陷和改善充型避免卷氣是模具改進(jìn)的方向。首先,考慮到解決縮孔問(wèn)題,在加強(qiáng)筋厚壁對(duì)應(yīng)模具處,在加強(qiáng)筋兩側(cè)設(shè)置了點(diǎn)冷(見(jiàn)圖9),冷卻水的速度為0.5L/s。經(jīng)過(guò)凝固分析,縮孔的尺寸由原來(lái)的3.2mm×2.2mm縮小到1.8mm×1.3mm。其次,通過(guò)零件設(shè)計(jì)更改對(duì)加強(qiáng)筋處的倒角進(jìn)行了修改。


      圖9 加強(qiáng)筋兩側(cè)增加點(diǎn)冷

      從第一次優(yōu)化分析(見(jiàn)圖10和圖11)來(lái)看,縮孔傾向減小,但沒(méi)有徹底解決,還需要進(jìn)一步分析;由于倒角R的改進(jìn),有利于液流在加強(qiáng)筋處比較順暢地填充,通過(guò)充型分析,發(fā)現(xiàn)在加強(qiáng)筋斷裂處卷氣壓力減少了13%。

     

      2.3 第二次優(yōu)化分析

      根據(jù)第一次模擬分析,繼續(xù)對(duì)流道及冷卻管路進(jìn)行了改進(jìn)。在凝固方面,在動(dòng)模和靜模上都設(shè)計(jì)了點(diǎn)冷水管,而且都設(shè)計(jì)在熱節(jié)正上方和正下方(見(jiàn)圖12),更加靠近加強(qiáng)筋,優(yōu)化冷卻效果。從凝固分析上看,加強(qiáng)筋處縮孔尺寸縮小到1.0 mm×0.5mm,見(jiàn)圖13。


      在充型方面,將流道澆口延伸到加強(qiáng)筋的位置,使金屬液較早的填充。從模擬結(jié)果可知,在斷裂處卷氣現(xiàn)象已經(jīng)消除,但是,還有少量的卷氣在側(cè)壁靠近加強(qiáng)筋后方,見(jiàn)圖14和圖15。


      2.4 第3次優(yōu)化分析

      為了進(jìn)一步改進(jìn)冷卻效果,將圖12的3根點(diǎn)冷水管變?yōu)閲娎涔?即超點(diǎn)冷),水流量由原來(lái)的0.5L/s調(diào)整為1.5L/s,從模擬分析上看,縮孔尺寸減小到0.5mm×0.5mm,見(jiàn)圖16。考慮到加強(qiáng)筋后方還有部分卷氣,對(duì)流道又加長(zhǎng)了5mm,但是這一方案并沒(méi)有解決加強(qiáng)筋后方卷氣問(wèn)題,卻又在加強(qiáng)筋處產(chǎn)生了微量卷氣,見(jiàn)圖17。所以,加長(zhǎng)流道方案并沒(méi)有起到預(yù)想的結(jié)果。


      2.5 綜合分析和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

      根據(jù)以上分析,在充型上,采取了圖15的方案,并在圖15的少量卷氣處使用頂桿輔助排氣;在凝固上,采取了圖12水管設(shè)計(jì)方案并采取噴冷管。新模具按此方案開模并試制,所生產(chǎn)的鑄件全部經(jīng)X光機(jī)檢測(cè),都滿足ASTM E505等級(jí)1的氣孔要求,即X射線上看不到氣孔或縮孔。另外,從部分鑄件切開目視觀察,在鑄件截面上沒(méi)有氣孔和縮孔。通過(guò)改進(jìn)后的零件,疲勞測(cè)試試驗(yàn)達(dá)到50h以上,雨刮器臂沒(méi)有發(fā)生斷裂。

      3 結(jié)語(yǔ)

      借助鑄造CAE軟件對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析之后,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題發(fā)生的原因并提出有針對(duì)性的優(yōu)化對(duì)策。通過(guò)多次對(duì)模具方案修改并模擬,得到最佳方案,并在模具上執(zhí)行此方案。此后,跟蹤雨刮器臂疲勞測(cè)試驗(yàn)證,未再發(fā)生斷裂,從而提高了產(chǎn)品品質(zhì)。(end)


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