热交换系数对铸件质量影响探究

2018-04-09代志功毕俊喜

中国铸造装备与技术 2018年2期

代志功，毕俊喜

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051）

低压铸造是一种介于压力铸造和重力铸造之间的铸造方法，它利用保温炉内的压力气体将熔化的金属液从保温炉内由下向上充填到铸型中[1,2]，在压力作用下进行凝固补缩，因此低压铸件成型好、轮廓清晰、表面光洁，铸件组织致密、机械性能好。低压铸造技术广泛的应用于轮毂、风机叶片、发动机壳体的实际生产中[3,4]。低压铸件质量受到诸多因素的影响，但热交换系数如何影响铸件质量有待研究。本文采用ProCAST数值模拟软件进行不同热交换系数条件下的轮毂低压铸造仿真，研究热交换系数对铸件充型的影响。

1　数学模型

铸造仿真依赖于流体数学模型的建立，数学模型是对流体守恒规律的客观表述，质量守恒定律是开展流体研究的基础。

质量守恒定律：连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述[5]。

式中ρ——流体密度；ux——流体在x轴方向上的速度；vy——流体在y轴方向上的速度wz——为流体在z轴方向上的速度。

2　模拟前处理

铝合金轮毂密度低，约为钢制轮毂的1/3，是车辆轻量化的理想材料；铝合金材料的热传导率高于钢制轮毂，因此具有优良的散热性能；铝合金毛坯轮毂时效强化处理前强度低，易于加工处理；经过耐腐蚀处理和涂色处理后外形美观受到了市场的广泛欢迎。如图1所示轮毂三维模型，轮毂直径d=531.9mm、中心孔直径为73mm、轮圈壁厚为13mm。按照下图2所示的模拟流程开展模拟仿真。

轮毂材料选用ZL104合金，具体成分见表1，液固相线温度分别为555℃和602℃，铝液加温至720℃，热物性参数见表2。模具材料选用H13模具钢，将其在充型之前预加热至300℃。在第一套模拟方案中模具与铸件的热交换系数h=2000W/（m2·K），模具间的热交换系数h=1500W/（m2·K）。冷却方式为空冷，模具与空气的热交换系数h=100W/（m2·K），浇口压铸压力为0.105MPa。在第二套模拟方案中模具与铸件的热交换系数h=1000W/（m2·K），其他参数不做改变。

图1　轮毂三维模型

图2　模拟流程

表1　ZL104合金成分表　ωB/%

表2　ZL104热物性参数

3　模拟过程分析

低压铸造过程中流场的稳定性、凝固的先后顺序、应力值的分布、铸造缺陷的性质是判断铸件质量的主要因素。ProCAST数值模拟软件是一种专门用于模拟铸造的软件，可以有效的检测充型过程中液面的流动状态，各部位凝固时间、应力值等。如下图所示不同热交换系数下的模拟情况。图3～5中a为模具与铸件热交换系数为h=2000W/（m2·K）时的模拟情况，b为h=1000W/（m2·K）时的模拟情况。

图3为铝液充满铸型时的温度图，图a中温度的分布明显高于图b，且高温分布均匀，这样有利于保证铝液充型时的流动能力，提高铝液凝固补缩能力。图4为凝固时间分布图，图b的凝固冷却速度明显大于图a，尤其在轮圈部位，冷却速度加快容易导致晶粒粗大，组织致密性差，致使铸件整体力学性能差。图5为铸件冷却后的应力分布图，图a中轮圈处的应力值低于图b，这样有助于轮毂的时效强化处理，同时减弱铝液凝固时产生的包紧力，增加模具寿命。