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1、-第三章 低压铸造凝固过程中缺陷的预测在上一章对低压铸造凝固过程的温度场进行了分析,由于在铸造过程中,铸件及模具温度场的分布与变化会极大影响模具的使用寿命、铸件的质量。其次,温度场是低压铸造数学模型的验证基础,而且温度场的研究是缩松缩孔缺陷预测的基础。因此我们在某轮毂生产车间进行了一系列实验,对实际生产中和特定条件下的模具温度场进行了测量，通过测量结果,了解并分析了在低压铸造铝合金轮毂过程中模具关键点的温度变化规律及影响因素,为下一步的数值模拟及缺陷预测提供了可靠依据;为在实际生产工艺如何为消除这些因素的影响提供了良好的指导建议。 3.1低压铸造凝固过程温度场的实验测试 铸件的数值模拟要经过几
2、个步骤:1、三维实体的造型2、对实体进行网格剖分3、进行温度场计算、缺陷预测.1.1实验目的 1、生产过程中不同冷却工艺条件下测量低压铸造轮毂模具各部分的温度状 态，得出温度变化曲线。 2、将低压铸造数值模拟温度场与实验测量温度场进行对比，用相对准确的温 度场进行缺陷判据的验证。 3 、通过改变参数设置改进判据模型，使得模拟结果与实际实验结果相吻合， 以便更好的指导实际工艺。 .测温方法 1、测量温度的方法: 温度测量按照所用方法之不同,分为接触式和非接触式两大类。 （1)接触式测温 测温元件直接与被测对象相接触，二者之间充分进行的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数值就代表了被
3、测对象的温度值。它的显著优点是参数直观可靠，但它存在一定的弊端,感温元件接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。接触式仪器又可分为:膨胀式温度计、电阻式温度计、热电式温度计等。（2）非接触式测温 感温元件与被测对象不接触,通过辐射来进行热交换，这样避免了温度及腐蚀介质对测温元件性能的影响。非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。但它的缺点，具有较高的测温上限。由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他介质的影响，故测温具有一定误差。 非接触式温度计可分为：光学高温计、红外测温仪等。 2
4、、测温方法的选择由于铸造过程是连续进行的，整个凝固过程中模具是静止的，而铸件在密闭的型腔中，我们很难得到铸件的温度场，只能测量铸型的温度场间接的的计算铸件的温度场。因此我们选择用接触式测温-热电偶测温。我们通过热电偶来实现的测温,在铸型的重要部位开孔，热电偶的一端通过孔与铸型相接（见下图a）,另一端通过接线盒与工控器相连接（见下图）,测出的温度会实时传输到与热电偶相连的工控器的仪表屏幕上（见下图c),显示温度场的数据，再将温度场数据拷贝出进行整理分析。 c工控器仪表显示屏b热电偶与接线盒连接a热电偶与铸型连接3实验过程、实验工艺设备实际实验中，采用设备是国产低压铸造机,能同时实现压缩空气(风冷
5、)和水的冷却工艺;模具为新设计的模具（CW6165-M）。在低压铸造汽车轮毂工艺过程中,由于轮毂的结构有截面不均匀处,会造成凝固速度的不同而产生气孔、缩孔、缩松等缺陷，故需要对模具特殊部位进行冷却，通过冷却介质的作用时间、部位来调节凝固顺序,以达到顺序凝固的目的,从而减少缺陷的产生。再者，在凝固过程中增设冷却通道可以加快铸件的冷却速度，提高生产效率和经济效益。低压铸造中最常用的冷却介质就是水和空气，我们先后做了不加冷却介质、加冷却介质一系列实验。2、实验方案根据实验目的,确定实验方案的影响因素主要有:首先在实际生产中，铸件的凝固受到模具散热以及水冷,压缩空气等多种冷却工艺条件的影响，而不同的控
6、制条件会产生交互的影响,为了确定各类参数的影响效果,需要一组无任何冷却条件下的结果作为后续模拟结果的对比基准，以此确定自然冷却条件下的界面热阻等。其次,不同类型的冷却方式对模具的冷却效果不同,对于冷却工艺有点冷和环状冷却之分,而点冷又分直接点冷和间接点冷。所以通过在自然冷却的基础上增加相应的冷却方式(压缩空气点冷,水的点冷,水的环状冷却等)得到的不同的模拟结果。然后，温度场数值模拟的一个重要意义是应用温度变化数据预测缺陷,缺陷判据模型直接影响缺陷预测的准确性,而低压铸造与传统砂铸不同，压力条件下金属液的补缩性能不同于自然重力条件下金属液的补缩性能，这直接体现在缺陷判据的表达形式。实验中通过对比
7、有明显缺陷的冷却工艺和正常生产没有明显缺陷的一组工艺下的温度曲线结果来实现。最后,实际实验过程中，由于该模具为新设计的模具，实际生产经验少，没有比较好的水冷工艺参数可借鉴,所以如何得到没有缺陷的一组结果是整个实验最困难的一组，放在最开始进行。此外，如果每组实验都是在自然冷却的基础上加一个不同类型的冷却通道来进行,模具的整体散热会比较慢，使得实验时间过长，所以采取递进对比的方式，每次实验都是在上一次结果的基础增加不同类型的冷却，每次的实验结果都与上一次的结果进行对比，这样既可以分析得到不同类型的冷却效果,又减少了实验时间。通过以上分析确定实验方案如下：第一组：自然冷却条件(无冷却）时间设置（s）
8、升液充型升压保压冷却取件2010550543第二组:正常生产条件下的冷却设置表时间设置（s)升液充型升压保压冷却取件8201175230冷却设置冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置水冷080上轮唇水水冷6502800边模下轮唇水水冷75145800边模R角水水冷8100080下模水小1风冷120905分流锥风冷2110075上pcd风风冷412405上模模芯水1第三组:关闭水冷7-边模角处水冷时间设置（s）升液充型升压保压冷却取件20101540冷却设置冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置水冷53080上轮唇水水冷65030800边模下轮唇水水冷81001000下模水小1风冷1100070
9、分流锥风冷21000070上pcd风风冷41207上模模芯水1第四组:关闭水冷8-下模水小进时间设置(s)升液充型升压保压冷却取件821170256冷却设置冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置水冷5080上轮唇水水冷600800边模下轮唇水风冷11010070分流锥风冷2101070上cd风风冷2400上模模芯水1第五组：关闭水冷6-边模下轮唇环状水冷时间设置（s）升液充型升压保压冷却取件82012002573冷却设置冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置风冷11013070分流锥风冷210013070上pcd风风冷140上模模芯水1第六组：关闭风冷4上模轮芯水1时间设置（s)升液充型升压保
10、压冷却取件8203002585冷却设置冷却点开始时间持续时间流量冷却通道位置风冷11002070分流锥风冷2102070上cd风实验中模具上各冷却通道布置图如下图3-1、3-。 图3.1 模具冷却通道分布示意图 图. 模具冷却通道连接示意图4、热电偶分布图基于热电偶的布置不能破坏铸型，我们在模具所选部位上共安装了23个热电偶，其中1-0号位于下模部分,11-16号位于边模位置,1-23号位于上模。热电偶分布图如图3.3所示。 图3.3热电偶分布位置图.2实验结果与模拟结果分析.2.1温度曲线结果分析实验前对热电偶进行了短接测试，其中7-23号显示的补偿温度(即室温)2度左右,比较正常，而-6号
11、显示的补偿温度达0度左右，且后续统计的结果也高出其他点很多，所以忽略了这六个点的结果。1和20号位于上模R角位置温度变化剧烈，温度曲线变化很不规则。估计是热电偶接触不良引起的,因为模具温度升高时,发生膨胀,热电偶与模具接触，测量模具温度，温度降低时收缩,热电偶与模具不接触,此时近似为空气温度，因而温度在模具热胀冷缩的情况下忽高忽低,变化很不规则，所以没有进行记录。图3.4是从第三组实验中上模、边模、下模分别选择的热电偶位置的温度曲线图。 图34 上、下、边模位置热电偶温度曲线图由实验温度数据分析可知,在都存在冷却的条件下或者自然冷却条件下，下模温度最高,上模其次,边模温度最低,这与各部分散热情
12、况能很好的吻合。下模与地面不完全接触，夹层的空气基本不流通,导热较差,温度较高,靠近中心的温度最高,向外逐渐降低;上模的凹形结构既不利于空气的流通,又使上模的辐射面朝里,散热效果也比较差,上模的温度由下向上逐渐降低；边模散热面对着空气,辐射效果好,而且空气的流通性也很好,边模的温度由下向上逐渐降低，所以温度较低。此外，在实验过程中,外界条件的扰动对温度场的影响较大,尤其是开模取件的时间。在图3.中第三个循环和第四个循环之间存在一个大幅度降温,从图中可以看出两循环之间的时间步长较大，这是由于实验开模取件时间过长,开模以后,模具内表面与外界空气接触,产生强烈的对流和辐射，因而温度下降较大,在经过数
13、个循环后温度又逐渐回升。 图3.5 实验五16号测温点温度曲线图.2模拟温度曲线本次模拟使用的模型是某轮毂公司生产的铝合金轮毂,模具型号为W26-165-M16,模具和轮毂的三维造型如图所示3.和图3.7所示。图3.8分别为铝合金轮毂及其模具的实物图。 图3.6 模具结构图 图37 轮毂三维模型 图.8 铝合金轮毂和模具实物图其中轮毂的材料为ZL11A(A356),化学成分如表3-1所示。模具的材料为H1，边模材料为T500。轮毂及模具的相关性能参数见表3-.表3-1 L11A的化学成分合金牌号质量分数元素SiCugZnMnFeTiZL101A6.57.01.2-450.110.-表- 轮毂及模具的相关性能参数材料密度导热系数比热结晶潜热固相线液相线轮毂ZL01.70.230.79355724模具T137.80.060.113.数值模拟结果 3.3.温度场数值模型的验证1、模拟结果分析通过对凝固过程的多次模拟，我们发
