鑄造模擬軟件JSCAST在擠壓鑄造中的應(yīng)用

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)特種鑄造及有色合金2008年第28卷第1期鑄造模擬軟件JSCAST在擠壓鑄造中的應(yīng)用駱國(guó)建1羅繼相1江玉華2陳云1馮福貴3(1．武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院；2．萬(wàn)豐奧特科技發(fā)展有限公司；3．溫嶺儀華儀表廠)摘要以汽車空調(diào)器殼體尺寸為依據(jù)，建立鑄件三維實(shí)體模型，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，運(yùn)用JSCAsT軟件對(duì)鑄件成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。結(jié)果表明，鑄件充填良好，無(wú)氣孔缺陷發(fā)生，但在進(jìn)口的端部到殼體的連接處因厚度差較大，易于產(chǎn)生縮孔(縮松)缺陷，這與實(shí)際生產(chǎn)情況相符。針對(duì)缺陷，提出移動(dòng)澆道位置，使之盡量靠近缺陷部位，以

2、強(qiáng)化澆道補(bǔ)縮效果；同時(shí)通過(guò)縮短型芯長(zhǎng)度等措施優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)。有效地避免了上述部位縮孔缺陷的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)改進(jìn)工藝方案，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、獲得優(yōu)質(zhì)擠壓鑄件的目的。關(guān)鍵詞JSCAsT；擠壓鑄造；汽車空調(diào)器殼體；縮孔中圖分類號(hào)TG249．2；TP391．9文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號(hào)1001—2249(2008)01—0026一03產(chǎn)業(yè)的全球化導(dǎo)致了鑄造產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，鑄造產(chǎn)業(yè)都在向高品質(zhì)、高可靠性、質(zhì)量輕、節(jié)能、低成本方向發(fā)展uj。擠壓鑄造在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為生產(chǎn)高品質(zhì)鑄造毛坯的重要手段

3、[2]。但在擠壓鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，由于多種因素的影響，往往會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生冷隔、裂紋、縮孔、縮松等缺陷¨j。這些缺陷的形成與鑄造過(guò)程有著密切的關(guān)系，通過(guò)對(duì)鑄造充填凝固過(guò)程的數(shù)值模擬解析，可以快速得出改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的措施，避免缺陷的發(fā)生[4]。JSCAST軟件是對(duì)熔融金屬在鑄型內(nèi)的充填、流動(dòng)、冷卻、凝固等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的軟件[5]。本課題運(yùn)用JSCAST軟件對(duì)汽車空調(diào)器殼體擠壓鑄造工藝的充填和凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，預(yù)測(cè)了可能發(fā)生的缺陷及其位置，結(jié)合模擬結(jié)果，提出了消除這些缺陷的方法。1JSCAST的數(shù)學(xué)模

4、型JSCAST對(duì)溫度場(chǎng)(Fourier方程)及流場(chǎng)(Navier—Stokes方程和連續(xù)性方程)的數(shù)值計(jì)算，均采用直接差分法[6]。直接差分法與有限差分法相比，導(dǎo)入各種物理量和適應(yīng)于各種邊界條件的協(xié)調(diào)性較好；與有限元法相比，其數(shù)值離散化過(guò)程更簡(jiǎn)單且直觀口1。流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合，采用熱焓法，凝固過(guò)程中，潛熱的釋放處理，采用溫度回升法口舟]。另外，自由表面的移動(dòng)推算，采用了獨(dú)自開發(fā)的8法L10

5、。2零件實(shí)體模型的建立與參數(shù)的確定使用3D軟件Pro／E對(duì)零件進(jìn)行實(shí)體造型，見(jiàn)圖1，然后以STL格式導(dǎo)入JSCAST中進(jìn)行

6、鑄型的定義及網(wǎng)格的剖分。為保證模擬的精度和計(jì)算的速度，選用等間隔的剖分方法將整體模型(鑄件和鑄型)剖為細(xì)網(wǎng)格，再用增加／刪除的網(wǎng)格修改方法將鑄型部分的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放寬，見(jiàn)圖2。模擬中使用的鑄件材料為AC4C，其物理性能參數(shù)分別為：密度妒=2．680g／cm3，比熱容c一0．9614J／(g·℃)，液相線溫度為613℃，固相線溫度為557℃，導(dǎo)熱系數(shù)尼一1．55J／(cm·s·oc)，凝固潛熱H一388．?4J／g；鑄型材料為SKD61，其物理性能參數(shù)為：密度p一7．800g／cm3，比熱容c—O．543J／(g

7、·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)尼一o．272J／(cm·s·℃)；計(jì)算中采用的澆注溫度為680℃，模具預(yù)熱200℃，澆注速度為O．5m／s。圖1零件的實(shí)體造型圖2網(wǎng)格剖分模擬過(guò)程及結(jié)果分析3．1充型過(guò)程汽車空調(diào)器殼體的整個(gè)充填過(guò)程在o．746s內(nèi)完成，各時(shí)問(wèn)充填狀態(tài)見(jiàn)圖3。充型開始，金屬液以較高的速度進(jìn)入型腔，由于液流向上的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于向四周擴(kuò)散的速度，故剛開始液流向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)不明顯(見(jiàn)圖3a)。但由于截面積的迅速增大和重力作用，液流向上的速度降低，向牧稿日期：2∞70912基金項(xiàng)嗣：交通部交通行業(yè)港口裝卸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

8、資助項(xiàng)目(2005003)第一作者簡(jiǎn)介：駱國(guó)建，男，1984年出生，碩士研究生，武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，武漢(430063)，電話：13476077823，E—mail：luoguojian3@163．c。m26萬(wàn)方數(shù)據(jù)一鑄造模擬軟件JscAsT在擠壓鑄造中的應(yīng)用駱國(guó)建等圖3殼體的充填狀態(tài)左右擴(kuò)散速度增大，這樣液流向上的趨勢(shì)得到遏制，開保證排氣良好，從而大大降低了鑄件內(nèi)部產(chǎn)生氣孔的可始向四周擴(kuò)散(見(jiàn)圖3b)。當(dāng)液流完全覆蓋底面后，液能性。層開始逐步向上充填，該過(guò)程液流運(yùn)動(dòng)較為緩和，有助于氣體的排出(見(jiàn)圖3c)

9、，圖3d為充填結(jié)束狀態(tài)。從整個(gè)充填過(guò)程來(lái)看，金屬液是自底向上、逐步充滿型腔的，而排氣孔正好開在最后填充的部位，這樣能3．2凝固過(guò)程整個(gè)凝固時(shí)間耗時(shí)10．765s，各時(shí)段的部分凝固狀態(tài)見(jiàn)圖4，其中空網(wǎng)格表示已經(jīng)凝固的區(qū)域，而實(shí)體部位則表示鋁合金仍處于液態(tài)或半固態(tài)，沒(méi)有完全凝固。(a)f—O．475s(b)￡一2．352s(c)￡一3．195s(d)￡一5．Ol78圖4不同時(shí)段的凝固狀態(tài)凝