FLOW-3D铸造工艺模拟分析

FLOW-3D铸造工艺模拟分析软件系统美国FLowScience公司北京办事处梁晓强010-8477166013910575708-----压铸篇FLOWSCIENCEGravitycasting重力铸造PrecisionCasting熔模铸造LowPressureCasting低压铸造HighPressureDieCasting高压铸造TiltCasting倾斜铸造Lostfoamcasting消失模铸造SqueezeCasting挤压铸造CentrifugalCasting离心铸造ContinuousCasting连续铸造InvestmentCastingThixocastingSemi-solid半固态成型材料MaterialIron铸铁Steel铸钢Aluminum铝合金Magnesium镁合金Copper/Bronze铜合金等可模拟的铸造方式铸件常见的缺陷问题缩孔：铸件在凝固过程中因为金属融汤的固化，在铸件上（表面或者是內部）产生局部凹陷或空孔合金融汤充填不良：模穴尚未完全填滿，但是融汤已经固化冷接纹：融汤前緣的温度过低，在金属相接时形成痕迹裂痕：因为热应力分布不均，使得铸件在局部区域发生裂痕气泡：铸件在成形过程中，因为融汤內卷气量过高，使得铸件局部区域內发生气泡集中的现象铸件缺陷会造成下列问题铸造属于大量量产方式，在量产过程中一旦发生问题，在短时间内可能会产生大量不良品铸件内的气孔聚集状况在铸件成形，进行热处理的时候，会因为气体膨胀而造成铸件表面鼓出而造成不良金属的冷却速度快，薄壁铸件或大型压铸件特别容易发生外观上的缺陷压铸模具虽然可以修改，但是不能无限期的进行修改。另外，模具修改需要额外的金钱及时间成本，会造成产品的开发成本上升镁合金压铸引擎进气岐管产品规格:-材料：AZ91D;-尺寸精度要求非常高，希望减少后续加工-重量减轻，希望提升燃油效率-公称厚度为1.5-2.0mmAudiV84.2literengine.PhotoreproducedfromAdvancedMaterials&Processes,August2000.模具最佳化设计－步骤I:流道与浇口设计-进浇速度~60m/sec,较薄区域速度达到100m/sec-减少喷流以及流动分离的状况-减少空气与氧化膜混入的机会-达到所有的流体可以通过所有浇口区域镁合金压铸引擎进气岐管由于金属导热速度快，而且产品不厚，充填速度相当快最佳化溢流井的分布减少喷流以及流动分离的状况减少空气与氧化膜混入的机会充填过程中的温度变化困在模穴表面的空气与氧化膜模具最佳化设计－步骤II:充填模拟镁合金压铸引擎进气岐管-可以设计冷却水路与加热机构-可以模拟模具预热与冷却效果固化率分布开模后的模具温度分布模具最佳化设计－步骤III:固化模拟与冷却模拟镁合金压铸引擎进气岐管AudiV84.2literengine规格:重量–7kg(15lb)产品公称厚度–1.5mm(0.06in)1997年一月开始进行开发1997年十一月进行试量产AdvancedMaterials&Processes,August2000FLOW-3D®配合德国KolbenschmidtPierburg开发完成AudiV6engine1998优秀设计奖InternationalMagnesiumAssociation.利用压铸制程开发完成，不需要多余的二次加工重量-4.3kg(10lb)–只有传统铝合金制品的一半公称厚度–1.5mm(0.06in).目前产量每年300,000件AdvancedMaterials&Processes,December1998FLOW-3D®配合德国KolbenschmidtPierburg开发完成戴姆克莱斯勒S-classandCLcoupeIntakemanifoldfortheV12engines公称厚度–1.5mm(0.06in).TwinignitionsystemAutomaticpartialcylindershutdownAnti-locksensor引擎规格：367hpand530Nmtorque.AdvancedMaterials&Processes,July2000FLOW-3D®配合德国KolbenschmidtPierburg开发完成高压铸造的卷气现象模拟FlowSeparation&BreakupDuringFilling-空气-金属A.Severebreakupofthemetalfront.B.Flowseparationatthegate.C.Irregularbackfillingmetalfront.AABCCCC高压铸造氧化膜分布预测分析颜色代表模穴内的困气以及氧化膜分布:-金属-含有杂质的金属高压铸造Defect-Tracking表面缺陷追踪MicroPorosity微缩孔分析高压铸造热点分析HPDC锌合金铸造红色区域为有问题的区域Cavitationpotential高压铸造气穴预测模拟高压铸造热应力分布交流发电机外壳铸造固化过程中的热应力分布图DefectPredictionExampleslikelylocationofdefectsFillingAirEntrainmentComparison:enginecover,A380entrainedairoxidefilmFilling案例说明FLOW3D能够在铸造方案设计初期进行模拟验证，从验证结果中再重新修正现有的方案设计以下将以实际案例，说明如何以金属铸造模拟系统FLOW3D进行方案设计铝合金高压铸造(A380)设计方案检验：流道设计检验、产品肉厚对于外观的影响、溢流井的位置确认充填模拟（氧化膜分布）流道系统设计检验进料速度差异造成的卷气现象修改一、进料的流道尺寸取Ｒ角，角度设计则根据模拟结果（减少流道卷气现象）修改二、调整四个进料区的尺寸大小，减少融汤在进入模穴后的卷气现象产品肉厚设计检验产品中央发生的卷气现象会在产品表面形成明显的冷接痕此处设计为一均一厚度的平板区，但是在铸造过程中，融汤的充填模式会在平板中心造成一卷气区，日后在外观上很难处理溢流槽位置定义GMO功能应用于铸造过程ColdChamberHPDC冷室压铸HotChamberHPDC热室压铸按一下圖片即可播放GMO功能应用于铸造过程GMO功能应用于铸造过程DemonstrationofanHPDCSimulationHighPressureDieCasting铸造材料-AL383模具材料-钢倒入温度为690度(1275°F)模具温度为204.0度(400°F)液相线温度为593.0°C(1099°F)固相线温度为521.0C(969°F)这是一个模拟高压压铸样本。该器件是一个引擎的情况。AnalysisPerformedFillingPatternAirEntrainmentSurfaceOxide(defect)ConcentrationSolidificationMicro-porosityThermalDieCyclingThermalInducedStressesModelSetup:在ModelSetup下有一系列的标签通过定义问题来工作。每一个题目是根据它的目的：Global–仿真类型Physics–选择必需/所需的物理模型Properties–设置选择的模型属性Meshing&Geometry–流域配置Boundaries–设置每个网格块边界条件Initial–在启动的问题下流量和温度条件Output–绘图频率控制Numerics–时间步长控制，压力求解，隐式解选项和平流选项Finalize–检查输入，预处理或运行规划求解GlobalSetup设置结束时间至0.250秒设置完成时终止的条件，并设置填充完成分数为1.0，因此整个模腔都填充。添加详细的评论文件的问题。在Global选项卡上定义所有问题的类型所有其他都才用默认选项Models选择必需的模型和重要的模型激活AirEntrainment激活绝热泡沫模型，在充填过程占区域，形成泡沫.激活在固体中传热和传导激活粘度和紊流激活凝固和缺陷跟踪激活GravityProperties为了在物理面板中选择物理模型设置流体性质。液体可以从一个数据库或手工输入中加载.Meshing&Geometry由于其结构化网格和FAVORTM技术,在FLOW-3D®计算网格调整和导入几何是很容易的。网格块可以覆盖到几何。下一系列的步骤，体现了技术。首先从子组件菜单创建或导入几何接着，在几何覆盖网格块最后，网格可以通过旋转和缩放检查决议BoundariesBoundaries是为了每个网格块而设置的边界条件。在这个仿真，time-dependent速度是为冲头而设置的。这个从一速到二速的拍摄。块之间的界限是自动处理，并不需要设定。这将打开该网格块面的边界选项。选择速度按钮来设置time-dependent值。在这里，设置一速和二速的时间和速度。溢流槽是设置在压力条件下能使空气和气体自由跑掉的地方Initial只有在空腔内设置压力为大气条件。设置为1个大气压(1.013e+06)。PostProcessingandResults在以下一系列幻灯片证明后处理/数据输出FLOW-3D®的性能和提供从模拟填充和HPDC凝固进程取得的成果。FLOW-3D®具有强大的后处理功能，包括数据输出格式，如在指定地点，数量的能力，广泛的调查，图形输出，简化和数字数据。AirEntrainmentThequantityofentrainedairisbaseduponadifferencebetweenturbulentenergy(themechanismforentrainingair)andstabilizingforcessuchasgravityandsurfacetension.Thismodelalsoevaluatesjetimpingementforitscalculationofentrainedair.Trappedaircancauseproblemsbycreatingporousregionswithincriticallocationsofacasting.Thereliabilityofthismodelandothersusedduringthefillingprocessaregreatlydependentupontheaccuracyofthefluidadvectionprocess.FLOW-3D®isknownforitsabilitytoaccuratelypredictthisfluidmotion.AirEntrainment蓝色区域都没有被困空气。红色区域显示的最高浓度，有被困空气的可能性。AirEntrainment空气中的浓度最高最终被困在管道及零件的极端地带DefectConcentration这动画显示填充图案颜色浓度的缺陷。表面缺陷跟踪说明在暴露的液体表面上的氧化物组合。这氧化物最终能够成为导致被困在一个劣质的局部区域。当流体喷射跟踪氧化物，突变分离和接合。SurfaceDefectConcentration由于卷气，表面氧化物往往成为被困在前面表面相遇区域和最后填充区域。所关注的区域是附近的凸台和鳍状。最后填充位置是远离当前的排气口位置。Dieisnotyetatsteadystateafter10cycles.ThermalDieCycling模型假设：•10个周期•铸件连续充填•均匀的喷涂和吹风关闭•模具的初始温度是100°Csolidenergyinventory2.40E+142.50E+142.60E+142.70E+142.80E+142.90E+143.00E+140100200300400500600700time(s)ergtsenrgThermalDieCycling高于343℃上热点（650°