模拟技术对压铸完整排气系统的验证

本文描述了模拟金属液通过薄壁截面时,由于冷却和高背压导致的金属液停止流动,活塞不能推动金属液通过这些区域。控制体积法这种新技术允许几乎任何设计的几何形状进行网格划分。利用该仿真技术可以在非常合理的时间内再现铸件生产过程。

关键模拟技术:

 使用体积分数精确定义几何模型(CVM-控制体积法)

 结构化有限差分网格(FDM-有限差分法)

 使用体数分数和N-S方程模拟液体流动

 模具表面粗糙度

 气体计算

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图1

有限差分法

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图2

控制体积法

上图中,使用相同的网格数量划分同一薄壁压铸件,如果采用不同的方法,结果截然不同。采用有限差分法,由于网格数量太少,导致几何完全失真。使用控制体积法即使网格数量较少,但仍然能够通过体积分数来精确表达。

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图3

控制体积法网格

图中是采用控制体积法划分网格的截面图中可以看出,青色部分为铸件金属液部分,薄壁处网格数量即使不足一层单元,仍然能够满足计算要求。

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图4

计算效率对比

NOVACAST早期版本同大多数铸造仿真软件一样使用的是有限差分法,通过NFS团队不断的研究探索,重新开发软件后核心技术改用控制体积法,新的算法不但精度高,而且计算效率相对于有限差分法提高了5~10倍以上,大大缩短了工艺人员计算机试模的时间。因此,如论是从模拟精度还是计算效率上,NOVACAST为实现又细又长的排气孔模拟验证工作提供可靠的仿真工具

对于铸件和排气孔模拟问题,需要以下详细的信息:

   哪些模具需要添加排气系统;

   排气孔的位置

   排气孔的尺寸

   排气孔位置的冷却

   冷铁的材料

   带冷铁块的排气系统深入研究后得到的模拟结果如下:

   冷铁块的冷却影响

   金属液流入排气孔和空气排出

   几何背压

   气体背压

   通过薄壁截面时的金属液填充和流动

   活塞在充填结束时由于填充面积减少而减速

案例一:

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图5

某铝合金高压铸件浇铸系统如上图所示,需要验证其排气系统设计。模拟设置及工艺参数如下:

l  网格数量:120万

l  铸件材料:EN AC 46000(浇铸温度680℃)

l  模具材料:奥瓦儿(瑞典)产模具钢(预热温度220℃)

l  冷铁:铍铜(初始温度100℃)

l  压射速率:第一阶段=0.4米每秒;第二阶段=2.5米每秒

l  计算时间:完整的金属液充填流动和热平衡过程共花费40分钟

l  计算机:四核8G内存台式机

l  软件信息:NovaFlow & Solid CV 4.3r6(截至2017年底最新版本为6.3r3)

模拟结果如下图所示金属液充填过程的速率场,为了方便研究压铸模具结构的排气系统,主要观察金属液充满型腔的后半段。可以清楚的看到金属最后充满排气槽,以及充满型腔时金属液的流动速率,由于几何背压导致的部分位置流动速率发生变化,排气系统设计合理。

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图6

型腔填充率60%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图7

型腔填充率70%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图8

型腔填充率80%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图9

型腔填充率90%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图10

型腔填充率99.5%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图11

充填完成时金属液分布及温度场

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图12

生产实物

通过最终的模拟结果与实物对比可以看出,在排气槽中金属液的充满状态模拟与实物高度吻合,模拟计算精度相当高。

案例二:

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图13

某铝合金高压薄壁铸件,铸件外型轮廓尺寸900×700×185mm,质量4.4kg,如上图所示,同样对其排气系统进行验证。模拟设置及工艺参数如下所示:

l 网格数量:135万

l 最薄的截面:排气孔0.5mm,铸件1.5mm

l 铸件材料:EN AC 46000(浇铸温度660℃)

l 模具材料:奥瓦儿(瑞典)产模具钢(预热温度220℃)

l 冷铁:无

l 压射速率:第一阶段=0.5米每秒;第二阶段=5米每秒

l 计算时间:完整的金属液充填流动和热平衡过程共花费40分钟

l 计算机:四核8G内存台式机

l 软件信息:NovaFlow & Solid CV 4.3r6(截至2017年底最新版本为6.3r3)

模拟计算结果如下图所示,不同充填阶段的速率场分布,观察分析后确认当前排气设计合理,并且可以看到由于气体背压导致的部分截面流动速率发生变化。

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图14

型腔填充率60%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图15

型腔填充率70%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图16

型腔填充率80%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图17

型腔填充率85%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图18

型腔填充率90%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图19

型腔填充率95%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图20

型腔填充率99.5%

模拟技术对压铸完整排气系统的验证的图21

完全充满时的液相体积分数

通过当前案例再次验证了NOVACAST软件CVM控制体积法具有最快的计算效速度和最高的计算精度,很好的验证了排气系统在压铸模具中是否发挥作用。

结论

√ 带冷铁块的排气系统中填充和凝固模拟是可以实现的

 √ 在新的模拟技术下,计算时间是合理可接受的

 √ CVM控制体积法能够模拟金属液通过不足一层单元的截面

 √ 软件可模拟由于几何和气体背压导致的活塞速度降低

 √ 网格自动划分较快,模拟前处理设置时间短

来源:安世工仿

压铸模拟铸造工艺及仿真

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