壓鑄工藝學習，半固態(tài)壓鑄模具研究

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半固態(tài)加工技術因其有諸多獨特的優(yōu)點而被廣泛用于汽車、通信、電器、航空航天及醫(yī)療等各領域,但無論在理論上還是技術上,都需要進一步完善與發(fā)展。目前大量研究都集中在漿料制備方法、原理及漿料的流變特性等方面,而在半固態(tài)壓鑄模具的設計及半固態(tài)加工工藝參數(shù)方面的研究較少。應用有限的方法對1模8件復雜零件的半固態(tài)壓鑄充型工藝研究和試驗對比,結(jié)果表明,鋅合金壓鑄半固態(tài)成形技術主要受到壓鑄速度、壓射壓力、粘度、壓鑄模具預熱溫度及澆注系統(tǒng)等因素的影響。

用數(shù)值模擬方法對鎖扣壓鑄件的半固態(tài)充型及凝固過程進行研究,模擬了不同壓射速度、模具預熱溫度及不同內(nèi)澆道尺寸等因素對半固態(tài)ZN3鋅合金充型過程的影響,為進一步研究半固態(tài)壓鑄成型技術提供參考。

1半固態(tài)壓鑄模具設計

根據(jù)半固態(tài)金屬漿料的粘度及充型特點,結(jié)合鎖扣的壓鑄工藝要求,設計并制造出了鎖扣半固態(tài)壓鑄模具。由于鎖扣使用過程中成對出現(xiàn),為了保證零件的使用性能,采用成對壓鑄。同時為了提高生產(chǎn)效率、降低成本,設計過程中采用1模4對,對稱分布。ZN3鋅合金鎖扣半固態(tài)壓鑄模具的內(nèi)澆道尺寸比液態(tài)壓鑄的要大,設計時采用不同的內(nèi)澆道截面積。該鋅合金壓鑄件批量大,壓鑄過程連續(xù),模具溫度為250~300°C。半固態(tài)壓鑄件成形時溫度較低,模具材料選擇常用耐熱鋼H13(即4Cr5MoSiV1鋼)。

2半固態(tài)壓鑄過程模擬

利用分析軟件對鋅合金壓鑄半固態(tài)充型及凝固過程進行模擬,并對壓鑄成形時零件內(nèi)部可能產(chǎn)生的氣孔、縮松、縮孔等缺陷進行預測。在鋅合金壓鑄半固態(tài)的數(shù)值模擬過程中,對半固態(tài)金屬流體做以下幾點假設:

1半固態(tài)金屬流體具有“剪切變稀”的特征,即使在較高固相率時,加以強烈攪拌,半固態(tài)金屬依然具有相當?shù)偷募羟袘?因此在模擬過程中將其視為連續(xù)的、不可壓縮的金屬流體,其流動特性由表觀粘度表示；

2充型過程所需充填時間很短,幾乎是在瞬間完成的,流體的傳熱時間很短,溫度變化很小,因此,將半固態(tài)成形過程的流動近似為等溫流動；

3漿料為牛頓流體,其表觀粘度系數(shù)為常數(shù),充型過程為層流；

4在充型過程中只考慮半固態(tài)漿料的存在,而忽視另一流體，空氣。

2.1邊界條件設定

壓鑄ZN3合金,其密度為2.65g/cm3,固相線溫度為555°C,液相線溫度為615°C,模具材料為H13鋼。環(huán)境溫度設為20°C,型腔內(nèi)氣壓為一個標準大氣壓(0.101MPa),模具與鑄件界面的傳熱系數(shù)2000W/(m2·K)。

2.2充型及凝固過程模擬結(jié)果分析

鎖扣半固態(tài)流變壓鑄過程數(shù)值模擬結(jié)果。模擬采用的工藝參數(shù):壓射速度為1m/s,模具預熱溫度為240°C,漿料溫度為590°C。

通常,液態(tài)壓鑄時金屬液充入型腔后呈流射狀充填,直到金屬液沖擊到對面型腔后,兩次流體前沿向型腔兩側(cè)散開,并以反射壓力流的形式加速向下沿型壁流動,最終上部擴散的壓力流與下部反射的壓力流在入口兩側(cè)交匯,形成兩個很大范圍的渦流,該區(qū)域往往是卷氣、夾雜等鑄造缺陷存在的地方。半固態(tài)漿料在壓射沖頭的作用下進入型腔,在充型過程中,半固態(tài)漿料進入直澆道之后,在澆道內(nèi)快速堆積,待澆道充滿后才開始充填型腔。整個充填過程平穩(wěn),基本沒有飛濺現(xiàn)象,直至充填完成。

在凝固過程中,由于鑄件中心部分厚度比直澆道大,因此凝固時間與直澆道相比相對久一些,而料柄部分最后凝固。改變ZL102鋁合金的半固態(tài)壓鑄條件,采用第2組參數(shù),即漿料溫度為580°C,壓射速度為1m/s,模具預熱溫度為220°C及第3組參數(shù),即漿料溫度為600°C,壓射速度為1m/s,模具預熱溫度為240°C。其充型凝固過程與第1組參數(shù)(漿料溫度為590°C,壓射速度為1m/s,模具預熱溫度為240°C)模擬過程基本相同。

從以上3組參數(shù)的凝固結(jié)果分析可知,第1組參數(shù)鋅合金壓鑄件的微縮孔比例為1.43%,第2組參數(shù)的微縮孔比例為2.33%,第3組參數(shù)的微縮孔比例為1.98%,并且可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)澆道截面積大的一側(cè)的微縮孔要比截面積小的一側(cè)缺陷要少。根據(jù)以上分析,第1組工藝參數(shù)生產(chǎn)出的鋅合金壓鑄件質(zhì)量優(yōu)于第2組和第3組工藝參數(shù)下的鋅合金壓鑄件質(zhì)量。

3半固態(tài)壓鑄試驗

3.1試驗過程

半固態(tài)壓鑄試驗是根據(jù)以上3組工藝參數(shù)進行的。ZN3合金的熔化采用工業(yè)電阻爐,采用C2Cl6對熔化后的鋁合金進行精煉,并用電磁攪拌法對鋁液進行等溫攪拌,制得半固態(tài)漿料。選用J1118F型壓鑄機進行壓鑄。首先在模具未預熱情況下進行壓鑄,生產(chǎn)出的鑄件未充滿,且缺陷較多。進行預熱后按上述工藝參數(shù)生產(chǎn)出的鋅合金壓鑄件成形良好,表面光潔無缺陷。

3.2試驗結(jié)果及分析

對不同工藝參數(shù)下的壓鑄件進行硬度測試。

從以上數(shù)據(jù)可知,與第1組參數(shù)相比,當澆注溫度為580°C和600°C時,鋅合金壓鑄件的硬度反而降低。這是因為溫度過低時,枝晶較大,導致硬度相對較差；同樣,溫度過高,枝晶長大,也會造成同樣的情況。但是在3組工藝條件下,內(nèi)澆道截面積大的鋅合金壓鑄件硬度都要好于內(nèi)澆道截面積小的鋅合金壓鑄件,即在適當?shù)姆秶鷥?nèi),內(nèi)澆道截面積要盡量與入口處的型腔一致,可以有效提高壓鋅合金壓鑄件的品質(zhì)。

內(nèi)澆道截面積不同的壓鑄件金相組織也有明顯差異。內(nèi)澆道截面積大的初生固相率要高于內(nèi)澆道截面積小的鋅合金壓鑄件,并且兩鑄件的初生晶粒之間均伴隨很多細小的球狀晶,這是由于鑄件壓鑄成形期間漿料與鑄型型腔相接觸發(fā)生二次凝固造成的。

4結(jié)論

(1)壓鑄模具溫度對半固態(tài)壓鑄影響較大,半固態(tài)壓鑄過程必須保證模具溫度在250~300°C范圍內(nèi),這樣有利于壓鑄件充型和凝固。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果得到的最優(yōu)半固態(tài)壓鑄工藝參數(shù):壓射速度為1m/s,模具預熱溫度為240°C,漿料溫度為590°C,整個充型過程平穩(wěn),沒有飛濺現(xiàn)象。

(3)半固態(tài)壓鑄模具設計過程中內(nèi)澆道尺寸比液態(tài)壓鑄模尺寸大,根據(jù)鋅合金壓鑄件壁厚的特點,設計的較大內(nèi)澆道面積(17mm2)的鑄件硬度優(yōu)于較小內(nèi)澆道面積(11mm2)的鑄件硬度。