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CAE模拟分析在前盖压铸模设计中的应用
本文TAG:CAE模拟分析在前盖压铸模设计中的应用      2011/7/5
作者:  出处:  阅读:2381  推荐:0
CAE模拟分析在前盖压铸模设计中的应用
有限元分析服务,找CAE服务联盟
  

1 引言

    压铸模CAE 模拟分析是基于铸造数值模拟仿真技术, 通过对压铸铝合金液充型过程中的流动场、铝合金液凝固过程中的温度场、压铸模温度场进行仿真模拟, 分析铸件可能出现的缺陷, 评价模具浇注系统、冷却系统与压铸工艺参数是否合理,从而对其进行优化。

    压铸模CAE 模拟分析过程一般包含三部分: 首先将压铸模设计后, 将输出的STL 接口文件输入到前处理模块进行网格划分; 然后用压铸CAE 系统的计算模块进行充型、凝固过程和模具温度场的计算分析; 最后采用后处理模块进行结果显示, 分析铸件可能出现的缺陷, 判断模具设计和浇注工艺设计是否合理, 为压铸模设计和浇注系统的优化提供理论依据。

    现利用Anycasting 压铸过程仿真分析软件, 对前盖压铸模在设计过程中辅以CAE 模拟分析, 根据模拟结果优化压铸浇注系统和压铸模结构设计。

2 前盖零件结构分析

    图1 为某新型发动机前盖, 材质为铝合金A380 , 重3. 125 kg , 外形尺寸430 mm×310 mm×70 mm,平均壁厚4 mm。前盖分别与滤清器、冷却器、油泵盖等零件相连接, 主要起支撑、防护、冷却作用。铸件内部质量要求较严格, 零件密封表面气孔不得大于0. 5 mm,其他加工表面气孔不得大于2 mm。气密性试验要求: 与冷却器和滤清器连接的油道为高压油道,要求在721 kPa 压力下每分钟渗漏量小于10 cm3 ; 整个腔体要求在70 kPa 的压力下每分钟泄漏量小于10 cm3

图1 发动机前盖

3 浇注系统设计与优化

    3. 1 浇注系统设计

    由于铸件有气孔率和气密性要求, 根据铸件投影面积, 为了有足够的锁模力保证铸件充型及内部质量, 采用1 模1 件, 并选用锁模力为12 500 kN 的卧式冷室压铸机压铸。

    根据经验,结合图1 压铸件特点,靠近滤清器和冷却器一侧需要布置滑块和型芯而无法在这一侧开设浇道, 因此考虑采用图2 所示浇注系统。内浇口高度取3 mm, 并运用UG软件对铸件进行分型和浇注系统三维建模, 铸件收缩率取0. 55 % , 图3 所示为模具分型面示意图。

图2 浇注系统

图3 分型面示意图

    3. 2 浇注系统模拟分析

    首先将铸件、浇注系统、溢流槽、模具镶块等三维数字模型输出成STL 文件, 分别导入到Anycasting软件的前处理模块进行网格划分。

    然后设定铸件和模具的材质、初始值条件、热传导条件、浇口尺寸等工艺参数。在压铸过程中,压铸工艺参数有压力、充填速度、金属液充填特性、模具型腔和合金 的温度等, 这些参数影响到金属液填充和最终铸件质量。在应用Anycasting 进行模流分析时, 首先设定这些参数模拟生产情况下的铝合金液压铸充填、凝固过程。选取的压铸工艺参数如表1 所示,铸件和模具材质的物理性能如表2 所示。

表1 模拟分析压铸参数

经对浇注方案和金属液填充型腔的过程进行模拟,并在后处理模块中显示模拟结果。

    图4 为型腔充填过程模拟,金属液通过浇口后,从铸件一侧边缘沿着型腔壁填充,在0. 402 7 s ,高压油道部位(A 处) 产生卷气现象。在0. 415 4 s ,滤清器部位(B 处) 发生明显的卷气现象, 最后填充部位在与滤清器相接的端部(C处) 。

表2 铸件和模具材质的物理性能

高压油道(A 处) 和滤清器装配部位(B 处) 气孔率及密封性要求较高, 在该部位有大量的卷气, 可能造成这些部位产生气孔等缺陷, 导致零件气密试验时发生渗漏致使零件报废。需要对浇注系统进行优化。

    3. 3 浇注系统优化

    图5 为浇注系统优化后型腔充填过程模拟。加大了右侧浇道面积, 中间浇道改为2 个分支浇道,从而减小了浇道面积。从模拟分析结果看, 金属液顺序填充, 高压油道部位没有发生卷气现象, 最后填充部位从滤清器装配部位移到一侧, 减小了缺陷产生的概率。

    通过模拟分析,优化的浇注系统方案可行。

4 凝固过程模拟与模具结构优化

    4. 1 凝固过程模拟分析

    图6 是金属液凝固过程模拟分析。金属液凝固过程中明显存在3 处比较危险的孤立液相区域, 最后凝固可能在这3 处产生缩孔、疏松等缺陷, 而这3处都位于高压油道区域, 对零件密封性能有很大影响。

    图7 是金属液在填充过程中的温度场分析, 结果显示从开始填充到全部填充完成, 金属液温度都在固相线(535 ℃) 以上, 不会产生欠铸、冷隔等缺陷。

图4 型腔充填过程模拟

图5 浇注系统优化后型腔充填过程模拟

图6 金属液凝固过程模拟

图7 金属液填充过程温度场模拟

图8 动模温度场模拟

图9 定模温度场模拟

    4. 2 模具温度场模拟分析与模具结构优化

    模具温度场模拟如图8、9 所示。

    根据金属液凝固过程模拟分析和模具温度场模拟分析, 在金属液凝固过程中存在危险的孤立液相区域, 应在模具温度场较高部位布置局部强制冷却结构, 控制模具局部温度和金属液凝固速度。在与滤清器相接部位增加局部挤压结构, 对零件厚壁部位的缩孔进行补缩。根据模具温度场分析, 零件上与装冷却器相接部位凝固过程中温度较高, 容易粘模,考虑该部位有较大包紧力,建议增加定模推出机构,如图10 所示。


 

 

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