中国压铸杂志

双相流体模拟软件在真空压铸的应用

作者:admin 来源:原创 发表时间:2017-10-09
文:德宝压铸技术公司  黄奇德
 
概述
压铸工艺是把金属液快速充填进入模具型腔里。在冷室压铸工艺中,铝液首先倒入压室,冲头以较慢的速度把铝液推到模具浇口位置,再以高速在以几十至几百毫秒内把铝液充满型腔。在这极短的充型过程中,型腔的空气很难完全排出,铸件因此容易卷气和产生缺陷。以一个2.7公斤的铸件为例,型腔体积约有1升。加上50%的压室填充比率,体积也约1公升,即在整个过程中共有2公升空气在流动和需要排出。
  
 
在汽车轻量化的推动下,铝压铸件正在逐步取代钣金件,质量要求的提升,带动了高真空压铸技术的发展。模流分析是压铸模具开发阶段的重要工具,而目前大部分的模流分析软件都无法准确模拟真空压铸的充型,因此如何提高其准确性是重要的课题。
空气和金属液是完全不同特性的流体,空气是可压缩的,而金属液是不可压缩的流体(马赫数<0.2),流动特性不同。在充型过程中,空气形态变化非常复杂。当冲头关闭了压室进料口后,空气开始被压缩,同时空气受热膨胀,并开始从排气口逃逸。排气口会因金属液喷溅满了而堵塞,停止了排气。此间,由于型腔内空气压力进一步建立,余下的排气口位置出现超音速流。空气的特性也因温度和压力的变化而明显不同,以上各种因素都很影响空气的流动形态。
因此要选用合适而准确的压铸模流软件时,它最好能提供匹配的压射工艺,优化充型过程,和设计排气。要达到这样的效果,软件要自动提供优化的工艺参数,配合实际的机器性能、材料特性,细致的网格来建立复杂的模型(包括薄壁排气区),还要模拟充型过程型腔内的空气运动。
传统的模流分析计算
市面上一般的压铸模流分析软件都不模拟空气的运动,型腔建模的网格都是空白的,没有预设为空气属性。充型过程中,只有金属液进入型腔,而没有计算空气的运动。虽然部分会考虑以封闭型腔内的等温压缩性来计算背压变化,但型腔内的空气只被金属压缩而不能从排气口出走。这种方式是用单相不可压缩流体的求解程式来计算。
做压铸的都知道,高速充型时,金属液是喷溅状态,金属液前沿不会有清晰边界,而是形成小液滴和空气混杂成雾状。特别是在真空压铸时,由于型腔内的气压很低,空气阻力小,金属液喷溅更为明显。在充型过程中,空气不断受热,空间亦不断被金属液取代和压缩,空气受挤压推动,从排气口逸出。如果是真空压铸,空气主动往排气口出走,如果用传统的单相不可压缩流体的求解程式,自然产生很大的偏差。
公司介绍
意大利的PiQ2公司是专门开发压铸和铸造分析软件和提供行业内顾问服务的单位。公司位于威尼斯附近的布雷西亚。当地正是意大利的压铸工业重镇,著名的压铸机生产厂、压铸厂和模具厂群立。成立于2011年,公司植根于布雷西亚大学,该大学和当地压铸企业有长久的合作关系。目标是透过运用最新的数学计算模型,结合行业累积的大量经验数据,参考在实验室的测试数据,为行业开发全新的压铸模流分析软件-CASTLE。软件经过多年的现场生产验证,证明在预测卷气,特别是在高速充填和真空压铸状态,尤为准确。
CASTLE软件的特点
相对于传统的单相模流分析,CASTLE使用的是双相模流计算,即同时计算可压缩空气流体和不可压缩金属液流体的运动。空气的运动使用较真实的非等温可压缩计算模型。计算充型时两种流体的热动力物理特性都是随着温度而变化的,这使计算结果更准确。
至于建立网格的方式,是沿用有限体积划分法。和有限元素划分法比较,这种划分法对计算流体运动比较可靠,特别是涉及喷溅的计算。缺点是网格划分的数量很大,尤其是形状复杂的薄壁件(压铸件最为常见),导致计算时间很长。如果减少网格划分数目,建立的模型和实际的几何偏差太大,会影响计算的准确性。
 
  
 
有限体积划分模型混合网格划分模型
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