数字模拟下的汽车铝合金副车架挤压铸造工艺优化设计

数字模拟下的汽车铝合金副车架挤压铸造工艺优化设计

黄俊鑫

广西柳州银海铝业股份有限公司广西柳州545006

摘要：分析挤压铸造凝固过程的基本性物理规律与特点，提出在ANSYS基础上的挤压铸造凝固过程热-力耦合的数字模拟。并通过模拟对热收缩和相变收缩等实行考虑，并且对材料凝固和受力的力学行为以及潜热释放的规律等进行分析，针对界面传热和变形上两者之间的相互作用。通过阶梯样式模拟，实行有效模拟，此外，模拟结果一定程度上会对铸件凝固通过该模式计算汽车副车架挤压铸造的凝固过程，结合模拟结果优化了相应的工艺方案。

关键词：挤压铸造；热-力耦合模拟；汽车副车架

挤压铸造是较为先进的一种成形公艺，在这一工艺下能够帮助液体金属实现高压凝固成形，进而帮助铸件有着较高的致密度。经过挤压铸造，其中的高压可以促使最先凝固的金属壳实现塑性变形，使得铸件与模具之间紧密贴合，显著改善了铸件与模具之间的传热。此外凝固壳的发生变形会对凝固的金属液体流动补缩产生驱动作用。

1、模拟热-力耦合

1.1热-力耦合模拟的计算

ANSYS运算分析能力强且具有开放性，对多个二次开发工具进行了提供，帮助用户ANSYS功能实行了扩充。采用ANSYS当做计算平台，为用户ANSYS功能扩充提供便利。选取ANSYS当做计算平台，进一步提出了挤压铸造凝固过程的热-力耦合算法。将造型软件中建立好的模型导入到Hypermesh中实现网格化分建。相同工作目录中建立适合热计算和结构计算命令流文件，求解了不同时刻温度与应力分布。热分析计算的最终结果被看做热载荷读入结果实现了对铸件应力变形的分析求解，依据铸件和模具接触应力和气隙的更新界面各个部位的接触热阻，求解出新界面的温度，实行热-力耦合的计算。

1.2建立材料高温力学模型

针对应力场中的相关数据进行求解的重点是要可以对材料力学进行描述的数学模型。分别采用热弹粘塑性模型和理想热弹塑性模型对凝固壳金属液的力学行为进行描述，通过计算考虑热收缩和相变收缩造成的影响。基于ANSYS提供用户可编程特点，经过修改、编译用户子程序，获取自定义材料的模型。Usermat中解决的关键问题是热应变和蠕变应变，针对热应而言，不用对温度变化和相变体积变化实行分析，采用统一密度变化能够反映出材料的冷却体积，热应变计算式子为：

上面式子的表示应力的中间量等效值，是避免数值求解起来比较困难而取的最小量，G是剪切模量。

1.3潜热释放的规律

材料在凝固中会出现放热，其中的主要观点是潜热释放与固相率增加量表现出的是线性关系。对固相率和温度之间的关系进行了解，获取凝固潜热释放规律，在材料凝固中的温度变化十分重要。冷却曲线计算辅助法可在压力铝合金凝固中的温度变速实行研究。【2】课题使用Fourier分析法对固相率和凝固温度之间的关系进行计算。

1.4处理界面热阻

凝固过程中的关键影响因素为逐渐和模具界面的传热，界面热阻中的课题内热-力耦合模拟最为关键。型腔内金属出现了收缩和变形，不同位置与界面传热的系数是不同的。考虑接触压力与气隙影响界面热传，铸件与模具见的等效热传系数为h：

式子中的是基准热传系数，指接触气隙；表示高温空气导热系数；P是法向接触应力。

1、阶梯试样结果

通过以上模型对阶梯形试样挤压铸造凝固的过程进行计算，检验挤压铸造测温试验模拟法是否有效。经过实验，模具型腔中要预设3根热电偶对铸件凝固内的温度变化实行检测，挤压的压力分别是27MPa和82Mpa。

下图1表示的是热电偶测温点的具体温度测量值以及计算值，通过对比，1、2号测温点温度实际测量值和计算值是可比的，但3号测温点的详细计算结果与实际结果有着较大的差距，模拟中区域凝固速度与实际情况比较会更快。温度场计算精度在一定程度上是在铸件和模具接触界面上的传热和材料本构关系模型来决定，尤其是界面传热和材料本构关系模型的影响。当前，针对界面的传热系统和接触状态的研究并不深入和系统，为精确化计算结果，主要由挤压铸造条件的界面热传系数和接触压力以及接触面的气隙模型研究所决定的。

2、副车架的计算

2.1挤压铸造副车架的研制

挤压铸造汽车副车架试制需要在SCV-2000型立式挤压铸造机器中来完成，这一设备能够提供20000kN锁模力。合金是A356铝合金，浇筑温度为700℃，模具温度280℃，冲头主压力大约是70Mpa，压力保持时间为20s。以上描述中可以计算副车架凝固过程，同时依据模拟结果优化制造工艺，最终得到了组织致密和力学性能较为优秀的铸件。

2.2模拟结果和分析

图2是挤压铸造副车架的凝固温度场，从中可知，金属压在均匀温度之下出现凝固，正面筋板顶部壁厚是比较小的，因此能够沿着筋板三面实现散热，凝固速度较快，底部是大平面，散热方向单一，凝固和A处比较会慢一些，C位置会由于壁厚的较厚，影响冷却速度，浇注系统属于凝固最慢的部分。凝固快要结束时，铸件大部分出现了凝固，但后壁处还能看到未凝固部分，这些最后凝固部分一般会由于无法得到有效补缩存在疏松和缩孔缺陷。

图3是挤压铸造副车架的凝固等效分布图，将一半的铸件作为研究对象。假设在理想状态下，金属液而言的三个方向主应力一样，不会出现剪切应力。依据VonMises应力来计算，静压作用的液态金属应力是0。在实际计算中为了更简便，可以允许液态金属存在比较小的等效应力值，也就是图中深色区域的大小和形状，这些和图2内的深灰色区域很相似，表示这一区域方法可以反映固液相的不同应力。

4、小结

将加压铸造凝固中的物理规律和特点为基础，提出了要在ANSYS基础上模拟挤压铸造凝固热-耦合。在考虑热收缩、相变收缩、受力中的力学行为、材料凝固等，控制和计算APDL的完整过程。

通过阶梯形样式模拟，对模拟方法有效性进行展示，模拟结果可以在一定程度上描述铸件的凝固温度变化，同时可有很好展示加压铸造内的挤压力传递与衰减。

通过模拟方法计算汽车副车架挤压铸造的凝固，通过模拟结果对铸件收缩缺陷位置实行预测，并且在这一结果上优化制作工艺，获取力学性能优秀铸件。

参考文献

[1]孙珏,许善新,汤杰,王非凡,韩志强.汽车铝合金副车架挤压铸造工艺设计和产品开发[J].铸造,2015,01:17-21.

[2]汤杰,王非凡,韩志强,孙珏,许善新.汽车副车架挤压铸造凝固过程热-力耦合模拟[J].特种铸造及有色合金,2015,01:52-56.

[3]陈磊,程稳正,孙珏,王仕伟,陈志刚,侯杰.铝合金铸造副车架开发[J].汽车技术,2015,02:58-62.