D0I:10.13374/j.issm1001053x.2001.03.038 第23卷第3期 北京科技大学学报 Vol.23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 半固态触变压射成形过程模拟及验证 崔成林 毛卫民 赵爱民 钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 箱要根据触变，造半固态合金的流变特性，将半固态触变成形过程的流动简化为均相等 温层流流动，并对其进行了数值模拟和实验验证，数值模拟结果与实验充型结果基本相符. 关键词半固态；触变成形：数值模拟 分类号TG249.9 半固态金属触变成形是在20世纪70年代 小(<100m),且固相颗粒是均匀地分布在液相 才发展起来的一种铸造新工艺，它将搅拌法制 母液中的，而固液两相密度相近，在成形过程中 造的非枝晶半固态金属坯料，经再次加热到半 变形量很大，因此在模拟过程中将半固态浆料 固态进行挤压或压铸成形.由于半固态金属在 视为均匀（即单相）介质 成形前已是固液两相共存，易于均质变形，且高 (3)在充型过程中，由于充填时间很短，几乎 粘度的半固态浆料可以在充填时不发生紊流而 是在瞬间完成的，流体的传热时间很短，温度变 平稳充型，同时半固态金属坯料的初生相为球 化很小，因此，将半固态成形过程的流动近似为 状而使变形抗力显著下降，使铸件的加工性能 等温流动. 和内在质量都优于常规铸件；该工艺还可以制 (4)半固态金属的表观粘度与其温度、固相 造近终形(net-shape)制品.因此触变铸造工艺在 分数、剪切速率等有关，但总体来说比纯液态金 国内外得到了广泛的应用. 属高2~3个数量级9，取其最小值10Pas.若铸 本文采用数值模拟技术对半固态金属触变 件的内浇口直径为0.04m,半固态坯料充型速 铸造过程进行研究，以掌握半固态合金在充填 率为2m/s,两相区的平均密度为2500kgm,则 型腔时的流动行为，指导半固态合金成形生产 其雷诺数： 和模具设计，提高产品质量等，这对推动半固态 Re=D2=20, 金属加工技术在我国的应用具有重要的意义. 远小于临界雷诺数2300，是层流流动. 1半固态金属触变铸造充型过程分 通过以上分析假设，认为半固态金属充填 过程的流动为单相等温层流流动 析及模拟的假设 由于半固态金属具有触变性，因此在半固 2半固态金属触变铸造充型过程的 态金属的触变成形过程中作出以下假设： 数值模拟方法 (1)当半固态坯料受到很大剪切速率的作用 本文的模拟计算是在PHOENICS软件上进 时，具有良好的流动性，可以像流体一样充满铸 一步开发的半固态成形模拟计算.对于成形过 型，因此在模拟过程中将半固态金属视为连续 程中型腔充填过程的数值模拟，实际上就是求 的、不可压缩的金属流体，其流动特性由表观粘 解一组非稳态的流体流动控制方程组.根据这 度来表征. 一控制方程组的不同又分为能量平衡法和动量 (2)在半固态金属中有一定数量（质量分数 平衡法.对比两种方法，其中能量平衡法虽然方 50%~60%左右)的固相颗粒，但颗粒的直径较 程简单，求解方便，但无法获得完整的流场分 收稿日期200101-16崔成林男，38岁，讲师，博士 布，而动量平衡法模型虽然相对复杂，求解也较 *国家863资助项目QNo.714-012-004) 困难，可它能得到流场的整体分布情况以及自
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 触 、 】 半 固态触变压射成形过程模拟及验证 崔成林 毛卫民 赵爱民 钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 摘 要 根据触变铸造半 固态合金的流变特性 ， 将半 固态触变成形过程的流动简化为均相等 温层流流动 ， 并对其进行了数值模拟和实验验证 ， 数值模拟结果与实验充型结果基本相符 关扭词 半 固态 触变成形 数值模拟 分类号 半 固态金属触变成形是在 世纪 年代 才发展起来 的一种铸造新工艺 ， 它将搅拌法制 造 的非枝晶半 固态金属坯料 ， 经再次加热到半 固态进行挤压或压铸成形 由于半 固态金属在 成形前 已是 固液两相共存 ， 易于均质变形 ， 且高 粘度的半 固态浆料可 以在充填时不发生紊流而 平稳充型 ， 同时半 固态金属坯料 的初生相 为球 状而使变形抗力显著下降 ， 使铸件 的加工性能 和 内在质量都优于常规铸件 该工艺还可 以 制 造近终形 制品 因此触变铸造工艺在 国 内外得到了广泛 的应用 ‘ 本文采用数值模拟技术对半 固态金属 触变 铸造过程进行研究 ， 以 掌握半 固态合金在充填 型 腔 时的流动行为 ， 指导半 固态合金成形生产 和模具设计 ， 提高产品质量等 ， 这对推动半 固态 金属 加工技术在我 国 的应用具有重要 的意义 半固态金属触变铸造充型过程分 析及模拟的假设 由于半 固态金属具有触变性 ， 因此在半 固 态金属 的触变成形过程 中作 出以 下假设 当半 固态坯料受到很大剪切速率的作用 时 ， 具有 良好的流动性 ， 可 以像流体一样充满铸 型 ， 因此在模拟过程 中将半 固态金属视为连续 的 、 不可压缩 的金属流体 ， 其流动特性 由表观粘 度来表征 在半 固态金属 中有一定数量 质量分数 左右 的固相颗粒 ， 但颗粒的直径较 收稿 日期 刁 一 崔成林 男 ， 岁 ， 讲师 ，博士 国家 资助项 目伽。 一 司 小 阿 ， 且 固相颗粒是均匀地分布在液相 母液 中的 ， 而 固液两相密度相近 ， 在成形过程中 变形量很大 ， 因此在模拟过程 中将半 固态浆料 视为均匀 即单相 介质 在充型过程 中 ， 由于充填时间很短 ， 几乎 是在瞬间完成的 ， 流体的传热时间很短 ， 温度变 化很小 ， 因此 ， 将半固态成形过程 的流动近似为 等温流动 半 固态金属 的表观粘度与其温度 、 固相 分数 、 剪切速率等有关 ， 但总体来说 比纯液态金 属 高 一 个数量级 ， 取其最小值 · 若铸 件 的 内浇 口 直径为 ， 半 固态坯料充型速 率为 口 ， 两相 区 的平均密度为 ， 则 其雷诺数 二 竺旦 产 远小于临界雷诺数 ， 是层流流动 通过 以上分析假设 ， 认为半 固态金属 充填 过程的流动为单相等温层流流动 半固态金属触变铸造充型过程的 数值模拟方法 本文 的模拟计算是在 软件上进 一步开发 的半 固态成形模拟计算 对于成形过 程 中型腔充填过程 的数值模拟 ， 实际上就是求 解一组非稳态 的流体流动控制方程组 根据这 一控制方程组 的不 同又分为能量平衡法和 动量 平衡法 对 比两种方法 ， 其 中能量平衡法虽然方 程简单 ， 求解方便 ， 但无法获得完整 的流场分 布 ， 而动量平衡法模型虽然相对复杂 ， 求解也较 困难 ， 可它能得到流场的整体分布情况 以及 自 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．03．038
◆238· 北京科技大学学报 2001年第3期 由表面的变化情况等丰富的信息，所以动量平 固态金属的固相分数在45%~65%之间变化，充 衡法在充填过程的数值模拟中得到了广泛的应 型速度0.42.0m/s.实验和模拟条件为6=50， 用.本文采用了动量平衡法进行模拟计算. =1.8m/s. 21控制方程组的确定 图1(a)是直径为40mm的圆柱试样充型试 根据半固态金属在触变铸造过程中的特 样，图1b)是模拟结果，实验测得的自由表面的 点，可以用以下的微分方程组来描述其在充型 变化与模拟计算的结果相吻合，同时刻的半固 过程中流场及自由表面的变化情况 态金属充填自由表面与计算自由表面相比较平 动量守恒方程（以方向为例）： 滑一些，没有半固态坯料的喷溅现象发生。 +w-日（r）-架+ 图2是试样端部有阶梯芯的成形模拟和实 dt x u4)+pg+F,() 院上专x远) (a) 质量守恒方程（连续方程）： 单+a四-0 ∂x (2) 为了确定自由表面的移动，本文采用L加 等提出的守恒标量法，其微分方程为： 她-0 曾+装 (3) 其中中为守恒标量，中=1为充满单元，0<中<1为 b 自由表面单元，中=0则表示气体单元.根据式 (③)求解出整个流动域在不同时刻的中值，即可 得出自由表面在不同时刻的变化情况 22边界条件的确定 在半固态金属充填过程中，处理半固态金 属与铸型相邻单元的速度时，必须通过假想网 类■时两的形 格层设置速度边界条件.在这里有两种极端条 件下的边界条件：自由滑移边界和无滑移边界. 图【圆柱试样半固态成形模拟及安验结果 对于自由滑移边界的情况： Fig.1 Forming and simulation results of the cylinder cas- h=4 t血g (4) y=0 (a) 无滑移边界条件： [41=0 (5) 以=0 在上述两种条件中，前者认为型壁对流体流动 没有任何阻碍，能够自由滑动：而后者认为流体 在型壁上根本不能流动.很显然，实际充填过程 中的流动过程并非上述两种极端情况，而是处 于两者之间，具体值由一函数来描述： (b) a,=f) M=0 (6 其中∫函数取决于铸型材料、型壁粗糙度及网 格相对于速度边界层厚度的大小等， 3计算实例及实验验证 底 采用自行开发的半固态金属触变成形装置 图2，薄壁四形试样摸拟及成型结果 对A1Si7Mg半固态金属圆柱形铸件（直径为 Fig.2 Forming and simulation results of the thin cylinder 40mm)的触变铸造过程进行了实验研究.在半 casting
VoL23 No.3 崔成林等：半固态触变压射成形过程模拟及验证 ·239. 验结果，试样壁厚分别为15,10和3mm.在壁厚 计算半固态金属的触变铸造充型过程，在一定 3mm处的流动速度在8m/s左右，半固态金属 程度上可模拟半固态金属充填成形过程 没有喷溅发生，半固态金属充填型腔是按层流 (③)充型过程中的半固态金属自由表面为较 流动方式进行 平滑的变形的抛物面，而模拟结果为标准抛物 图3是壁厚20mm×60mm和5mm×60mm 面，剪切速率对表观粘度的影响不可忽略， 的阶梯试样成形实验结果，其中在20mm壁厚 参考文献 处有一个50mm的圆孔，最小截面处的半固态 1 Hirt G,Cremer R,Witulski T.et al.Advances in Thixof- 金属流动速度可达8m/s.模拟结果与试样的成 orming-Plant Technology,Component Manufacturing and 形结果完全一致，没有发生任何喷溅现象 Simulation.North American Die Casting Association Transaction,1997,113-6:377 2 Cardarella JJ,Creeden T P,Dax F R.Effects of Injection and Intensification Pressure on Semi-solid Metalworking Part Quality.North American Die Casting Association Transaction,1997,11(3-6):283 Loue W R.Bardinet F,Alexandrou A.Modelling the Thixoforing Process.North American Die Casting Asso- 图3阶梯试样成形结果 ciation Transaction,1997,11(3-6):396 Fig.3 Forming results of the step casting 4呼延青.国外流变转造发展概况.特种；造及有色合 4结论 金，1983,3：1 5 Liu Jun,Spalding D B.Numerical Simulation of Flows with Moving Interfaces. Physicochenical Hydrodyna- (1)半固态金属充型过程近似看成是单相等 mic5,1988,10(5):625 温层流流动 (2)利用流体力学中计算层流流动的方法来 Verification and Numerical Simulation for Semi-solid Modeling the Thixoforming Process CUI Chenglin,MAO Weimin,ZHAO Aimin,ZHONG Xueyou Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Based on floe-varying characteristics of thixotropic casting semisolid alloys,the flowing state of the semisolid alloy and the procedures as filling up the mould by means of thixotropic casting being per- formed,is simplified to the flow which features in an equal temperature layers,and it also is simulated and verified.The analogical results corresponds to that of filling up mould. KEY WORDS semisolid alloys;thixoforming;numerical simulation