铝合金半固态触变充型过程的计算机模拟

D01:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.022 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 铝合金半固态触变充型过程的计算机模拟 杨卯生徐宏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 摘要分析半固态AIS7Mg合金触变充型过程中各个阶段浆料的压力和速度变化特征，建 立耦合半固态表观粘度的三维流场数学模型，在考虑半固态边界条件和气体阻力方程基础之 上，采用SOLA-VOF法对铝合金件的触变充型过程进行模拟计算，结果表明，入流速度大小 对半固态浆料充填流态有显著影响.小的人流速度浆料充填流态倾向于采用平稳充型，同时气 孔等缺陷产生倾向也小.与刹车泵体轴向注入工艺相比，在一定人流速度下，采用径向注人工 艺成形阻力较小，充型中不会出现充不满的铸造缺陷.上述模拟结果与实际相吻合. 关键词充型模拟：刹车泵体；半固态；人流速度；铝合金 分类号TG249.9 在充型过程中，半固态浆料呈现出与合金 据半固态触变充型特点，将充型过程分为3 细观组织结构、固相体积分数和剪切速率，时间 个：①预紧实阶段I,压送冲头慢速前进，在冲 以及过程等因素密切相关的触变特性显然， 头的作用下，浆料充满压室与浇口处的空间，此 单纯采用实验难以描述半固态的浆料充填过 时，柱塞速度很慢，压送比压主要克服压室侧壁 程，实验研究辅以数值模拟技术将成为分析半 阻力.此阶段最后时刻，由于半固态浆料的反作 固态充型过程的一种理想途径.国内外学者对 用力，使得柱塞的压力超过了P.②触变充型阶 半固态成形过程的模拟进行了大量工作并取得 段Ⅱ.它是半固态成形的关键阶段，成形制件质 了一些进展5-”.目前较多采用表观粘度描述半 量与此密切相关.经过浇口的浆料开始充填型 固态合金触变特性.因此，建立正确的表观粘度 腔，由于浇口的剪切变稀作用，充填压力开始下 的数学表征并确定半固态成形的边界与初始条 降到P,并保持这个压力以充填速度V进行触变 件对于半固态触变过程数值模拟是至关重要 的.本文首先分析了半固态的触变充型过程中 压力与速度的变化特征，考虑边界条件，如入流 速度与充型气体阻力，利用耦合表观粘度的充 型模拟方程对铝合金半固态进行模拟研究，用 来揭示入流速度对半固态浆料充填的影响，并 t/s 计算2种注人工艺下的铝合金刹车泵体的触变 图1半固态充型过程中柱塞阻力变化示意图 充型过程. Fig.1 Scheme of variations of piston pressure during filling 1半固态触变充型过程 半固态触变充型是一个在压送比压作用下 的浆料变形流动过程.压送比压可以通过调整 压送压力和压室体积来实现.在触变充型过程 中，作用在浆料上的比压并非是一个常数，而是 t/s 随充型不同阶段而变化.如图1和图2所示，根 图2半固态充型过程中入流速度变化示意图 收稿日期2001-12-28杨卯生男，39岁，副教授 Fig.2 Scheme of variations of flow velocity during filling *国家自然科学基金资助课题No.59995440).教育部博士点基金资助项目No.1998000807)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 匕 一 一 铝合金半固态触变充型过程的计算机模拟 杨 卯生 徐 宏 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 分析半固态 合金触变 充型过程 中各个 阶段浆料 的压力和 速度变化特征 ， 建 立祸合半固态表观粘度 的三维 流场数学模型 ， 在考虑半固态边界条件和气体阻力方程基础之 上 ， 采用 一 法对铝合金件 的触变充型过程进行模拟计算 结果表明 ， 入流速度大小 对半固态浆料充填流态有显著影 响 小 的人流速度浆料充填流 态倾向于采用平稳充型 ， 同时气 孔等缺陷产生倾向也小 与刹车泵体轴向注人工 艺相 比 ， 在一 定人流速度下 ， 采用径 向注人 工 艺成形 阻力较小 ， 充型 中不 会 出现充不满 的铸造缺陷 上 述模拟结果与实际相 吻合 关键词 充型模拟 刹车泵体 半 固态 入 流速度 铝合金 分 类号 在 充型 过程 中 ， 半 固态浆料呈 现 出与合金 细观组织结构 、 固相体积分数和剪切速率 、 时间 以及过程等因素密切 相关的触变特性 ‘，一 显然 ， 单纯 采用 实验难 以 描 述 半 固态 的浆 料充 填 过 程 ， 实验研究辅 以数值模拟技术将成为分析半 固态充 型 过程 的一种 理想途径 国 内外学 者对 半 固态成形过程 的模拟进行 了大量 工作并取得 了一些进 展 ‘，一 目前较多采用 表观粘度描 述半 固态合金触变特性 因此 ， 建立正确的表观粘度 的数学表征并确定半 固态成形 的边 界与初始条 件对 于 半 固态 触 变过 程 数值模拟 是 至 关 重 要 的 本文首先分析 了半 固态 的触变充 型 过程 中 压 力与速度 的变化特征 ， 考虑边 界条件 ，如人流 速 度与充型 气体阻力 ， 利用 藕合表观粘度 的充 型模拟方程对铝合金 半 固态进 行模拟研究 ， 用 来揭示 人流速度对半 固态浆料充填 的影 响 ， 并 计算 种 注人工艺 下 的铝 合金 刹车泵体的触变 充 型 过程 据半 固态触 变 充 型 特 点 ， 将 充 型 过 程 分 为 个 ①预 紧实阶段 压送 冲头慢速前进 ， 在冲 头的作用下 ， 浆料充满压室 与浇 口 处 的空 间 ， 此 时 ， 柱塞速度很慢 ， 压送 比压 主要 克服压室侧壁 阻力 此阶段最后 时刻 ， 由于半固态浆料 的反作 用 力 ， 使得柱 塞 的压力 超过 了尸二 ②触变充型 阶 段 它是半 固态成形 的关键 阶段 ， 成形 制件质 量 与此密 切 相关 经过浇 口 的浆料 开 始充填型 腔 ， 由于浇 口 的剪切变稀作用 ， 充填压力开始下 降到尸 ，并保持这个压力 以充填速度 矶进行触变 乙 乙 图 半 固态充型 过程 中柱塞 阻 力 变化 示 意 图 · ， 一 一 ﹄ ︸ 日 ︷ 玖 口一 · 半 已争 固态触变充型过程 半 固态触变充型 是一个在压送 比压作用下 的浆料变形 流动过程 压送 比压可 以通 过 调 整 压送压 力和 压 室 体积来实现 在触变充型 过程 中 ， 作用在浆料上 的 比压并非是一个常数 ， 而是 随充型 不 同阶段 而变化 如图 和 图 所示 ， 根 收稿 日期 一 一 杨卯生 男 ， 岁 ， 副教授 图 半固 态充型过 程 中入流速 度变化示意 图 皿 国家 自然科学 基金资助课题 困众 ， 教育部博士点基金资助项 目困 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．02．022

·182* 北京科技大学学报 2002年第2期 充型，浆料充填速度与柱塞速度、压室面积以及 处浆料速度值，在充型过程不发生变化；入口压 浇口面积有关.此时，比压主要克服浇口侧壁阻 力即为浆料压送压力，为保证一定人流速度（充 力和流动阻力，在这个过程中压力和充填速度 填速度)，人流压力随充型时间作非线形波动变 变化不大.③致密化阶段Ⅲ.半固态浆料充填完 化，变化幅度很小.实际采用的压铸机技术数据 成后，此时，浆料充填速度几乎为0，液压系统 为：①10t半固态压铸机，压室直径为60mm,最 持续增压直到达到最大比压P2,增大比压的作 大柱塞推进速度为0.24ms,行程为120mm. 用是增大半固态成形压力，使半固态铸件进一 ②200t半固态压铸机，压室尺寸为80mm×80 步致密化. mm和中150mm×80mm2种，行程为150mm,最 大柱塞推进速度为0.24ms1. 2模拟计算模型建立 (2)型壁边界条件（图3）. 2.1基本控制方程 自由滑动边界：U=U,V0,W=W. 半固态合金充型过程流动属于带有自由表 无滑动边界：U=一U,=0,W=-W 面变粘性不可压缩非稳态流动.描述半固态合 实际使用中：U=KU,V0,W=KW 2 W 金流动方程主要有：质量守恒方程、动量守恒方 程、能量方程以及体积函数方程. 铸型 ①质量守恒方程（连续性方程）： 0+dn6-=0 (1) 流体 ②动量守恒方程. d(pu-)+div(pu-)=divP-+g-f (2) 图3型壁单元示意图 式中，4表示m方向的速度分量；gm为作用在单 Fig.3 Schematic of wall unit 位体积流体m方向的体积力；P为表面力矢量（包 根据工艺条件不同，K值取值范周在(-1,1) 括表面静压力和流体粘性应力)：为作用在单 之间变化，它的大小取决于铸型条件、合金种类 位体积流体的反方向阻力. 以及温度等因素.半固态浆料的粘度较液体金 ③体积函数方程（自由表面控制方程），确 属要大，在充型过程中具有剪切变稀的特点.铸 定自由表面的移动. OF.OFOFOF 型为钢模具.半固态铝合金铸件由于熔点较低， o1 xv0yw=0 (3) 模具预热温度达到300℃，充型过程降温较少， 本研究离散格式采用美国的帕坦卡$V教 为此取K=-0. 授提出的交错网格 2.3气体阻力的计算方程 ④表观粘度方程 由于半固态充型时间极短，模具中的气体 7=1:+n()）m (4) 的排放对半固态充型具有一定影响.实验表明， (y+y =√x 当缝隙达到0.1mm以上时，半固态浆料将有可 0x: (5) 求解过程为首先初始化速度场、压力场，然 能逸出.为此选择一定大小的排气缝隙是至关 后，采用SOLA法求解而获得试算速度场；通过 重要的.在△时间内，在压力P的作用下，通过 迭代计算修正压力场和相应的速度场，直到满 缝隙排出的气体的摩尔质量： 足质量守恒方程为止；利用单元的应变梯度计 △n=u,△t·a·6-P/RT (6) 算粘度的变化，并耦合于动量方程中，采用VOF 气体在缝隙内的运动速度u利用达西定律求得： 法求解体积函数方程，得到流场自由表面的变 W-P-P (7) 化情况 在一个微小的时间步长内，可以认为缝隙 2.2边界条件 大小以及温度、压力保持不变 (1)入流边界条件.半固态触变充型的入流 PP.yrgTPy p V+△V (8) 边界设在内浇口处，半固态压铸设备具有固定 式中，△V为△时间内未充满模具体积变化；T为 的浆料充填流量值，当浇口横截面积确定，浇口 充型过程中模具的热力学温度；P哈为标准压力；

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 充型 ， 浆料充填速度与柱塞速度 、 压室面积 以及 浇 口 面积有关 此时 ， 比压 主要 克服浇 口 侧壁阻 力和 流动 阻力 ， 在这个过程 中压力 和 充填速度 变化不大 ③致密化阶段 半 固态浆料充填完 成后 ， 此时 ， 浆料充填速度几乎 为 ， 液压 系统 持续增压直到达到最大 比压八 ， 增 大 比压 的作 用 是增大半 固态成形压力 ， 使半 固态铸件进一 步致密化 模拟计算模型建立 基本控制方程 半 固态合金充型 过程流 动属 于带有 自由表 面 变粘性不 可 压缩非稳态 流动 描述半 固态合 金流 动方程 主要有 质量守恒方程 、 动量守恒方 程 、 能量 方程 以 及体积 函数方程 ① 质量守恒 方程 连续性方程 处浆料速度值 ， 在充型过程不发生变化 人 口 压 力 即 为浆料压送压力 ， 为保证一定人流 速度 充 填速度 ， 人流压力 随充 型 时间作非线形波动变 化 ， 变化幅度很小 实际采用 的压铸机技术数据 为 ① 半 固态压铸机 ， 压室直径为中 ， 最 大柱塞推进速度为 · 一 ’ ， 行程为 ② 半 固态压铸机 ， 压室 尺 寸为中 和 拟 ‘ 种 ， 行程为 ， 最 大柱塞推进速度为 ， 一 ， · 型 壁边界条件 图 自由滑动边界 以二 ， ， 爪 万 无滑动边界 以“ 一 ， 代 ， 琳 一 班 实 际使用 中 以 尤 ， 鱿二 ， 琳 尤班 口 ， ， ‘ 、 飞乍十 ， 切 ②动量守恒方程 知 ， ‘ 。 云，一 ‘ 场 一儿 ‘ ， 式 中 ，琉表示 方 向的速度 分量 肠 为作用 在单 位体积流体 方 向的体积力 六为表面力矢量 包 括表面静压力 和 流 体粘性 应力 儿 为作用在单 位体积流体 的反方 向阻力 ③体积 函数方程 自由表面控制方程 ， 确 定 自由表面 的移动 砰 琳 ， 一一卜一 争 “ 争夸愕 一 本研究离散格式采用 美 国的帕坦卡 授提 出的交错 网格 ④表观粘度方程 叮 叮切 力 一 教 求解过程为首先初始化速度场 、 压力场 ， 然 后 ， 采用 法求解而 获得试算速度场 通过 迭代计算修正 压力场 和 相应 的 速度场 ， 直到满 足 质量 守恒方程 为止 利用 单元 的应变梯度计 算粘度 的变化 ， 并藕合于动量方程 中 ， 采用 法求解体积 函数方程 ， 得 到 流 场 自由表面 的变 化情况 边界条件 入 流边界条件 半 固态触变充型 的人 流 边 界设在 内浇 口 处 ， 半 固态压铸设备具有 固定 的浆料充填流量值 ， 当浇 口 横截面积确定 ， 浇 口 图 型壁单 元示 意图 根据工艺条件不 同 ，尤值取值范围在 一 ， 之间变化 ， 它 的大小取决于铸型 条件 、 合金种类 以及 温度 等 因素 半 固态浆料 的粘度较液体金 属要大 ， 在充型 过程 中具有剪切变稀 的特点 铸 型 为钢模具 半 固态铝合金铸件 由于熔点较低 ， 模具预热温度达到 ℃ ， 充型 过程 降温较少 ， 为此取犬七 气体阻力 的计算方程 由于半 固态充型 时间极短 ， 模具 中的气体 的排放对半 固态充型具有一定影响 实验表 明 ， 当缝 隙达到 以 上 时 ， 半 固态浆料将有可 能逸 出 为此选择一 定大小 的排气缝 隙是至关 重要 的 在△ 时间 内 ， 在压力只的作用下 ， 通 过 缝 隙排 出 的气体的摩尔质量 △ 认△ 口 · 占 · 只仄 气体在缝隙内的运动速度 利 用达西定律求得 ℃ 、少户、 护 俨 、了 ﹄、︸ 扒 、 一 了嚼 会 ， 旱亏 在一个微小 的时 间步长 内 ， 大小 以及温度 、 压力保持不 变 可 以认为缝 隙 。 只 · 叱一 △” 天 只 ’ 汗 一一一，二二万 犷于 ，一 目 犷 二 一 一凸 厂 · 环一 封 △ · · 咨 · 只 △ 式 中 ， △ 为△ 时间 内未充满模具体积变化 为 充型 过程 中模具 的热力学温度 群为标准压力

Vol.24 杨卯生等：铝合金半固态触变充型过程的计算机模拟 ·183 a,6,l为排气缝隙的长度、宽度和深度.式(8)表 仅可以避免卷气，而且改善半固态铸模的排气 明，模具内部的气体阻力是排气缝隙和充型时 状况，同时使得浆料流动平稳和热传递均匀.图 间的函数.大的缝隙以及合理的分布将有利于 4显示了不同人流速度下，半固态浆料充填的 半固态充型.半固态合金在触变充型中，其粘度 流动现象.如图4(a)所示，当入流速度达到4 变化很大，有时降低到10Pas以下.缝隙太大将 ms时，浆料流动出现了紊流扰动迹象.为了 造成半固态浆料泄漏.为此，对于一定粘度4m 减少湍流和空气卷入量，限制入流速度，以保证 半固态合金在一定压力Pm作用下，必然存在一 流动为层流.显然，采用较小充填速度，有利于 个最大的缝隙宽度δ，超过该值则可能发生浆料 改善流动形态，图4(c),(d)的模拟结果已经实了 喷射现象，即浆料泄漏量q达到一定值. 这种观点.但是，模具必须在极短时间内填充， 9.P-P6) 以避免在充型过程中由于降温而造成流动性下 124mm·l (9) 降.在浇口尺寸一定时，在保证层流流动前提 3入流速度对半固态触变充填影响 下，应选择较大的人流速度.生产半固态制件的 2个主要控制环节为：半固态浆料在浇口和模 影响半固态填充形态主要因素有压力、人 具型腔内的流动形态；浆料充型散热和凝固热 流速度和半固态浆料粘度.浆料粘度主要取决 量输出.在充填时间内这2种流动现象是矛盾 于模具温度和充型时间.入流速度是决定充填 的，因此需要选取保证不因为散热而引起粘度 流态特性的先决条件，是影响产品内在质量和 明显变化的最佳充型时间.即使在较短充型时 成形质量的首要因素.采用适宜的入流速度，不 间内，半固态触变成形也是层流充型 (a)充型速度4m/s (b)充型速度2m/s (c)充型速度1m/s (d充型速度0.75m/s 图4半固态充型过程模拟计算结果（充型容量30%） Fig.4 Filling simulation results of semi-solid alloy(filling vloume 30%) 4 模拟结果实际验证 为了验证所开发的半固态充型过程模拟程 序的可靠性，本文针对半固态刹车泵体铝件径 向与轴向2种注入工艺进行计算，并与实际浇 注结果进行对比.刹车泵体铝铸件（包括浇口） 质量约900g,轮廓尺寸为230mm×104mm×74 mm,半固态成形的难点为图5所示的A,B处浆 图5刹车泵实体图 料不容易充填.特别当充型时间长而引起的温 Fig.5 Solid drawing of brake pump A,B 度下降，更容易在该处造成气孔和浇不足等铸 察计算结果的对称性和自由表面的运动情况 造缺陷.为此，在一定充型时间范围内，选取合 计算保证半固态成形质量的触变充型时间. 适的人流速度、模具温度和注入方式是成形的 4,1铸件径向注入模拟计算结果 关键.半固态压铸系统压力为19.6MPa,模具预 实体造型与网格划分如图6所示.网格单 热温度为300℃.为了进一步检验计算程序，模 元尺寸为3mm×3mm×3mm,总数115056.压室 拟研究不同入流位置的铸件的充填情况，并观 面积为150mm×80mm,浇口面积为15cm2,入流

184◆ 北京科技大学学报 2002年第2期 图6半固态铸件实体造型和FDM网格模型（径向） Fig.6 Solid mold and FDM grid model of semisolid casting(along the radial) 速度为1.4ms.充型过程如图7所示.充型过 开始充填B处，直到最后整个铸件全部充满.整 程的开始阶段，如图7(a)和b)所示，半固态呈 个过程充型平稳没有浆料飞溅.充型时间为0.13 层流流动平稳充填，到充型量50%时，浆料上升 S. 流动并开始充填A处；等到充型完成80%时，如 4.2铸件轴向注入模拟计算结果 图7()所示，A处基本充满，浆料向两边扩展并 实体造型与网格划分如图8所示，网格单 (a)充型10% (b)充型30% (c)充型50% (d)允型80% 图7半固态铝件的充填流场模拟结果 Fig.7 Filling simulation results of semisolid aluminum alloy casting 元尺寸为3mm×3mm×3mm,总数为142290.压 室直径为中82mm,浇口直径为30mm,入流速度 为1.7ms.充型过程如图9所示，充型过程的 开始阶段，半固态保持层流流动平稳充填，到充 型量30%时，浆料上升流动并开始充填A处第 1部分；等到充型完成50%时，A处第1部分基 本充满，浆料向两边扩展，到充型量80%时，开 始充填A处第2部分，最后充填B处直到整个 铸件全部充满.整个过程充型平稳没有浆料飞 溅.充型时间为028s.浆料最大降温处温降约 为1℃，相比径向注人工艺，此工艺沿程阻力较 大，容易导致浇不足缺陷，特别是A处第2部分 Fg.8半固态铸件实体造型和FDM网格模型（轴向） 不易充满. Fig.8 Solid mold and FDM grid model of semisolid casting

Vol.24 杨卯生等：铝合金半固态触变充型过程的计算机模拟 ·185- (a)充型10% (b)充型30% (c)充型50%(d充型80% 图8半固态铝件的充填流场模拟结果 Fig.8 Filling simulation results of semisolid aluminum alloy casting 4.3铸件实际浇注结果 形模拟与实际结果表明，2种工艺对成形质量 对径向与轴向浇注工艺分别进行实际浇注 有不同的影响.径向注入具有较高的成品率. 实验，结果表明，实际充型时间与计算模拟基本 参考文献 相符.采用径向人流工艺尽管工艺出品率低，但 1 Flemings MC.Behavioir of Metal Alloys in the Semi-so- 成形质量较为稳定，成形件中没有出现浇不足 lid state[J].Metall Trans,1991,22B(6):269 的缺陷.而轴向人流则由于阻力较大，即使提高 2 Kattamis T Z,Piccone T J.Rheology of Semi-Solid 人流速度所产生的效果也不大，采取该种工艺 Al-4.5%Cu-1.5%Mg Alloy[J].Mater Sci Eng,1991,A131: 生产的零件多数存在充不满的缺陷 265 3 Joly PA,Mehrabian R.The Rheology of a Partially Solid 4 结论 Alloy[J].J Mater Sci,1976(11):1393 4 Kimas P,Matin C L,Brown S.Shear Rate Thickening Flow (1)对半固态触变成形过程进行了分析.结 Behavior of Semi-Solid Slurry [J].Metall Trans,1993, 果表明，该过程根据压力与速度变化可分为预 A24:21107 紧实、触变成形和致密化3个阶段. 5 Upadhya G Paul.Comprehensive Casting Anslysis Model (2)半固态合金触变充型是一个瞬时、动态 Using a Geometry-based Technique Followed by Fully 变粘度过程，边界条件与气体阻力对模拟结果 Coupled 3-D Fluid Flow.Heat Transfer and Solidification 的准确性有较大影响. Kinetic Calculation[J].AFS Trans,1992,100:925 6谢水生，沈键，张学军.数值模拟在半固态金属加工中 (3)在半固态触变充型过程中，由于浆料的 应用[).塑性工程学报，2000,7(1)：6 入流速度直接影响充填流态，进而影响半固态 7崔成林，毛卫民，赵爱民半固态触变压射成形过程模 制件的成形质量 拟及其验证[.北京科技大学学报，2001,233)：237 (4)铝合金刹车泵体2种注人工艺的触变成 Simulation on Filling Process of Semisolid Aluminum Alloy Casting YANG Maosheng,XU Hong,MAO Weimin,ZHAO Aimi,ZHONG Xueyou Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the behavior of pressure and flow velocity during semisolid AlSi7Mg slurry filling processes,a three dimensional model of slurry flow coupled with apparent viscosity is established.Relating to boundary condition and cavity air pressure,simulation on semisolid aluminum alloy casting has been investi- gated with the help of the SOLA-VOF algorithm.It is shown that flow velocity of semisolid slurry have mark effects on the flow patterns.Lower flow velocity result in mold filling steadily and prevent gas porosity.Under certain flow velocity,using process in which mold filling along the radial lead to lower filling resistance when compared with the axial,none of these castings have defects.Finally,simulation results is in agreement with the experimental results. KEY WORDS filling simulation;brake pump;semisolid;flow velocity;aluminum alloy