铝铜合金连杆反重力挤压铸造与热处理数值模拟分析

【摘要】：挤压铸造(液态模锻)是一种介于压铸和模锻之间的新型工艺,它是在低速充型的基础上凝固阶段施加一定的压力,直至金属液体全部凝固为止,非常有利于生产一般方法难以生产的复杂、厚壁且高力学性能的合金铸件。挤压铸造模拟的研究就是在实际生产之前优化浇注系统及确定挤压工艺的参数,国内对此研究较少,而且挤压铸造特有一些问题必须在模拟中设置,清楚的表达挤压铸造的过程。 论文以高强度AL-Cu合金摩托车连杆为研究对象,采用间接挤压铸造方法仿真研究铝铜合金连杆反重力挤压铸造及热处理,其主要研究内容与结果如下： (1)通过多周期铸造模拟进行研究,寻求模具的动平衡温度,并提取该温度作为模拟过程模具的初始温度,解决了先前设置模具均匀温度而模拟不准确的问题。同时根据挤压铸造的特点,利用SCHEIL法补充了此材料特性数据库； (2)用PROE三种不同建模方式与PROCAST软件的接口情况比较,选择了一种好的网格形式,提高了计算精度与速度。初步选择工艺参数,建立了在冲头推动下连杆挤压铸造过程模拟。在铸件热处理模拟时考虑加热炉加热时主要考虑的是辐射传热对铸件残余应力的影响； (3)分析了连杆挤压铸造的工艺参数,特别是比压的加载开始时间、保压时间和大小对挤压铸造过程的影响,从结果中可以看出,相比压力铸造而言金属液体填充平稳、模具温度变化均匀；并通过观察充型时间、凝固时间、固相率的变化来检验以上工艺参数设置的合理性。分析连杆在挤压过程中由于比压不足造成缩孔、缩松缺陷的原因和位置,提出了改变浇铸系统内浇口的形状、位置和局部加压的措施来消除缺陷； (4)选取连杆挤压铸造过程中脱模后的温度作为冷却的初始温度,并在PROCAST中设置表面换热系数来描述连杆在空冷、水冷条件下,以分析残余应力产生的过程及大小。研究结果说明尽管水冷冷却速率大,但由于厚壁与薄壁处冷却速率同时加大,连杆内的残余应力较大,但增加有限,所以铸件尺寸是影响最终残余应力大小的主要因素。并提出连杆挤压铸造后尚有余热的铸件直接进行加热,然后随炉冷却来减小残余应力的措施,结果表明效果良好。 通过以上模拟与研究得到较佳的工艺参数为：金属液浇注温度为700℃,压头的速度为55mm／s,压力的大小为100MPa,延时加压时间为7s。且内浇口设计在连杆杆身处,形状改为矩形来改变充填的速度与方向,内浇口的厚度B=30mm,长度L=3.5mm,这样可以消除挤压铸造过程中由于补缩压力不足产生的缺陷。