拉伸试棒模具结构对铸造铝合金组织的影响.pdf
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1、D O I:/j j x a t u e d u c n h t t p:/x b x a t u e d u c n拉伸试棒模具结构对铸造铝合金组织的影响李飞,李高宏,黄亮,余申卫,许岗(西安工业大学 材料与化工学院,西安 ;中国船舶集团有限公司第十二研究所,兴平 )摘要:针对现有的国家标准铝合金的试棒浇注模具,浇注的试棒存在夹渣、气孔、缩松、冷隔等铸造缺陷,无法合理反映合金的真实力学性能的现状,本文使用AN S Y S等软件,利用流体静力学和传热学原理科学的分析了直浇道的倾斜角度和内浇道与集渣腔连接的位置铝合金组织的影响,设计了一种铝合金拉伸试棒的铸造模具.模拟结果表明,直浇道的倾斜角度为
2、 时,流体流速波动范围最小;内浇道与集渣腔连接的位置为集渣腔压心时,集渣腔集渣过滤效果最佳.浇注实验结果表明,本模具成型的Z L A和Z L 试棒平均晶粒和枝晶间距均优于G B/T 模具成型试棒组织.分析认为,合理的流速控制(直浇道的倾斜角)和集渣腔高度设计有利于试棒获得晶粒细小,铸造缺陷少的组织.关键词:铝合金;拉伸试棒;铸造模具;金相组织中图号:T G 文献标志码:A文章编号:()I n f l u e n c eo fS t r u c t u r eo fT e n s i l eT e s tR o dM o l do nM i c r o s t r u c t u r eo fC
3、 a s tA l u m i n u mA l l o y sL IF e i,L IG a o h o n g,HU ANGL i a n g,Y US h e n w e i,XUG a n g(S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dC h e m i c a lE n g g n e e r i n g,X ia nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,X ia n ,C h i n a;t hR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i
4、 n aS t a t eS h i p b u i l d i n gC o r p o r a t i o n,X i n g p i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t e n s i l e t e s t r o d sp o u r e dw i t he x i s t i n gn a t i o n a l s t a n d a r da l u m i n u ma l l o yc a s t i n gd i e sh a v et h ed e f e c t ss u c ha ss l a g i n c l u s i
5、 o n,p o r o s i t y,s h r i n k a g e,c o l dp a r t i t i o n,e t c Wh i c hf a i l t or e a s o n a b l yr e f l e c tt h er e a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y s I nt h i sp a p e r,t h ei n f l u e n c e so ft h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h es t r a i g h t r u n n
6、e r a n d t h ep o s i t i o no f t h e c o n n e c t i o nb e t w e e n t h e i n n e r r u n n e r a n d t h e s l a gc o l l e c t i n gc a v i t yo nt h ea l l o ys t r u c t u r ea r es c i e n t i f i c a l l yi n v e s t i g a t e du s i n gt h ep r i n c i p l e so ff l u i dk i n e m a t i
7、c sa n d H e a tT r a n s f e rT h e o r y,o nt h eb a s i so fw h i c hac a s t i n gd i ef o ra l u m i n u ma l l o yt e n s i l et e s tr o d si sd e v e l o p e dw i t hAN S Y Ss o f t w a r e T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h es
8、 t r a i g h tr u n n e r i s ,t h e f l u c t u a t i o nr a n g eo f f l u i df l o wr a t e i sm i n i m a la n dt h a tw h e nt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n第 卷第期 年月西安工业大学学报J o u r n a l o fX ia nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t yV o l N o F e b 收稿日期:基金资助:陕西省“四主体一联合”轻合金新材料校企联合研究中
9、心项目(Y J Z X ).第一作者:李飞(),男,硕士研究生.通信作者:李高宏(),男,副教授,主要研究方向为铝合金及其失效分析和成型工艺,E m a i l:l g h l w y c o m.许岗(),男,副教授,主要研究方向为轻合金高性能材料,E m a i l:x x r s h h u a n g s h a n c o m.引文格式:李飞,李高宏,黄亮,等拉伸试棒模具结构对铸造铝合金组织的影响J西安工业大学学报,():L IF e i,L IG a o h o n g,HUAN GL i a n g,e t a l I n f l u e n c eo fS t r u c t
10、u r eo fT e n s i l eT e s tR o dM o l do nM i c r o s t r u c t u r eo fC a s tA l u m i n u m A l l o y sJ J o u r n a l o fX ia nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,():t h e i n n e r r u n n e ra n dt h es l a gc o l l e c t i o nc h a m b e r i sa tt h ec o r eo ft h es l a gc o l l e
11、c t i n gc h a m b e r,t h eb e s ts l a gf i l t r a t i o ne f f e c t i sa c h i e v e d T h e r e s u l t so f p o u r i n ge x p e r i m e n t s s h o wt h a t t h ea v e r a g eg r a i ns i z ea n dd e n d r i t e s p a c i n go fZ L Aa n dZ L t e s tb a r s f o r m e db y t h i sd i e a r eb
12、e t t e r t h a n t h o s eo fG B/T d i e s I t i sc o n c l u d e dt h a tr e a s o n a b l ec o n t r o lo f f l o wr a t e(i n c l i n a t i o na n g l eo f t h es t r a i g h tr u n n e r)a n ds o u n dd e s i g no ft h eh e i g h to ft h es l a gc o l l e c t i o nc h a m b e ra r ec o n d u c
13、i v et ot h em o l d i n go fh i g hq u a l i t yc a s t i n g s K e yw o r d s:a l u m i n i u ma l l o y;t e n s i l e t e s t r o d;c a s t i n gd i e;m e t a l l o g r a p h i co r g a n i z a t i o n拉伸试棒是反映铸造铝合金力学性能最直接的样品,其浇铸系统多依据G B/T 来设计.在拉伸试棒的模具设计中,为减少模具重量以及操作便利,其直浇道均为竖直设置 .在实际应用中发现,液态金属流入竖直
14、浇道后,模具内部分气体排出与流入液态金属处于同一通道,两者会发生冲撞,气体排出不及时,易形成卷气和夹杂现象 ;严重时会造成液态金属返涌飞溅等现象,影响拉伸试棒的成型与质量 .蛇形竖直浇道的设计优化了G B/T 模具结构,具有降低液态金属流速,除渣除气的功效,但该设计并未深入讨论涉及的科学机理.同时,金属液体从集渣腔经过内浇道流入成型区时,内浇道与集渣腔连接的位置(高度)多来自于经验的设计或未说明设计理由.该位置(高度)的不同会导致集渣腔内金属液进入内浇道的液体压力存在差异,导致试棒成型后期的补缩效果不同.特别是对于宽结晶温度范围的合金 ,随着浇注过程的进行,合金液糊状凝固的特征更加明显,液体流
15、动性显著下降,导致液体充型不完整,试棒凝固过程中无法得到有效的液体补缩,造成成型试棒存在缩孔、缩松或形成冷隔等缺陷 .为了有效获得结晶质量良好的铝合金,真实反映合金力学性能,本文使用AN S Y S软件,利用流体静力学和传热学基本原理模拟了直浇道的倾斜角度对流体流动以及内浇道与集渣腔连接位置对流体压强传递与流体传热的影响,设计了一种铝合金拉伸试棒的铸造模具(下称新型模具);利用模拟结果开发了一种铝合金试棒浇注模具;采用Z L 和Z L 进行了浇注实验,并采用G B/T 模具进行了对比实验.新型模具设计 模具结构图为拉伸试棒模具结构示意图.拉伸试棒模具由两片分离的模具本体相互扣合组成,内部具体结
16、构特征为:浇注口设置于模具内部的右顶端,与浇注口下端连接的直浇道倾斜设置;在直浇道的下部中间位置连通设置有倾斜向上的止速道,止速道的左端连通于垂直设置的集渣腔的中部,集渣腔左侧壁上连通有倾斜向上的内浇道,内浇道左端连通有试棒内腔,试棒内腔的正上方设置有薄片状的补缩腔,补缩腔的下部两侧与试棒内腔的上部两侧连通;补缩腔上部连通有数条排气通孔.试棒尺寸标准参考G B .浇注口;直浇道;止速道;集渣腔;内浇道;试棒内腔;补缩腔;卡位座;定位座;排气通孔图拉伸试棒模具结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo
17、ft h e t e n s i l e t e s t r o dm o l d 模具材质与相关参数 模具材料及适合浇注的合金材料模具由铸铁材料制备而成,该材料导热系数高,可实现浇注合金的迅速冷却,获得高品质的拉伸铸棒.本浇注模具适合于浇注铝合金拉伸铸棒,特别适合于凝固温度范围较宽的铝合金拉伸试棒的浇注.模具的其它特点止速道与集渣腔连接处位于集渣腔形心以下;补缩腔的厚度 mm,其内壁均布直径mm西安工业大学学报第 卷的盲孔,盲孔内填充有保温泥;排气通孔的孔径小于mm.流体静力学和传热学模拟与参数设定模拟用软件AN S Y SF l u e n t是一种广泛使用的工程模拟软件,用于进行结构力学
18、、流体力学、电磁场、声学等多领域的物理仿真分析 .金属液在铸造模具的充型和凝固过程涉及流体的动力学和传热学问题.具体参数设定:金属液进入模具的压力为标准大气压;流速为 K gs,采用层流模型;温度变化为 ;填充时间为m i n;金属液动力粘度系数选择铝铜合金动力粘度系数,设置完毕开始进行模拟计算.模拟与实验 直浇道倾斜角度充型中液态金属流速的变化影响到充型的顺序,充型的稳定性和充型时间,这些都可能造成铸件缺陷.速度越小,越容易造成冷隔或浇不足现象;速度越大,会产生喷射现象并形成夹杂或者铝球.在标准拉伸试棒浇注中,在压头确定的前提下,液态金属流速主要受到主浇道倾斜度的制约.图为倾斜管路中匀速流动
19、流体动力学平衡方程图解.假设在倾斜管中流体(密度)匀速流动,速度为u在直浇道充满流体的前提下,为直浇道的倾斜角,即s i nzzl,()式中:z和z为压力P和P在流体作用点到水平线的垂直距离,l为流体的长度.图倾斜管路中匀速流动流体动力学平衡方程图解F i g I l l u s t r a t i o no f t h eh y d r o d y n a m i ce q u i l i b r i u me q u a t i o nf o ru n i f o r mf l o wi na n i n c l i n e dp i p e l i n e由匀速流动流体动力学平衡方程,即
20、(PP)rgrls i nr l,()式中:P和P为不同作用点的压力,r为管中流体的半径,为流体密度,l为流体的长度,为流体受到的摩擦阻力.由式()可知,在 ,越大,重力(动力)对流动/流速的影响越大.在实际的浇注过程中,越大,流体流速越大,浇注时间越短.但过大,高温金属液体进入浇道易于卷入过量空气并不利于腔体内部气体排除,易造成液态金属飞溅;越小,浇注时间越长,虽不易发生卷气且易于腔体排气,但流体流速降低.伴随着对浇道的传热,流体温度下降显著,粘度增加,可能会在浇道或者其后流入的过渡腔和型腔中凝固,堵塞腔体,造成浇不足现象.可以看出,对液态浇注成型过程是一个矛盾的影响因素.直浇道的最佳倾斜角
21、度的确定至关重要.图为直浇道倾斜角度为 、和 时浇注模具液态金属流速变化图.图直浇道倾斜角度为 、和 时浇注模具液态金属流速变化图F i g V a r i a t i o n i nt h e l i q u i dm e t a l f l o wr a t e i nt h ep o u r i n gm o l dw h e nt h e i n c l i n a t i o na n g l e so ft h es t r a i g h t r u n n e ra r e ,a n d ,r e s p e c t i v e l y由图可知,三种倾斜角下,液态金属在止速道和
22、内浇道具有较大的流速变化,这符合管径变小,流速增大的一般规律.液态金属进入试棒内腔时,直浇道倾斜角为 时流速变化空间最小,故第期李飞,等:拉伸试棒模具结构对铸造铝合金组织的影响对试棒成型质量影响也最小;而直浇道倾斜角为 和 时,液态金属进入试棒内腔时流速变化空间显著增大,试样区充型界面不稳定.结果表明:直浇道倾斜角为 时,进入试棒内腔的液态金属流速变化空间最小,对试棒质量影响最小.集渣腔与内浇道连接位置的流体压力图为竖直集渣腔剖面静压力点ZD计算示意图.假设竖直集渣腔剖面为矩形,则由静压力作用点计算公式,即Fg hcA,()其中hc为几何中心高度.而压力作用点为:ZDZCIcZCA,()其中:
23、IC/b a,为形心对称坐标轴的惯性矩,A为矩形的面积.ZD是图形几何中心之下的某一位置,为相对静压中心(压心).从图可知,ZCa/,ZDZC(a/b).ZD位置/高度所受流体静压为该面最大受力点.这表明内浇道在竖直集渣腔的高度位置应为竖直集渣腔竖直剖面几何中心下某一位置.图竖直集渣腔剖面静压力点ZD计算示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t a t i cp r e s s u r ea tp o i n tZDo nt h es e c t i o no f t h ev e r t i c a l s l a gc o l
24、l e c t i o nc h a m b e r根据模具设计图纸,计算出对应的集渣腔与内浇道连接点ZD.为对比说明,另取ZD mm和ZD mm两点模拟静压传递效果.图为直浇道倾斜角度为 ,不同静压力作用点ZD位置的型腔液态金属压力分布图.图直浇道倾斜角度为 ,不同静压力作用点ZD位置的型腔液态金属压力分布F i g L i q u i dm e t a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h ec a v i t ya td i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r ea c t i o np o
25、 i n t sZDw h e nt h e i n c l i n a t i o na n g l eo f t h es t r a i g h t r u n n e r i s 从图可以看出,内浇道水平高度为ZD时(图(a),竖直集渣腔顶部出现了压力降低的特征.其显示的压力在 P a,呈负压特征,表明此处并未充满液态金属,这达到了净化液态金属,存储杂质的效果;相反,在ZD mm(图(b)和ZD mm(图(c)时,液态金属充满竖直集渣腔,其显示压力超过 P a和 P a,呈正压分布且与主浇道静压力相当,因而没有反映出存储杂质的功效.同时,由图(a)可知,内浇道水平高度为ZD时,直浇道流
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