隧道風機葉片半固態成形合理工藝參數的確定

李海東，朱曉紅

（連云港職業技術學院 機電工程學院，江蘇 連云港 222006）

0 引言

半固態成形技術由于綜合了鑄造技術和鍛造技術的優點，即易于實現近凈成形且成形件力學性能優良，是本世紀很有發展前景的成形技術［1］。歐美日發達國家在輕合金，特別是鋁合金和鎂合金領域的半固態成形已經實現工業化，半固態成形方法在汽車零部件、電器等工業生產中得到廣泛運用［1］。

隧道風機主要運用在鐵路、地鐵等大型工程的隧道施工中。其葉片是風機中重要零部件，曲面相對復雜，目前國內外有采用機加工和鑄造兩種方法來生產。機加工的葉片精度高，性能好，耐腐蝕，但是加工成本較高，效率低下。而鑄造的方法雖然成形效率高，但是由于鑄件容易存在缺陷，導致葉片性能不穩定，并且難以實現近凈成形，后續需要一定的機加工。本文提出半固態成形的方法進行風機葉片的成形，該方案具有容易實現近凈成形，機加工量小，成形件力學性能好等優點［2］。為了獲得半固態成形風機葉片的合理工藝參數，本文利用鑄造軟件Procast2008，利用其自帶的半固態黏度模型進行數值模擬。

1 風機葉片的半固態成形的有限元模型的建立

在半固態成形過程中，與傳統的成形工藝不同的是，其具有流動剪切變稀的特點，即隨著漿料的剪切速率的增加，其黏度會變小，流動阻力也相應變小。半固態漿料的流動模型主要有近似單相模型和兩項模型。近似單相模型將半固態漿料中的液相和固相看為一個整體，不考慮兩者之間的隔離現象。本文選用近似單相模型對隧道用風機葉片進行半固態成形模擬。采用Procast2008 軟件自帶的半固態成形模塊中的Power law cut-off（PLCO）模型來進行數值模擬。

半固態黏度模型PLCO 的本構方程如下：

式中：T 為溫度；μ 為漿料表觀黏度；μ（0T）為依賴溫度的基本黏度為剪切速率；為截止剪切速率值；n（T）為剪切變稀指數。

PLCO 模型能夠很好地模擬半固態成形過程中，半固態漿料的剪切變稀的特性，即隨著剪切速率的增加，半固態漿料的黏度下降，流動性變好。

隧道風機葉片的模型如圖1（a）所示，其材料為AlSi9Mg鋁合金。該材料的化學成分和熱特性是從Procast2008 軟件的數據庫里面提取，如表1 和圖1（b）所示。

表1 AlSi9Mg 鋁合金的化學成分質量分數 %

半固態漿料的澆注溫度TJ、沖頭速度VC、模具溫度TM3 個工藝參數對隧道風機葉片的半固態成形過程有很大影響，因此本文主要以這3 個參數進行研究［3］。3 個參數的初始值確定如下：TJ=565～580℃（相應固相分數范圍為0.80～0.20）、VC=0.5～2 m/s、TM=200～300℃［3］。本文采用虛擬模具，模具與鑄件之間傳熱系數為h=1 500 W/（m2·K）。

圖1 風機葉片模型和AlSi9Mg 熱特性

2 模擬結果與分析

隧道風機葉片的半固態成形模擬可以分為充填和凝固兩個過程。

2.1 充填過程模擬

圖2 為沖頭速度1 m/s、澆注溫度575℃，模具溫度200℃時的模具型腔的充填過程，從圖2 上可以看出充填過程平穩，流動呈現層流狀態。而且從圖上還可以看出，由于充填時間較短（0.2s），溫度變化也很小，模具充填效果較好。

圖2 模具型腔充填過程

圖3 為沖頭速度1 m/s、澆注溫度575℃、模具溫度200℃時的模具型腔充填過程的速度場分布。從圖3 可以看出，風機葉片在充填過程中速度較?。ㄐ∮? m/s），且分布較為均勻，充填過程流動呈層流狀態，這樣鑄件不容易出現氧化和卷氣缺陷［3］。

圖4 是在澆注溫度為575℃、模具溫度為200℃時，沖頭速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s 時模具型腔充填的情況。從圖4（a）可以看出，當沖頭速度太慢時，模具型腔不能完整充填。這是由于充填速度慢，導致充填過程中漿料溫度下降太多，與溫度相關的初始黏度加大，漿料流動困難而造成的。從圖4（b）和圖4（c）的比較可以看出，當沖頭速度加快時，充填過程變得不均勻。這是由于半固態漿料的剪切變稀的性質引起的，沖頭速度太大時，剪切速率很快，漿料黏度變小，容易導致紊流的發生。從模擬的結果來看，風機葉片的充填速度因控制在1 m/s 左右為好。

圖5 為沖頭速度為1 m/s、模具溫度為200℃的情況時，不同澆注溫度情況下風機葉片的充填情況。圖5（a）是澆注溫度為570℃時充填的最終狀態。從圖上可以看出，模具型腔并不能完全充填完整，這是由于澆注溫度較低導致漿料初始黏度較大，流動困難導致的。模擬還發現當澆注溫度在565℃時，由于黏度過大，充填過程不能開始。圖5（b）為澆注溫度在580℃時充填的時間，與圖4（b）比較可以看出，隨著澆注溫度的升高，初始黏度下降，流動阻力減小，充填過程中漿料的流動變得紊亂。另一方面澆注溫度增高，會使已經形成的球狀晶溶化，且凝固使時間加長，影響最終成形件的微觀組織，進而影響成形件的性能［4］。因此澆注溫度不能太高，從模擬的情況來看應該在575℃左右為好。

圖3 充填過程速度場的分布

圖4 沖頭速度對充填過程的影響

圖5 澆注溫度對充填過程的影響

2.2 凝固過程模擬

圖6 為澆注溫度575℃，沖頭速度1 m/s，模具溫度200℃時，成形件的凝固時間和縮松縮孔的情況。從圖6（a）可以看出，風機葉片呈現順序凝固，澆注口位置最后凝固，這樣有利于補縮。從圖6（b）也可以看出，由于基本實現順序充填，鑄件基本不出現縮松縮孔［5］。

圖7 為澆注溫度為575℃，沖頭速度1 m/s 的情況下，鑄件凝固時間和模具溫度的關系。從圖上可以看出，隨著模具溫度的升高，鑄件的凝固時間明顯加長，并且呈現出加快增長的趨勢。由于凝固時間加長會導致晶粒長大，影響成形件的力學性能，在不發生因為模具過冷而產生的冷隔現象的前提下，盡量選擇較低的模具溫度。根據模擬的結果選擇200℃左右的模具溫度較為合適。

圖6 鑄件的凝固模擬的結果

圖7 模具溫度與凝固時間的關系

3 結論

1）通過數值模擬可以得出，采用半固態成形工藝可以實現隧道風機葉片的半固態成形。對比傳統的液態鑄造，有效地降低了成形溫度，從而使成形件的熱收縮更小。

2）澆注溫度、沖頭速度和模具溫度是3 個影響隧道風機葉片半固態成形的主要工藝參數，通過模擬得到了合理的成形工藝參數為：澆注溫度575℃左右、沖頭速度1 m/s 左右，模具溫度200℃左右。在這個工藝參數條件下，充填過程平穩、凝固時間較短，有利于獲得質量優良的成形件。

［1］Hirt G，Kopp R.Thixoforming：Semi -solid Metal Processing［M］.Weiheim：Willey VCH，2009.

［2］賴國勝，錢娜，劉艷華.半固態流變擠壓鑄造研究現狀［J］.熱加工工藝，2011，40（5）：68-72.

［3］陶文琉，趙升噸，林文捷.工藝參數對汽車用盒形件半固態壓鑄過程的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31（8）：687-690.

［4］Kirkwood D H，David H.Semi-solid processing of alloy［M］.New York：Springer，2009.

［5］張 瑩，徐金華，謝水生，等.半固態AZ31 流變鑄軋溫度場數值模擬［J］.熱加工工藝，2010，39（23）：55-58.