薄壁壓鑄件的扭曲變形預(yù)測(cè)

唐曉東 曹豐彬

[摘? 要：隨著復(fù)雜的鋁和鎂合金薄壁結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)，鑄造業(yè)已成功取代了許多傳統(tǒng)的金零件。該底盤(pán)不僅具有復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，而且具有出色的強(qiáng)度和耐用性，并且在發(fā)生碰撞時(shí)具有良好的安全性能。由于截面厚度相對(duì)于組件的整體尺寸較小，因此滿足尺寸公差已成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的生產(chǎn)任務(wù)，通常只能通過(guò)校正來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這種校正工作成本高昂，并且會(huì)影響工藝流程。因此為了避免校正處理的發(fā)生，必須在整個(gè)制造鏈中抑制變形的形成。由于要考慮的參數(shù)范圍很廣，因此必須考慮合理的時(shí)間和成本投資，因此只能通過(guò)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文探討了薄壁壓鑄件扭曲變形的預(yù)測(cè)，并探討了扭曲變形的預(yù)測(cè)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：薄壁壓鑄件;扭曲變形預(yù)測(cè)]

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的比強(qiáng)度和剛度的要求越來(lái)越高，并且經(jīng)常使用薄板狀結(jié)構(gòu)。這種類型的結(jié)構(gòu)通常存在鑄造和自動(dòng)化程度較差的問(wèn)題。毛坯在鑄造過(guò)程中很容易變形，并且殘余應(yīng)力和固化過(guò)程中支撐件固定到零件上的方法會(huì)受到不適當(dāng)?shù)淖冃?，加工尺寸和位置的影響，精度很差，容易影響疲勞壽命和疲勞?qiáng)度。

1薄壁壓鑄件扭曲變形原因

薄板鑄件的變形是壓鑄行業(yè)引起人們廣泛關(guān)注并致力于解決的技術(shù)難題之一。鑄件結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致鑄件嚴(yán)重變形。為了解決鑄件變形問(wèn)題，我們從鑄件結(jié)構(gòu)，鑄模和鑄件工藝設(shè)計(jì)、鑄模的重新設(shè)計(jì)、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄件工藝的優(yōu)化等方面分析了鑄件變形的原因：

1.1鑄件材料和壁厚。

鑄件材料、壁厚和變形之間的關(guān)系，鑄件的原始設(shè)計(jì)由鋅合金制成?？紤]到不同區(qū)域的環(huán)境溫度對(duì)鑄件強(qiáng)度和壽命的影響，應(yīng)改用鋁合金。由于鋁合金的壓鑄性能不如鋅合金，因此根據(jù)鑄件和鑄造合金的最小壁厚與預(yù)期面積之間的關(guān)系，最小壁厚在壓鑄件的預(yù)期面積相同的范圍內(nèi)，鋁合金鑄件的模數(shù)應(yīng)略小于鋅合金。鋁合金超出了適用范圍，導(dǎo)致結(jié)果是合金的填充能力大大降低，不能在離澆口很遠(yuǎn)的地方獲得致密的結(jié)構(gòu)，并且形成較大的疏松空間，這導(dǎo)致板的強(qiáng)度和剛度降低。鑄件在彈出過(guò)程中很容易變形，在嚴(yán)重的情況下，鑄件可能會(huì)沿松動(dòng)區(qū)域破裂。

1.2鑄件凸臺(tái)。

分布在板表面上的圓柱頭與板表面的厚度差異很大，并形成局部熱點(diǎn)，從而阻礙鑄件的剛度和收縮，并在頭周圍形成高壓區(qū)域。當(dāng)取出鑄件時(shí)，由于阻力消失并且釋放壓力，因此容易使鑄件變形。

1.3鑄件過(guò)程中的殘余應(yīng)力。

生產(chǎn)結(jié)構(gòu)所需的工藝取決于所選擇的合金。通常使用兩種類型的合金，自然時(shí)效合金和人工時(shí)效合金。對(duì)于自然舊合金，制造過(guò)程包括鑄造和切割過(guò)程。人工時(shí)效合金的制造過(guò)程包括鑄造，切削，固溶退火，淬火和人工時(shí)效過(guò)程。上述過(guò)程會(huì)影響鑄件的扭轉(zhuǎn)變形。隨著鑄件冷卻的進(jìn)行，慢冷卻區(qū)域和冷卻區(qū)域之間的溫度差也減小。這首先有助于消除澆筑應(yīng)力，然后改變壓縮方向。由于高溫下的減壓作用，在發(fā)生反作用力時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形。冷卻后，鑄件的薄壁區(qū)域受到壓縮力，鑄件的厚壁區(qū)域受到拉伸應(yīng)力。借助于氣體應(yīng)變光柵解釋了形成該壓力的過(guò)程。隨后的切割過(guò)程將改變鑄造過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力的分布。因此，鑄造變形將改變。制造力和約束力可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓力。在最壞的情況下，在鑄造過(guò)程中會(huì)形成裂紋。在退火過(guò)程中，材料的強(qiáng)度大大降低。在加熱過(guò)程中，由于加熱過(guò)程中金屬蠕變的影響，可以完全消除鑄造過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力。特別是在結(jié)構(gòu)上，僅是部件的重量會(huì)導(dǎo)致永久變形（即扭曲變形）。如上所述，由于冷卻不均勻，在冷卻過(guò)程中將形成新的殘余應(yīng)力和變形。在結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)中，空冷是最常見(jiàn)的方法，并且只能形成最小的殘余壓力和變形。最終的人工時(shí)效過(guò)程可以部分消除殘余應(yīng)力。但是前提是殘余應(yīng)力超過(guò)金屬蠕變所需的最小值。

2扭曲變形預(yù)測(cè)計(jì)算

在之后的應(yīng)力計(jì)算中，將計(jì)算出的溫度值用作作用在鑄件和澆口上的外部載荷。冷卻速率最高的區(qū)域在硬化后立即開(kāi)始收縮。這種收縮受到模板的限制。在這些區(qū)域中，在橫向方向上形成拉應(yīng)力。在鑄件收縮作用在模具上的位置處，垂直于表面形成壓縮壓力。由于在該溫度條件下的強(qiáng)度值通常非常低，因此在這種情況下壓力也非常低。隨著鑄件的冷卻和鑄件強(qiáng)度的增加，壓力開(kāi)始顯著增加。當(dāng)從模具中取出模具時(shí)，幾乎整個(gè)鑄弧都將承受拉應(yīng)力。將板從模具中取出后，由于模具的限制其將消失，并且板可自由變形和變形。只有澆口可防止鑄件收縮，而鑄件朝澆口收縮。在加工階段的“脫模”溫度狀態(tài)為在冷卻至室溫期間的鑄造應(yīng)力和變形提供了基礎(chǔ)。

實(shí)際上使用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)測(cè)量變形量。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用于測(cè)量實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)在指定點(diǎn)相對(duì)于首選目標(biāo)幾何的位移。但是在仿真中，將相對(duì)于起始幾何圖形計(jì)算元素（或節(jié)點(diǎn)）中的變化量。因此不能直接比較測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。為了獲得可比的結(jié)果，必須重新計(jì)算測(cè)量操作。首先必須將變形的網(wǎng)格放置在參考點(diǎn)上以測(cè)量變形。這包括重復(fù)該過(guò)程，因?yàn)樽冃舞T件上的參考點(diǎn)的位置未知。在最終放置變形的網(wǎng)格之后，第二步可以確定測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)幾何形狀的距離。

3結(jié)語(yǔ)

控制薄壁結(jié)構(gòu)鑄件的扭轉(zhuǎn)變形是一項(xiàng)非常困難的制造任務(wù)，只有全面了解扭轉(zhuǎn)變形的機(jī)理及其對(duì)鑄件的特殊影響后，才能解決該問(wèn)題。當(dāng)前的現(xiàn)代仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)變形，包括鑄造，切削和熱處理過(guò)程引起的扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)獲得的結(jié)果，可以獲得適當(dāng)?shù)膬?yōu)化程序，這些程序可用于生產(chǎn)過(guò)程和鑄件設(shè)計(jì)中。典型鑄造過(guò)程的相關(guān)程序包括：優(yōu)化流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化脫模時(shí)間或鑄造熱條件以及模具變形的預(yù)校正。正確使用特殊支架可以減少熱處理過(guò)程中的變形，這些發(fā)展必須得到現(xiàn)代仿真技術(shù)的支持。使用上述創(chuàng)新計(jì)算解決方案進(jìn)行的模擬有助于壓鑄制造商生產(chǎn)高質(zhì)量的薄壁結(jié)構(gòu)鑄件。

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