Сочинение на тему Технология литья под давлением и последние разработки в области литья под давлением: обзор

Аннотация

Высокопроизводительный и экономически эффективный метод, в основном используемый при производстве цветных металлов, – это технология литья под давлением (PDC).

Он широко используется при изготовлении автомобильных компонентов сложной геометрии и сложных форм и форм, которые могут быть затруднены при других традиционных производственных процессах. Статья дает представление о видах техники литья под давлением. В нем также описаны последние тенденции и разработки, сделанные в технологии литья под давлением. Численное моделирование является одним из экономически эффективных методов, используемых при оптимизации процесса литья. Обсуждаются различные методы моделирования, доступные для численного моделирования отливок. В документе также показано использование интегрированного подхода CAD / CAE и параметрического подхода к проектированию, что облегчает процесс проектирования. В исследовании, проведенном в статье, также обсуждается важность остаточных напряжений и их влияние на усталостную прочность литых компонентов. Наиболее важным инструментом операции литья под давлением является «матрица», которая состоит из полости пресс-формы, в которой расплавленный металл нагнетается под давлением для литья необходимого компонента. Причины отказа и вариант ремонта для штампов уже обсуждались. Ключевые слова – литье под давлением, численное моделирование, программное моделирование, остаточные напряжения, разрушение матрицы

Введение

Процесс литья под давлением характеризуется нагнетанием расплавленного металла под высокой скоростью и высоким давлением через сложную систему затворов и направляющих в полость пресс-формы инструмента, называемого «штамп» [1]. Полость в матрице имеет форму, которая должна быть сформирована. Процесс имеет возможность производить сложные формы с хорошей точностью размеров, чистотой поверхности и высоким выходом материала. Он широко подходит для литья цветных металлов, таких как сплавы на основе Zn, Cu, Al, Mg, Pb и Sn. В зависимости от применяемого давления процесс литья под давлением может быть двух типов, в основном литье под высоким давлением (HPDC) или литье под низким давлением (LPDC). В зависимости от используемого механизма впрыска HPDC классифицируется как процесс HPDC с горячей камерой и процесс HPDC с холодной камерой. В процессе горячей камеры инжекционный механизм размещается внутри металлической печи, где компоненты находятся в постоянном контакте с расплавленным металлом. Это обеспечивает минимальный контакт металла с воздухом, что снижает вероятность дефектов захвата газа, но сокращает срок службы компонентов. Принимая во внимание, что в процессе холодной камеры система впрыска хранится вне печи, а металл разливается с помощью ковша вручную / автоматически. Это увеличивает срок службы компонентов, но увеличивает вероятность дефектов захвата газа [2]. Почти 70% алюминиевых компонентов, которые производятся сегодня, используют HPDC [3].

HPDC наиболее широко используется в автомобильной и коммуникационной промышленности для формирования тонкостенных, сложных форм и высококачественных литых компонентов по низкой цене [4]. Было обнаружено, что ряд параметров, таких как геометрический дизайн изделия, конструкция системы литников, температура матрицы и металла, скорость потока, характер потока, тепловой поток и скорость затвердевания, влияют на качество литья под давлением [5]. Основная задача при проектировании штампа состоит в том, чтобы определить, имеет ли заключительная часть дефекты. Для моделирования процесса литья доступно несколько программных пакетов, таких как MAGMA, PROCAST и FLOW 3D, FLUENT и т. Д. Они помогают оптимизировать параметры конструкции и позволяют разработчикам быстро и точно выявлять и обнаруживать дефекты, которые позволяют изготавливать детали с более высоким качеством в более короткие сроки [6]. Оптимальная конструкция системы литников и геометрия матрицы имеют решающее значение для однородного заполнения матриц, что тесно влияет на конечное качество литых компонентов.

II. Существующие разработки в технологии литья под давлением

Численное моделирование в процессе литья под давлением

Качество отливок, полученных в процессе литья под давлением, в основном зависит от схемы заполнения используемой направляющей и системы ворот. Однородная форма заполнения формы обеспечивает хорошее качество отливок. Кроме того, несмотря на дизайн системы направляющих ворот, их правильное расположение и размер играют очень важную роль в контроле дефектов, таких как пористость и трещины. Плохая конструкция системы стробирования обычно приводит к получению отливок с дефектами, такими как газ и усадочная пористость, пробоины, холодные закрывания, неполное заполнение, линии потока и плохое качество поверхности [7]. Было доказано, что эти дефекты литья влияют на статическую и усталостную прочность литых сплавов, что ограничивает использование литых деталей в критических высокопрочных применениях [8]. Такие параметры, как форма заполнения, давление, скорость заполнения, скорость охлаждения и затвердевание, в значительной степени влияют на образование дефектов в отливках. Наиболее часто встречающимся дефектом отливок является пористость, которая очень тесно связана с параметрами процесса литья и оказывает серьезное влияние на стоимость процесса литья из-за потери лома [9]. Процесс заполнения формы представляет собой типичное двухфазное явление жидкость-газ. Взаимодействие расплавленного металла и газа в сложных кристаллизаторах играет важную роль в образовании дефектов захвата газа. Инструменты численного моделирования могут помочь в количественном прогнозировании таких дефектов [10]. Это также позволяет нам визуализировать прогрессивное охлаждение изнутри отливки во внешнюю среду. Это помогает понять изменения, которые можно внести в параметры конструкции, чтобы мы получили однородный шаблон заполнения формы и оптимизировали конструкцию. Высокая скорость заполнения, высокая температура жидкого металла, непрозрачность металлической формы и высокое давление металла создают трудности при прямой визуальной оценке процесса заполнения формы. Таким образом, дизайн и модификация системы ворот бегуна с использованием численного моделирования зависит от метода проб и ошибок.

<Р> В. Методы моделирования, доступные для численного моделирования литья под давлением

Для моделирования и анализа процесса заполнения отливок имеется ряд методов и пакетов программного обеспечения. Пакеты программ обычно основаны на сетке и используют метод объема жидкости (VOF) для отслеживания свободных поверхностей [1]. Такие методы, как метод конечных разностей (FDM), метод конечных объемов (FVM), метод конечных элементов (FEM), метод решеточных уравнений Больцмана (LBM) и гидродинамика сглаженных частиц (SPH), используются для решения основных уравнений потока жидкости при заполнении пресс-формы. обработать. К числу эйлеровых методов относятся метод Марка и ячейки (MAC), метод установки уровня, метод объема жидкости (VOF) и произвольный метод Лагранжа-Эйлера, которые используются для исследования потоков со свободной поверхностью [10]

В методе Marker and Cell (MAC) лагранжевые маркеры размещаются на интерфейсе в начальный момент времени. Поскольку интерфейс перемещается и деформируется, маркеры добавляются, удаляются и повторно подключаются по мере необходимости. Эволюция поверхности между различными жидкостями отслеживается движением маркеров в поле скоростей. Трудно поддерживать сохранение массы и определить хорошую интерполяцию поверхности в трех измерениях. Однако этот метод не страдает от численной диффузии и дает точные результаты в двух измерениях.

В методе объема жидкости (VOF) объем жидкости в каждой вычислительной ячейке представлен с помощью цветовой функции. Использование цветовых функций для представления интерфейсов делает их подверженными численной диффузии и численным колебаниям. Согласно уравнениям переноса, объемные доли обновляются, и свободные поверхности жидкости с дробным объемом должны восстанавливаться для каждого временного шага. Этот тип реконструкции сложен в трех измерениях, но из-за относительной простоты реализации и его основы в объемных долях этот метод хорошо подходит для включения другой физики и является наиболее популярным и широко используемым методом [11].

SPH – это метод Лагранжа, который не нуждается в сетке для вычисления своих пространственных производных и использует интерполяционное ядро ​​с компактным носителем для представления любой величины поля в терминах ее значений в наборе неупорядоченных точек, которые являются частицами. Вычислительная основа, на которой решаются уравнения жидкости, являются частицами потока. Информация о частицах позволяет рассчитать сглаженные приближения к физическим свойствам жидкости и дает возможность найти градиенты свойств жидкости. Этот метод применим в многомерных задачах и особенно подходит для сложных потоков жидкости из-за его лагранжевой природы. Мелкие детали, такие как форма шлейфа, частота и фаза колебаний и правильные относительные высоты всех свободных поверхностей, могут быть получены с помощью SPH.