Con el rápido desarrollo de la industria del automóvil, los materiales de aleación ligera se utilizan cada vez más en piezas y componentes debido a los requisitos de ligereza de la carrocería. Las aleaciones de aluminio (como las aleaciones de la serie de aluminio-silicio) tienen las características de baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y buenas propiedades de fricción, y se utilizan ampliamente en cubiertas de motores de automóviles, carcasas de cajas de cambios y otras piezas de fundición. En este tema se utiliza el software Magma para analizar el proceso de llenado y solidificación de la tapa frontal de aleación de aluminio de un motor de coche familiar; mediante el análisis de los resultados de la simulación numérica, se propone un plan de optimización de proceso de fundición a presión, que proporciona una referencia para la producción de productos similares.
Modelo y material de fundición
1. Modelo de fundición
La dimensión exterior de la cubierta frontal del motor es de unos 470 mm×310 mm×105 mm, la masa de producto es de unos 3,4 kg, el grosor medio de la pared del cuerpo principal es de 3,3 mm, y el grosor máximo de la pared alcanza los 26 mm (la parte marcada en el marco de alambre es la pared más gruesa) . La estructura de producto es relativamente compleja, con un número considerable de agujeros para pernos y nervios de refuerzo distribuidos en el interior; y el grosor de la pared de la pieza fundida es muy diferente, y es probable que se produzca una concentración de tensiones durante el proceso de fundición a presión, lo que da lugar a una densidad desigual, que provoca la deformación de la pieza fundida, la contracción y la porosidad por contracción. . El modelo del producto de fundición se muestra en la figura 1.
2. Materiales de fundición
Se requiere que la cubierta frontal de motor tenga buenas propiedades mecánicas y alta densidad, y no se permiten defectos internos como grietas, porosidad por contracción, poros y agujeros por contracción. Basándose en el entorno de trabajo y los requisitos mencionados, se selecciona la aleación de aluminio AlSi9Cu3, que tiene una buena fluidez y un excelente rendimiento de fundición a presión. La tabla 1 muestra su composición química y sus propiedades mecánicas.
Plan inicial de proceso de fundición a presión
1. Diseño de sistema de colada inicial
De acuerdo con las características de la estructura de producto, se planea diseñar 2 ramas con un total de 6 vías internas para la alimentación, como se muestra en la Figura 2. El líquido de aleación de aluminio se introduce en el bebedero desde la copa del bebedero, y luego entra en la compuerta interna de 6 vías a través de la rama de 2 vías, y finalmente entra en la cavidad para el llenado.
1. Determinación de los parámetros de proceso
El material de fundición es AlSi9Cu3, y el molde es DIEVAR. De acuerdo con las características físicas de los dos materiales, combinadas con el manual de diseño de proceso de fundición a presión y la experiencia de producción, y mediante cálculos, se determinan los siguientes parámetros de proceso de fundición a presión: la temperatura inicial de la fundición es de 670℃, y la temperatura inicial de molde es de 180℃ ; La masa de la fundición es de 3,4 kg, la masa del sistema de vertido es de 2 kg, la masa de sistema de rebose es de 850g, y la masa total es de 6,25 kg. El área proyectada de la colada es de 1 196 cm2, y el área total proyectada es de 1 554 cm2; la presión específica de inyección se selecciona como 60MPa, y el factor de seguridad es de 1,2.
2. Análisis de simulación del anteproyecto
Para comprender el llenado y la solidificación de la colada durante el proceso de fundición, se utiliza el software Magma para la simulación numérica, como se muestra en la figura 3. Se puede observar que el tiempo de llenado de toda la cavidad es de aproximadamente 0,076 s. La velocidad de llenado inicial de metal fundido que entra en la cavidad es más rápida, y la velocidad de llenado de la zona central es significativamente más rápida que la de los dos lados. En el medio del llenado, el metal fundido entra gradualmente en la zona de la pared más gruesa. Se observó de vez en cuando que la zona de pared más gruesa se llenaba con relativa lentitud y era fácil de que se produjera un estancamiento de gas. Una vez completado el llenado de la zona, debido a la mayor temperatura y al mayor tiempo de solidificación, eran propensos a producirse problemas de calidad internos, como poros y agujeros de contracción.
Diseño de la optimización de proceso de fundición a presión
1. Diseño optimizado de sistema de inyección
En vista del llenado relativamente lento de las zonas de paredes gruesas, para garantizar la calidad de las piezas fundidas y hacer que la velocidad de llenado de cada zona sea básicamente la misma durante el proceso de conformación, se propone añadir dos alimentaciones de compuerta a las zonas de paredes gruesas para acelerar la velocidad de llenado de esta zona , Lo que hace que todo el proceso de llenado sea más estable y suave, es más propicio para la eliminación de gas, y evita la contracción, el encogimiento y otros defectos. La figura 4 muestra el esquema optimizado, y la parte de marco de alambre es una compuerta de 2 vías con alimentación añadida. Como la posición de la compuerta tiene una gran caída desde el fondo de la colada, para que la alimentación de esta zona sea suave, se añade un deslizador a la compuerta aquí, como se muestra en la figura 5, para asegurar que el líquido de aluminio llene bien la zona.
2. Análisis de simulación de plan de optimización
Para verificar el efecto de llenado y solidificación de plan optimizado, se realizó de nuevo una simulación numérica para observar el proceso de llenado y solidificación del plan optimizado. El proceso de simulación se analiza desde los aspectos de cambio del campo de la temperatura de llenado, el cambio de la presión del aire, la situación de la solidificación, etc. A través de la observación se encuentra que el proceso completo de llenado de la cavidad es de aproximadamente 0,071 s, lo que se acerca mucho a la estimación teórica. Durante el proceso de llenado, el aluminio fundido avanza con relativa suavidad, y la velocidad es básicamente la misma; la descarga de gas en la cavidad es suave, la presión del aire es relativamente estable, y dentro del rango de control de riesgo, no hay estancamiento y arrastre de gas obvio. En el proceso de solidificación, excepto en las zonas más gruesas, el enfriamiento y la solidificación son más lentos, y la solidificación y el enfriamiento de las demás zonas son básicamente uniformes e ideales.
Esquema de refrigeración de la zona local
1. Tecnología de refrigeración por puntos de alta presión
La tecnología de refrigeración por punto de alta presión se ha utilizado cada vez más en la industria de la fundición a presión en los últimos años. El agua de refrigeración se ajusta al estado de presión ideal mediante el enfriador de punto de alta presión, y la tubería correspondiente se hace pasar rápidamente por el molde para lograr el objetivo de la refrigeración. Como la velocidad de enfriamiento del núcleo es rápida en este proceso, no se formarán agujeros de contracción cerca de la posición del núcleo. Por lo tanto, el uso de la tecnología de enfriamiento por puntos de alta presión puede lograr el equilibrio térmico del molde, mejorar eficazmente los defectos locales de los poros, aumentar en gran medida la vida útil del molde, y reducir la tasa de sustitución del núcleo y de revisión y garantizar mejor la calidad de las piezas fundidas.
2. Enfriamiento por puntos de alta presión en la zona local
En vista de la lentitud del enfriamiento y la solidificación de la parte más gruesa en el proceso de análisis de simulación numérica, se considera utilizar el enfriamiento por puntos de alta presión para enfriar rápidamente las zonas clave y garantizar la calidad de las piezas fundidas. Mediante el análisis estructural del desarrollo del molde y la producción de prueba.
Se desarrollaron moldes de fundición a presión de acuerdo con el plan de proceso optimizado y se llevó a cabo la producción de prueba. La producción de prueba se llevó a cabo en la máquina de fundición a presión horizontal DCC1250T. La estructura de molde se muestra en la figura 8. La temperatura inicial de molde de prueba es de 180°C. Durante el proceso de producción de prueba, a medida que avanza la inyección, en la etapa de inyección de baja velocidad, el aluminio fundido entra en el canal a través de bebedero, luego entra en la cavidad suavemente desde la puerta interior, y rápidamente entra en la etapa de inyección de alta velocidad. El enfriamiento por puntos a alta presión se realiza en zonas clave para que el tiempo de solidificación de cada parte de la colada sea básicamente consistente. La figura 9 es una foto del producto de prueba. Se observa que la superficie de la pieza fundida es lisa, el contorno es claro, la calidad del agujero interior es buena y no hay defectos evidentes. El producto ha sido sometido a pruebas de estanqueidad y propiedades mecánicas. Tras la inspección, el índice de aprobación del producto ha alcanzado el 96%, y los resultados de las pruebas cumplen los requisitos de rendimiento.
En conclusión
(1) Utilizando el software Magma, se simularon los procesos de llenado y solidificación del sistema de inyección y de sistema de desbordamiento de la tapa frontal de aleación de aluminio de un determinado motor de coche familiar. A través del análisis de la simulación se encontraron los problemas correspondientes y se propuso el programa de optimización del proceso de fundición a presión.
(2) Tras determinar los parámetros relevantes del proceso de fundición a presión, se simuló de nuevo el proceso optimizado de llenado y solidificación, y se analizaron los cambios del campo de temperatura, los cambios de la presión del aire y las condiciones de solidificación, y se verificó inicialmente la racionalidad del esquema optimizado.
(3) Con el objetivo de solucionar los problemas de la temperatura local excesivamente alta y el largo tiempo de enfriamiento de las piezas fundidas, se utiliza el enfriamiento por puntos de alta presión para acelerar la velocidad de enfriamiento de las zonas locales y mejorar la calidad de las piezas fundidas.