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A365 合金电场传感器壳体半固态压铸优化

上传时间:2016-09-24阅读次数:编辑:admin
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  • 采用缝隙式浇注系统,在充型温度为590℃,模具预热温度为200℃,压射速度为5m/S时,利用ProscastST软件,对A365合金电场传感器壳体半固态压铸件进行了充型与凝固过程的数值模拟,根据模拟结果改进了浇注系统。结果表明,采用内浇口和铸件相切的方式进行半固态压铸,减少了卷气和缩孔、缩松等缺陷,保证了电场传感器壳体良好的力学性能和产品的一致性,压铸件的整体品质得到提高。采用此工艺参数进行试验,生产出了合格的铸件。

    电场传感器被广泛应用于特高压输电线路下合成电场测量。某电场传感器壳体采用A365 合金压铸而成,其成形过程易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。此外,由于其介电常数和电导率都很小,在高压作用下其电场强度很高,气孔部位由于抵抗电场强度比固体介质要低得多而首先被击穿,易造成整个壳体被击穿而破坏。同时,由于电场分布不均匀,造成了产品的一致性较差。随着模拟技术的发展,计算机数值模拟技术被广泛应用到半固态压铸充型与凝固过程仿真的研究,通过对压铸生产过程的数值模拟,能较准确地对凝固过程中可能出现的缺陷进行预测。利用PROCAST软件对A365 铝合金壳体成形过程进行数值模拟,并通过优化浇注系统结构减少铸件缩松、缩孔、气孔等缺陷,这

    对降低压铸成本,提高铸件品质具有实际意义。

    1 半固态铝合金充型模拟的基本方程

    半固态压铸浆料的流动通常表现为连续介质的性质,其流变场在一定意义上同连续介质力学有密切联系。高温条件下,浆料呈粘性不可压缩流体连续平稳充型,遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。根据欧拉坐标系中半固态浆料的充型流动,模拟计算主要采用连续性方程、动量守恒方程、能量方程和粘度模型等。

    2 模拟前处理

    2.1 模拟模型组件

    电场传感器壳体零件见图1,铸件平均壁厚约为4mm,最大外径为84mm,最大高度为72mm。根据铸件的结构形式,采用缝隙式浇口。利用三维造型软件;UG4.0完成对铸件及模具的三维实体造型,浇注系统结构(方案1)见图2。将壳体及模具实体模型导入到ProACST中,在MeshCAST里划分体网格。

    2.2模拟参数

    采用A356铝合金,其液相线温度为615℃,固相线温度为555℃。由于半固态压铸充型时间极短,所以设定浇注温度为铸件初始温度。环境温度为25℃,模具预热温度为200℃,取模具与外界环境之间的表面传热系数为25w/(m² · k),铸件和模具之间的表面传热系数为1000 w/(m² · k), 模具之间的表面传热系数取11500 w/(m² · k)。

    3 模拟结果分析和浇注系统优化

    3.1浇注系统方案1

    方案1的充型温度为590℃,模具预热温度为200℃,压射速度为5m/s时,固相率约为40%。方案1充型过程的温度场分布见图3。由图3可知,半固态浆料由铸型底部逐步上升,最后充满整个型腔。由于半固态浆料具有一定的粘度,在充型过程中浆料受到剪切力的作用,其流动有轻微的波动、喷溅现象,金属液汇流,使型腔内的部分气体无法及时排出,造成卷气或浇不足,见图3b箭头处。图4为方案1的温度场及缩松、缩孔分布图。从凝固温度分布上来看,温度场呈现出明显的不均匀性,铸件有热节区域形成,箭头所指部位最后凝固,该区域在凝固时由于无法得到液体的补充而形成缩松、气孔等缺陷可能性比较大,而缺陷部位介电常数和电导率都很小,受到高压作用时,其电场强度很大,在电场中首先被击穿,引起气体放电.气体放电的同 时产生大量的热,易造成整个壳体的热击穿而报废.由于壳体的缩孔、缩松、气孔等缺陷较多 ,使电场分布不均匀 ,品质较差,而且电场传感器壳体表面需要加工螺纹孔的部位出现孔洞,所以方案1 浇注系统的结果 并不理想,需要对其进行进一步优化。

    3.2 浇注系统方案2

    根据方案1的浇注系统模拟结果分析,可知垂直缝隙式进料方式对半固态浆料的充型和凝固过程影响很大。为了防止缩孔、缩松、气孔等缺陷的产生,通过改进内浇口的流向来进行优化,将内浇口设计成和铸件相切。图5和图6为方案2充型温度在590℃时,模具预热温度为220℃的充型过程和温度场分布及缩孔、缩松分布。从图5可以看出,金属液由浇口开始,依次充满直浇道、横浇道、内浇口进入型腔。由铸型底部上升,最后充满整个型腔。半固态浆料在充型过程中逐次充满型腔,没有喷溅和卷气现象。从温度分布上来看,成形铸件上箭头所指部位最后凝固,可能产生缩孔和缩松以及浇不足等缺陷,见图6a。图6b箭头处是铸件易产生缩孔、缩松的部位,比较优化后的结果和方案1可知,优化

    后铸件的缺陷明显减少但是缺陷部位产生在铸件的

    上边缘表面影响铸件成形品质需对其系统结构做进

    一步优化。

    3.3浇注系统方案3

    根据方案2的模拟结果可以看出采用内浇口和铸件相切的方式进行半固态压铸压铸件产生的缩孔、缩松、气孔等缺陷明显减少缺陷部位产生在铸件的上边缘表面可能是此处得不到周围金属液的补缩造成的所以在此处加上溢流、排气系统。图7、图8为方案3充型温度在590℃时模具预热温度为220℃压射速度为5m/s在不同时刻的充型过程、温度场分布及缩松、缩孔分布。从图7可以看出金属液由浇口开始依次充满直浇道、横浇道、内浇口、进入型腔。由铸型底部上升最后充满整个型腔。半固态浆料在充型过程中流动平稳逐次充满型腔没有喷溅和卷气现象。从温度分布上来看箭头处部位最后凝固因为它得不到周围金属液的补缩可能产生缩孔、缩松和浇不足等缺陷见图8a。图8b铸件箭头处缩孔、缩松部位很小优化后的结果比较理想,并能满足电场要求,电场传感器壳体表面需要加工螺纹孔的部位没有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生,可以保证铸件质量。所以,在充型温度为590℃,模具预热温度为220℃,压射速度为5m/s时,方案3的效果最佳

    4 成形过程的试验验证

    采用方案3,设定充型温度为590℃,压射速度为5m/s,模具预热温度为200℃,对壳体进行试验验证。试验材料采用近液相线半连续铸造制备的A356合金。坯料,将坯料在电阻炉中二次加热到预设温度后成形。图9为半固态成形件.从外观来看,轮廓清晰,表面光洁,成形精度比较高.需要加工螺纹孔的部位未 发现缺陷,其他部位也没有缩松、 缩孔等缺陷。

    5 结 论

    通过对浇注系统结构的改进,增加了溢流、排气系统,最终得到了优化后的方案。 在充型温度为590℃ ,压射速度为5m/s,模具预热温度为200℃ 时,此时,半固态浆料充型平稳,不产生喷溅和卷气,铸件品质得到保证。

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