中國壓鑄雜志
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一肖中特免费网站:鋅合金壓鑄模流分析

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-12-03



文:德寶壓鑄技術公司   黃奇德
 
 
引言
模流分析已廣泛應用于鋁、鎂合金壓鑄工藝。相比起來,鋅合金壓鑄使用模流分析比較滯后。有用過模流軟件的朋友會發現,鋅壓鑄模流的效果沒有鋁壓鑄明顯,好像氣孔分布、表面冷紋、充型過程的準確性。針對以上問題,本文介紹鋅合金壓鑄的特點,包括其材料特性、熱室機的性能和工藝設置、產品的質量要求和模具澆排設計的特點,從而提出對模流分析的要求。特別介紹意大利CASTLE模流分析軟件,如何針對鋅熱室壓鑄的特點,準確設置參數和計算充型過程。
 
鋅合金材料和熱室壓鑄的特點
鋅合金壓鑄的生產成本低。相比鋁、鎂、銅等壓鑄材料,鋅合金的熔點低。以最常用的Zamak#3為例,生產溫度在440C左右,熔煉火耗低。主要使用熱室壓鑄機生產;熱室機的優點是生產周期短和設備比較簡單(因壓室浸泡在溶液里,無需額外的給湯時間和壓室排氣時間,也不用給湯設備。此外鋅合金凝固時間很短,無需第三級增壓,壓射系統較簡單。)。模具壽命長(可達百萬模次)。熱室機的壓射參數少(雖然多了射嘴溫度調整,但沒有三級增壓,一級行程很短,二速較低,脫模也較簡單)。
鋅鑄件拋光容易,表面電鍍處理容易,顏色和效果的選擇非常多,綜合成本也最低。因此很多表面質量要求高的五金配件如衛浴、門窗、鎖類、成衣、皮具、文具、家具、電器、裝飾品等,都大量使用。
 

 
不過,鋅壓鑄也存在很多生產缺點。由于鋅合金的密度高(Zamak#3為6.7g/cc)和受到設備的限制,鋅合金壓鑄件多為中小件。大部分的鋅壓鑄件都在250T或以下的熱室壓鑄機生產。另外鋅合金對重金屬含量有嚴格的要求,不然會出現晶間腐蝕。Zamak#3鋅錠就有以下規格要求:鐵<0.075%,鉛<0.004%,鎘<0.003%,錫<0.002%。因此在鋅合金鑄件的回收過程要小心控制,回收材料使用比例也不能高,避免重金屬污染。故此太多的鑄件余料比例和高廢品率對成本結構影響很大。
生產工藝方面,由于是中小件為主,而且以高表面光潔度為主,鋅壓鑄的填充時間都很短,低于百分二秒以內。在這么短的充型時間,要排走型腔內的卷氣是很困難的。特別是接近鑄件表面的氣孔,在表面處理過程中導致起泡。對有高光要求的電鍍件,任何小缺陷都很容易顯露出來,造成的廢品損失也特別大。
 
鋅壓鑄模具澆排設計
由于擔心影響表面質量,如經常在澆口和渣包排氣口出現的砂孔,模具設計師都傾向把澆口和排氣口厚度設置得很薄,如低至0.3-0.35mm的澆口厚度。這種考慮容易使得澆口面積偏小,導致生產操作者要提高沖頭速度來補充流量的不足,這使澆口速度太高,模具容易沖刷,同時令充型過程卷氣嚴重。增加了機器和模具的損耗。粗糙的流道設計也會提高了鑄件卷氣。優化的澆排系統才能做出高質量的鑄件,因此需要軟件的輔助來改進設計。
 

 
鋅壓鑄模流分析特點
CAD/CAE模流分析是壓鑄產品開發階段常用的輔助工具,幫助設計人員進行產品和模具設計,預測不同澆道方案可能出現的問題。目前已經普遍使用于鋁合金汽車模具的開發。鋅合金模具因為較小,含氣分布很難預測,相對應用面較低。
鋅合金壓鑄在CAE模擬和鋁合金模擬有幾方面不同:1.澆口厚度很薄,充型時阻力大,噴濺嚴重。2.鋅合金的凝固范圍在381-387C。薄澆口很快凝固,無法在保壓階段補縮,容易產生縮孔。3.鑄件的表面要求高,因此充型時間需要很短。4.一速行程短,排氣困難。5.充型曲線差異大。
工藝參數建議
模具設計工程師在評估鋅鑄件生產時,經常使用PQ圖來幫助選擇合適的壓鑄機型和工藝參數,計算澆口面積。要有效使用PQ圖,其實要有準確的經驗數據庫作為計算基礎。利用歐洲的壓鑄經驗和實驗室數據,CASTLE編寫的PQ計算???,只需要輸入簡單的壓鑄機、鑄件資料和要求,就能提出模具和工藝參數的建議,有很高的參考價值。使用者無需任何基礎知識。
 
  
壓射參數
壓鑄模擬需要設置一二速和切換位置的參數。一般的模擬是在澆口位置急速切換為高速,然后在充型末端急速剎停;典型的鋅熱室壓射曲線其實不是這樣。由于壓射系統不同,而且填充行程短,沖頭遠還沒到達射咀前已經要切換為高速,到達射咀時速度已接近高點。當沖頭到達澆口時,速度到達頂峰,在充型階段,沖頭速度已在下降;當到達渣包或排氣口,沖頭進一步減速。

 
為了能真實模擬充型過程,CASTLE軟件按照機器的特性,內置沖頭的加速度和減速度,用戶只是輸入簡單的一二速數據,就能執行接近真實的壓射曲線。
   


 
澆道的優化
上一節提到,鋅熱室壓鑄有別于鋁冷室壓鑄,需要很早切換高速,金屬液在澆道高速流動容易產生卷氣,澆道必須盡量按照流體力學特性來設計。CASTLE的流道優化??槭強燜偈滌玫母ㄖぞ?,幫助設計師優化流道形狀;包括檢測澆道出現的偏流、過高的澆道速度、或者可能出現的局部紊流等。也能看到澆口的速度分布,特別是多澆道的設計,需要整體的澆道平衡。軟件快速的流道優化,減少了充型模擬的次數。
   

 
混合式網格模型
在準備壓鑄模擬的步驟里,鑄件的網格化是重要的一步。鋅鑄件講究外型美觀,大都是厚薄不均。打網格要同時兼顧數量和模型準確度,并不容易。由于鋅鑄件澆口很薄,又不是平面,而澆口區域是充型的關鍵位置-建議至少要有3個網格在最薄的位置,對模流軟件是很大的挑戰。此外,鋅合金不能忽略微細氣孔對表面質量的影響,所以細致微小的特征(如字體)也要考慮。因此不要小看鋅鑄件體積比鋁鑄件小,它要求的網格量也很大。
 

 
CASTLE使用智能化的網格劃分法。它是以計算流體動力學常用的有限體積模型為網格劃分的主體,這種模型有利于計算流體運動和噴濺,很適合模擬壓鑄充型。軟件特有的自動網格劃分可以在厚壁位置形成較大的六面體網格,而在薄壁位置則自動過渡成細小的六面體網格。同時為了避免在邊界表面形成梯階形狀,造成計算誤差,智能劃分法在復雜表面位置自動形成變形體積,使網格劃分能用相對少量的網格做出準確的模型。
 
 
液氣兩相的充型計算
在現實世界,我們都明白在高速充型時,金屬液是噴濺狀態,金屬液前沿不會有清晰邊界,而是液滴和空氣混雜成霧狀。在充型過程中,空氣不斷受熱,空間亦不斷被金屬液取代和壓縮,空氣受擠壓推動,從排氣口逸出。此中空氣壓力在充型時會影響金屬液的流動,殘留的空氣如果被擠壓無法逃出,便壓會縮成氣孔。
傳統的模流分析軟件都只是計算金屬液流動,很少考慮型腔內空氣屬性變化的影響。在鋅合金壓鑄,我們要求很短的填充時間,澆口又不能太大,導致澆口速度都很高;如果排氣面積又不大,又沒有考慮型腔空氣屬性變化,充型流態會不準確。CASTLE軟件同時計算鋅液和空氣流動,能準確計算鋅液的整個充型過程。這包括實際的排氣面積和位置,還有金屬液在澆口的霧化情況。
 

 
在計算流動時,大部分鑄造模擬軟件都不考慮鋅合金凝固時的流變特性;粘度在這小溫度范圍內的變化,其實對鋅合金薄壁件填充是很重要的。同樣重要的還有鋅/模具、和鋅/空氣間的表面張力和表面潤濕度計算。這些屬性都涵蓋在CASTLE的充型計算里。
 
氣體分布
對表面光潔度要求很高的鋅鑄件,接近表面的微小氣孔會在電鍍時起泡。利用氣孔比率顯示功能,CASTLE軟件可以顯示大氣孔和微氣孔的分布位置。附圖包括1%氣體含量分布圖,殘留氣孔和縮孔的合拼分布。如果渣包的位置合適,可以收集大部分的卷氣。
  
   

 
排氣面積建議
排氣設計對鑄件含氣有關鍵的影響,這包括面積和位置的選擇。有些產品客戶考慮外觀砂孔,可能渣包口比排氣面積還小,那渣包口才是關鍵的排氣面積。為了方便評估模具排氣設計的效率,在CASTLE的排氣計算??槔?,用戶輸入特定工藝條件,可以自動計算鑄件的含氣量。并把自然排氣和真空壓鑄效果做出比較,讓用戶判斷排氣面積是否足夠,是否要用真空閥才能達到要求。附圖的計算中,鑄件澆口面積適合,但排氣面積嚴重不足,鑄件含氣量會很高。建議客戶增加排氣面積來改善含氣量。同時看出22mm2是最理想的排氣面積,更大的面積不能提高排氣效率了。
 

 
軟件也內置了不同排氣方式的排氣效果計算。附圖清楚看出在相同排氣面積下,不同方式如真空閥、標準排氣道、搓衣板可達至的排氣效率差異。幫助用戶在模具設計初階,快速評估和選擇排氣方式或真空壓鑄。


 
鋅真空壓鑄
鋅鑄件的表面要求越來越高。由于鋅壓鑄經常排氣不足而導致鑄件內部卷氣過多,如何增加排氣量是個重要課題。如果能成功應用真空壓鑄于鋅熱室工藝,對降低鑄件含氣量會有很大的效益。在歐洲,針對表面質量要求很高的鋅鑄件,真空壓鑄的應用越來越普遍。不過,鋅的真空壓鑄要解決幾個較難處理的問題:首先是要把真空閥安裝在小型模具上。大部分的鋅鑄件都很小,使用在20-150T壓鑄機的模具,要在300mm邊長的模具放置真空閥并不容易。如果為了裝上真空閥而使用較大的壓鑄機,除了增加了生產成本外,增加了總排氣量也令真空壓鑄的應用得不償失。意大利的FondVacuum真空閥是專為鋅合金小型模具開發的,最小的閥體面積只有43mmx57mm。CASTLE軟件的液氣兩相流動計算,是分析真空壓鑄的理想工具??梢鄖邐鄄熳勻慌牌駝嬋昭怪姆直?。最明顯的是型腔氣壓的不同,空氣阻力的降低,令流態噴濺
  
總結
要成功利用模流分析來模擬鋅合金壓鑄,軟件要能符合它的特點,包括材料、鑄件設計和工藝特殊性。Castle軟件正好符合以上條件,從而幫助客戶正確分析充型過程和改善澆排設計。軟件的液氣兩相流動模擬,正符合鋅壓鑄快速填充的氣壓阻力模型。專有的混合網格化模式,正符合鋅鑄件的薄澆口特點;不失真的幾何網格,是準確充型計算的必要條件。材料數據庫含細致的材料特性,包括流變、表面張力等,使充型計算和凝固過程更真實。內置的工藝設置,更接近真實的壓射曲線,提供可靠的含氣量分布計算。
由于二速需要提前切換,鋅合金的模具澆道很容易卷氣,并把卷氣帶進型腔。CASTLE的澆道快速評估??榭梢哉鋃轄降賴鈉?卷氣位置,供及時修改。軟件的智能化PQ計算,建議模具澆口面積和壓射參數等。軟件提供了排氣面積的排氣效率,幫助客戶判斷應否使用真空壓鑄方式,進一步提高鑄件質量。
 我司的技術團隊可為客戶提供模具設計方案、模流分析和培訓服務。
 
 
 
 
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