基于信號機(jī)的壓鑄模具合金凝固過程的分析與研究

李欣榮

【摘 要】 本文針對壓鑄模具的制造過程，分析了金屬鑄造的特點，并利用信號機(jī)的基本功能改進(jìn)了在加工過程中的溫度問題，進(jìn)一步，利用有限元進(jìn)行分析。實踐證明，引入信號機(jī)原理有利于壓鑄模具合金的凝固過程。

【關(guān)鍵詞】 信號機(jī) 壓鑄模具 凝固

1 引言

壓鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量以及壓鑄件的性能對整個產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，而鑄件的性能與凝固過程的溫度場密切相關(guān)，國內(nèi)外很多研究人員通過數(shù)值模擬鑄件的溫度場，來預(yù)測鑄件的縮孔、收縮缺陷。但大多是對普通砂型鑄造的模擬，對壓力鑄造等特種鑄造的模擬特別是關(guān)于壓鑄件熱節(jié)的研究還比較少。

模具的溫度控制是影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素之一，在無冷卻系統(tǒng)控制模溫的壓鑄過程中，隨著壓射次數(shù)的增加壓型溫度會不斷上升，導(dǎo)致壓型內(nèi)部與表面溫度差不斷減小，使合金在壓型中冷卻速度越來越慢，使鑄件金屬組織致密性差，甚至鑄件內(nèi)會出現(xiàn)針孔或更大的縮孔，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。

鑄件凝固過程與大多數(shù)工業(yè)傳熱過程一樣，熱量是從一部分傳播到另一部分。它是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是由包括熱量傳輸、動量傳輸、質(zhì)量傳輸及相變等一系列過程耦合而成。要精確地模擬凝固過程，必須求解連續(xù)性方程、Navier-Stockes 方程、Fourier 方程及質(zhì)量傳輸方程等。但要將所有這些過程耦在一起進(jìn)行求解，在目前還是很困難的。在滿足實際要求的前提下，為使問題簡化，我們應(yīng)就某一特定要求，對主要過程進(jìn)行模擬。在一般情況下，若充型時間和凝固時間相比很短時，常?？梢约僭O(shè)鑄型是瞬時充滿的，這時只需計算溫度場即可。溫度場模擬是預(yù)測縮孔縮松的形成、微觀組織的形成以及熱裂、變形等的基礎(chǔ)。

2 金屬型鑄造傳熱現(xiàn)象的特點

鑄型內(nèi)熔融金屬開始凝固后，放出凝固潛熱，被鑄型吸收，因此，凝固可不斷進(jìn)行。與砂型相比，澆注以后的鑄型熱吸收能是非常大的，凝固時間也短得多。砂型的鑄件表面溫度（鑄件與鑄型的界面溫度）到凝固時，沒有多大變化，而且鑄件內(nèi)部的溫度分布也基本一致。因此，計算時常假定凝固結(jié)束時，界面與內(nèi)部溫度不變，但是金屬型比起砂型來，凝固快，因此鑄件表面溫度急劇下降，與鑄件內(nèi)部產(chǎn)生交大的溫度差，所以鑄件表面與內(nèi)部冷卻速度不同也是凝固組織不同的原因。

從傳熱的觀點考慮，金屬型與砂型主要不同點有以下一些：

熱吸收能和熱容量比砂型大，所以凝固時間短；（1）單位時間通過鑄件和金屬型界面的熱量大，所以界面處的傳熱系數(shù)對鑄件冷卻影響很大；（2）鑄件與金屬型的界面溫度隨著澆注后的時間推移有較大的變化；（3）凝固期間，鑄件內(nèi)部的溫度不是均勻的，表面與內(nèi)部冷卻速度有差別，所以凝固組織可能不同；（4）金屬型的傳熱快，研究時不把金屬型作為半無限物體來處理。

3 信號機(jī)的基本功能

信號機(jī)應(yīng)該具有多時段控制功能，即能夠根據(jù)每個模具各不同時段的設(shè)置各對應(yīng)時段的控制參數(shù)，然后根據(jù)信號機(jī)的時鐘在對應(yīng)時段的起止時刻自動切換并執(zhí)行相應(yīng)方案

3.1 感應(yīng)控制功能

感應(yīng)控制功能，即當(dāng)信號機(jī)設(shè)置為感應(yīng)控制方式時，在感應(yīng)控制模塊運作下，支路的相位只有在支路檢測到有模具時，才會給信號機(jī)的相位執(zhí)行，否則，支路在沒有模具情況下是會將原本設(shè)置的時間轉(zhuǎn)移到下一個主路上的相位，而使得主路得到更加充足的時間。

3.2 自適應(yīng)控制功能

自適應(yīng)控制功能，即根據(jù)實時信息流檢測和儲存到信號機(jī)內(nèi)的歷史流量交通模型，通過實時優(yōu)化計算求解出一組最優(yōu)控制參數(shù)，并進(jìn)行存儲和小步距調(diào)整下一周期各相位的時間，和自適應(yīng)控制中的基本參數(shù)，如飽和流量、最大最小控制時間、最大最小信號周期等，使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)化控制。另外參數(shù)調(diào)節(jié)還可以通過中心控制的電腦菜單界面靈活設(shè)置。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通訊功能

網(wǎng)絡(luò)通訊功能是指控制器與控制器之間，以及與控制中心進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊的功能，即根據(jù)一定的通訊協(xié)議，信號機(jī)可以接收并執(zhí)行控制中心發(fā)出的所有信號，支持和執(zhí)行信號的功能。

4 溫度場問題的有限單元法

有限單元法是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域-飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨之很快就廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。

4.1 物體離散化

將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連結(jié)起來；單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定（一般情況，單元劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不再是原有物體或結(jié)構(gòu)體，而是同樣材料的眾多單元以一定方式連結(jié)成的離散物體。這樣，用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實際情況相符合。

模具表面溫度曲線，如下圖所示。

4.2 相變問題的處理

由于液相的內(nèi)能大于固相的內(nèi)能，回此當(dāng)合金凝固由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r，必然產(chǎn)生內(nèi)能的變化。這個內(nèi)能變化就是凝固潛熱，或稱熔化潛熱。鑄件的凝固冷卻過程實質(zhì)上是鑄件內(nèi)部顯熱和潛熱不斷向外散失的過程。顯熱的釋放與材料的比熱容Cp和溫度變化量△T密切相關(guān)；而潛熱的釋放僅取決于材質(zhì)本身發(fā)生相變時所反映出的物理特性。在鑄件凝固冷卻過程放出的總熱量中，凝固潛熱占有相當(dāng)大的比例。潛熱處理的好壞對鑄件凝固數(shù)值計算精度起著非常關(guān)鍵的作用。合金材質(zhì)不同，潛熱釋放的形式也不同，相應(yīng)地也應(yīng)采取不同的處理方法。

參考文獻(xiàn)

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