金属材料触变充填及其压力变化特征的模拟

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.03.008 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 金属材料触变充填及其压力变化特征的模拟 杨卯生”李士琦)徐宏)毛卫民) 钟雪友) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要分析了触变合金充填过程的压力变化特征，建立了耦合表观粘度的计算数学模型， 对触变铝合金和钢件充型过程及压力变化进行模拟.结果表明，触变合金充型过程具有持续 增加的压力变化特征，增加压力主要克服浆料流动阻力与重力，增加幅度约为0.12MPa.在成 形充填速度范围内，触变合金呈现稳定的层流充填特征.相比触变铝合金，钢温度高容易引 起触变成形过程的降温，表观粘度增大而导致铸件缺陷.半固态刹车泵体两种入流形式的充 填压力模拟分析与实际成形结果表明，径向入流方式具有较高的成形质量， 关键词触变充型：充填压力；数值模拟 分类号TG249.9 金属材料半固态触变充型具有两个显著特 1金属材料触变充型过程 征：一是整体粘度大，其粘度变化范围在0.1~1 kPas,在充填成形过程中，触变合金流态保持层 半固态触变充型是一个在压送比压作用下 流，有效防止成形过程的卷气与氧化，消除制件 的浆料变形流动过程，压送比压可以通过调整压 的气孔与氧化夹杂缺陷.二是具有触变特性，在 送压力和压室来实现.在触变充型过程中，作用 一定剪切速率的作用下，金属材料表观粘度出现 在浆料上的比压并非是一个常数，而是随充型不 明显下降，金属浆料以大流量、全壁厚、瞬时充满 同阶段而变化.根据半固态触变充型特点，将充 模具型腔，从而保证气体按顺序排出，消除冷隔 型过程分为如图1所示I、Ⅱ、I三个阶段 与浇不足缺陷“.基于以上特征，金属材料触变 型腔 成形具有良好的制件质量而得到国内外的广泛 浇口 关注，触变流动特征与半固态成形质量主要影响 因素为充填压力、速度、合金表观粘度以及合金 种类.为此，人们通过实验揭示半固态合金表观 粘度与固相分数、剪切速率之间的关系，并采取 高速摄影、实际浇注和数值模拟方法描述半固态 图1半固态触变充型过程示意图 铝合金等低熔点材料的触变特性及充填过程4. Fig.1 Schematic drawing of semisolid alloy filling process 本文建立耦合表观粘度的触变充型模拟计 1)压室充满阶段I,压送柱塞慢速前进，在 算方程.对液态金属、半固态铝合金及钢件的触 柱塞的作用下，浆料完全充满压室与浇口处的空 变充型过程以及充填压力变化特征进行了模拟 间，此时，柱塞的速度很小，压送比压主要克服压 与分析，并对不同入流方式的半固态刹车泵体铝 室侧壁阻力.该阶段最后时刻由于半固态浆料受 合金铸件的成形过程的压力变化进行了模拟计 到挤压后的反作用力，使得柱塞的压力增大. 算与实际成形.本研究的目的是揭示金属材料触 2)触变充型阶段Ⅱ.是半固态成形的关键阶 变成形过程与压力变化特征， 段，成形制件质量与此阶段密切相关，经过浇口 收稿日期200306-10杨卯生男，41岁，教授，博士后 的半固态浆料开始充填型腔，由于浇口处的剪切 ★国家自然科学基金资助项目No.59995440) 变稀作用，充填压力开始下降，随后调整柱塞压

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 金属材料触变充填及其压 力变化特征 的模拟 杨 卯生 ‘， 李士 琦 ” 徐 宏 ， 毛 卫 民 ， 钟 雪 友 ” 北 京科技大学 冶 金 与 生态 工 程 学 院 ， 北 京 北京科技大 学 材料科学与工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 分析 了触 变合 金 充填过程 的压 力变化 特 征 ， 建立 了祸 合表 观粘度 的计 算数 学模型 对触变铝合 金 和 钢 件 充型 过程 及 压力变化 进行模拟 结果表 明 ， 触 变 合金 充 型 过程 具 有持 续 增 加 的压 力变 化特 征 ， 增 加 压 力 主 要 克服浆料 流 动 阻 力 与 重 力 ， 增加 幅 度 约 为 ， 在 成 形 充填 速度 范 围 内 ， 触 变合金 呈现 稳 定 的层 流 充填特 征 相 比触 变铝 合 金 ， 钢 温度 高容 易 引 起 触 变成形 过程 的降温 ， 表观 粘 度增 大 而 导 致铸 件 缺 陷 半 固态 刹 车 泵体两种 入 流 形 式 的充 填压 力模拟 分 析 与 实 际成 形 结果 表 明 ， 径 向入流 方 式具 有较高 的成 形 质 量 关键词 触变充型 充填 压 力 数值模拟 分 类号 金 属 材 料 半 固态 触 变 充 型 具 有 两 个 显 著特 征 一 是 整 体 粘 度 大 ， 其粘 度 变 化 范 围在 一 沙 ， 在 充填 成 形 过 程 中 ， 触 变合 金 流 态保 持层 流 ， 有 效 防止 成 形 过程 的卷 气 与氧 化 ， 消 除制 件 的气 孔 与氧 化 夹 杂 缺 陷 二 是 具 有 触 变 特 性 ， 在 一 定剪切 速 率 的作用 下 ， 金 属 材料表 观 粘度 出现 明显 下 降 金 属 浆料 以大 流 量 、 全 壁 厚 、 瞬 时充 满 模 具 型腔 ， 从 而 保 证 气 体 按 顺 序排 出 ， 消 除冷 隔 与 浇 不 足 缺 陷 〔团 基 于 以上特 征 ， 金 属 材料触 变 成 形 具 有 良好 的制 件 质 量 而 得 到 国 内外 的广 泛 关注 触 变流 动特 征 与 半 固态 成 形 质量 主 要 影 响 因素 为充 填 压 力 、 速 度 、 合 金 表 观 粘 度 以及 合 金 种类 为此 ， 人 们 通 过 实验 揭 示 半 固态 合 金 表 观 粘度 与 固相 分 数 、 剪 切 速 率之 间 的关 系 ， 并采 取 高速 摄 影 、 实 际浇注 和 数值模拟 方 法描 述 半 固态 铝 合 金 等低熔 点材 料 的触变特 性及 充填 过程间 本 文 建 立 祸 合 表 观 粘 度 的触 变 充 型 模 拟 计 算 方 程 对 液态 金 属 、 半 固态 铝 合 金 及 钢 件 的触 变 充 型 过 程 以及 充 填 压 力 变 化 特 征 进 行 了模 拟 与分 析 ， 并对 不 同入 流 方 式 的半 固态刹 车 泵 体 铝 合 金 铸 件 的成 形 过 程 的压 力 变 化 进 行 了模 拟 计 算 与 实 际成 形 本研 究 的 目的是 揭 示金 属 材 料 触 变 成 形 过 程 与 压 力 变 化特 征 金 属 材 料 触 变 充型 过 程 半 固态 触 变 充 型 是 一 个 在 压 送 比压 作 用 下 的浆料 变 形 流 动 过程 压送 比压 可 以通 过 调整 压 送 压 力 和 压 室 来 实现 在 触 变 充 型 过 程 中 ， 作用 在 浆料 上 的 比压 并 非 是 一 个 常数 ， 而 是 随充 型 不 同阶 段 而 变 化 根据 半 固态 触 变 充 型特 点 ， 将 充 型 过 程 分 为如 图 所 示 、 、 三 个 阶段 图 半 固 态 触 变充 型 过 程 示 意 图 · 川 收稿 日期 一 一 杨 卯生 男 ， 岁 ， 教授 ， 博 士 后 国家 自然 科学 基金 资助 项 目 困 压 室 充 满 阶 段 压 送 柱 塞 慢 速 前 进 ， 在 柱 塞 的作用 下 ， 浆料 完 全 充满压 室 与浇 口 处 的空 间 ， 此 时 ， 柱塞 的速 度很 小 ， 压 送 比压 主 要 克服 压 室侧 壁 阻 力 该 阶段 最 后 时刻 由于 半 固态浆 料 受 到挤 压 后 的 反 作 用 力 ， 使 得 柱 塞 的压 力增 大 触 变 充型 阶段 是 半 固态 成 形 的关键 阶 段 ， 成 形 制 件 质 量 与此 阶段 密 切 相 关 经 过 浇 口 的半 固态 浆料 开始 充填 型 腔 ， 由于浇 口 处 的剪切 变稀 作用 ， 充填 压 力 开始 下 降 ， 随 后 调 整 柱 塞 压 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．03．008

·256· 北京科技大学学报 2004年第3期 力使半固态浆料以一定的充填速度进行触变充 当F=1时，该单元为满单元； 型，半固态浆料充填速度与柱塞速度、压室面积 当0<F<】时，该单元内有流体，但又没充满， 以及浇口面积有关.此时比压主要克服浇口侧壁 有自由表面. 阻力和流动阻力以及浆料的重力作用.整个触变 由此可见，只有计算出每个单元的F值就可 充型过程中，充填速度变化不大，压力出现波动 确定半固态浆料在任一时刻的流动状态， 以保证稳定的充填速度，它的波动范围与浆料粘 5)表观粘度方程. 度、速度以及铸件结构等因素有关， n=1+72()）。 (5) 3)致密化阶段I.半固态浆料充填完成后， √不 (6) 浆料充填速度很快降为零，液压系统持续增压， 单元(，，)在方向运动时，受到相邻单元(ij, 增大比压的作用是增大半固态成形压力，使半固 k+1),(i,k-1),(i,什1，k),(i,j-1,k)的粘滞阻碍作 态铸件局部存在疏松的部位进一步致密化 用，单元间的相互位置如图2所示.为此，首先计 2模拟计算基本方程 算单元(i,j,)与相邻单元的应变梯度：在此基础 上，利用式（⑥）计算单元的剪切速率：将剪切速率 半固态合金充型过程流动属于带有自由表 代入表观粘度的数学表达式中，并耦合在式(2) 面变粘性不可压缩非稳态流动.描述半固态合金 动量守恒方程中， 流动方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程、 能量方程以及体积函数方程， G,+I) 1)质量守恒方程（连续性方程）. 股8那船-0 (1) i,j-1,) ,j, (,t1,k 2)动量守恒方程(Navier--Stockes方程). 股w器 (,j,k-1) 股e以器别 股多器 Ov 图2流体单元示意图 Fig.2 Schematic drawing of fluid units (2) 10P,,fa2v,∂2y,a2v p莎+8+x+0+z) 3自由边界条件 在半固态触变充型过程的模拟计算中，将自 1 oP(8w o'w o'w -pz+8+a2++P 由表面压力设为环境压力P。.自由表面速度求解 3)能量守恒方程. 则通过相邻网格单元已知速度插值而得到，待自 a(pCT)a(pCT.)d(pCT.),d(pCT.)_ 由表面单元充满后，其真实速度大小和方向有压 dx ov 力和速度迭代计算而给出，为了避免模糊的半固 a(,ora(aaf,o7 dxdxdydydz0z (3) 态充型前沿，采用边界条件函数，计算控制单元 式中，4，，w表示三个坐标方向的速度分量：8， 中心的压力P. g,g,为三个方向的重力加速度分量；P为流域内 R=-05W2P1.5-Rn (7) 网格单元(，，k)的压力：F为体积函数：T为(i,,) 式中，F,为表面单元P的流体体积分数，N为相邻 处浆料温度：p,C,v为浆料的密度、比热容、导 满单元的个数，P为相邻满单元的压力，P为环 热系数及运动粘度 境压力，P为表面单元中心压力. 4)体积函数方程（自由表面控制方程）. 9器8股85+脂-0 (4) 4半固态浆料充填压力变化特征 用VOF法处理自由表面时，采用F来描述整 以平板作为模拟对象，其轮廓尺寸为180 个半固态流场的流动域，F的定义为：F=单元内 mm×140mm×10mm,质量为582g.三维实体和三 流体的体积/单元体积(0≤F≤1) 维网格划如图3所示，网格单元尺寸为2mm× 当F-O时，该单元为空单元，没有流体： 2mm×2mm

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 力 使 半 固态 浆 料 以一 定 的充 填 速 度 进 行 触 变 充 型 半 固态 浆料充 填速度与 柱 塞速度 、 压 室 面积 以及 浇 口 面积 有关 此 时 比压 主 要 克服 浇 口 侧 壁 阻 力和 流 动 阻力 以及 浆料 的重 力作用 整个触 变 充型过 程 中 ， 充填 速 度变 化 不 大 ， 压 力 出现 波 动 以保 证 稳 定 的充填速度 ， 它 的波动 范 围与 浆料粘 度 、 速度 以及 铸 件结构 等 因素有 关 致 密 化 阶 段 半 固态 浆料 充 填完 成 后 ， 浆 料 充 填速 度 很 快 降 为零 ， 液 压 系 统 持 续 增 压 ， 增 大 比压 的作用 是增 大半 固态成 形 压 力 ， 使 半 固 态 铸 件 局 部 存在 疏松 的 部位 进 一 步 致 密 化 当介 时 ， 该 单元 为满 单 元 当。 时 ， 该 单 元 内有流 体 ， 但 又没 充满 ， 有 自由表 面 由此 可 见 ， 只 有计 算 出每个 单元 的 值 就 可 确 定 半 固态浆料 在任 一 时刻 的流 动状 态 表 观粘 度 方 程 叩 叮， 粉 夕 一‘ 宕一 丫翩 ’·嚼 ’ ， 模拟计算基 本方程 半 固态 合 金 充 型 过 程 流 动 属 于 带 有 自由表 面变粘性不可 压 缩非稳 态 流 动 描述 半 固态 合 金 流 动 方程 主要 有 质 量 守恒 方程 、 动 量 守恒 方程 、 能量 方 程 以及 体 积 函数方 程 质 量 守恒 方 程 连 续性 方程 单 元 ， ， 在 方 向运 动 时 ， 受 到 相 邻 单 元 ，， 解 ， ， ， 一 ， ， ， ， ， 一 ， 的粘滞 阻碍 作 用 ， 单 元 间 的相 互位 置 如 图 所 示 为此 ， 首 先 计 算 单 元 ， ， 与 相 邻 单元 的应 变 梯度 在此 基础 上 ， 利用 式 计 算单 元 的剪 切速 率 将剪切 速 率 代 入 表 观 粘 度 的数 学表 达 式 中 ， 并藕合 在 式 动 量 守恒 方 程 中 鲁嚼 十餐 一 动 量 守恒 方程 方 程 奈 需 十 一 嚼 摧 够 十，嚼 十分噜 哥一 令合啥 哥 十射还会导令 哥 豁 丫 哥枷餐 一 兴， 下会唱笋令 ， ， ， 一 ， ， ， ， ， ， ， 一 图 流 体 单元 示 意 图 能量 守恒 方 程 灭万 一 刃无 一 ’ 下即 ’ 。 母 刁 、 刁 。 刁 、 刁 。 刁 、 胃尸一 几，衣一 十，不下一 几 布于一 十一石产一 人一巧万一 口 口少 口 口 口 」 式 中 ， ， ， 表 示 三 个 坐 标 方 向 的 速 度 分 量 备 肠 ， 乡 ， 为三 个 方 向的重 力加速 度 分量 尸为流 域 内 网格单元 ，’， 的压 力 为体积 函数 厂为 ’， ， 处 浆料温 度 ， ， 几 ， 为浆 料 的密 度 、 比热 容 、 导 热 系数 及 运 动粘 度 体 积 函数方 程 自由表 面 控 制 方 程 自由边 界 条件 在 半 固态触 变 充 型 过程 的模拟 计 算 中 ， 将 自 由表 面 压 力设 为环 境 压 力 自由表 面速 度 求解 则通 过相 邻 网格单 元 已 知速度插值 而 得到 ， 待 自 由表 面单元 充满后 ， 其真 实速度 大小和 方 向有 压 力和速度迭代 计 算而 给出 为 了避 免模糊 的半 固 态 充 型 前 沿 ， 采 用 边 界 条 件 函 数 ， 计 算控制 单 元 中心 的压 力 。 一 帆一 责艺只 一凡巩 式 中六 为表 面 单 元 的流 体体积 分 数 ， 为相 邻 满 单 元 的个 数 ， 为相 邻 满 单元 的压 力 ， 为环 境 压 力 ， 为表 面 单元 中心 压 力 刁 刁 一，厂，十封，可一 十 ，可一一十林卜二犷一 ‘ 二 气兮 ， 大 用 法 处 理 自由表 面 时 ， 采 用 来描 述 整 个 半 固态 流 场 的流 动 域 的 定 义 为 介单 元 内 流 体 的体积 单元 体 积 簇 簇 当介 时 ， 该单 元 为空 单 元 ， 没 有 流 体 半 固 态 浆料 充填 压 力变化特 征 以平 板 作 为 模 拟 对 象 ， 其 轮 廓 尺 寸 为 ， 质 量 为 三 维实体和 三 维 网格 划 如 图 所 示 ， 网格 单 元 尺 寸 为 ‘

Vol.26 No.3 杨卯生等：金属材料触变充填及其压力变化特征的模拟 ·257· 半固态金属在充填成形过程中，其流态基本 为层流，它的主要影响因素为流量、流速以及粘 度.由于半固态触变充型时间较短，其降温很小， 温度变化对粘度影响很小，在充型过程中，剪切 速率对粘度影响显著.半固态浆料粘度较液态金 属要大，在大的剪切速率的作用下，半固态浆料 表观粘度出现明显下降趋势.液态金属在充型过 程很难控制其流态保持为层流，相比液态金属压 铸，半固态触变是以大流量、低速度、全壁厚流态 图3三维实体与网格剖分图（板件） 瞬时充满模具型腔，从而保证气体按顺序排出， Fig.3 3-D solid mold and FDM grid model drawing 提高制件的内在质量 图4显示了半固态板件以2m/s充填速度进 行充型时，铸件入口处压力随充型时间的变化规 5半固态铸件模拟计算结果 律.从图中可以看到，为保证稳定的入流速度，克 服浆料不断增加的流动阻力和浆料压头的影响， 51半固态铝合金轮件触变充型模拟 铝轮铸件（包括浇口）质量约896g,零件轮廓 压力在2.02-2.14MPa范围内出现了增长趋势的 尺寸为中160mm×20mm,实体造型与网格剖分结 波动，波动的幅度为5% 果如图6所示，单元尺寸为3mm×3mm×3mm,全 图5显示了充填速度为2m/s时，平板铸件入 部计算单元总数为1.23×10个.该件成形的难点 口处液态金属压力随充型时间的变化规律.相比 为图6所示的A处浆料不容易充填.特别当充型 半固态浆料，液态金属粘度较小，金属充填的粘 时间长而引起的温度下降，更容易在该处造成气 滞阻力较小，图中压力值表明，在充型过程中，当 孔和冷隔等铸造缺陷.为此，选取合适的入流速 充型量达到80%以前，压力从1MPa持续增长到 度和模具温度是成形的关键.半固态压铸系统压 1.013MPa,增长幅度较小.当充型量达到80%时， 力为10t,计算采用浇口面积为4.69cm,入流速度 由于金属绕着型腔外缘流动并封住排气道将在 为1.3m/s.模拟计算充型过程如图7所示，充型过 内部造成大量卷气。进一步充填时，压力有明显 增高趋势 程的开始阶段，如图7(a)所示，半固态呈层流流 2.2 动平稳充填轮毂部分，接触顶面没有发现飞溅现 2.1 象.图7b)显示，当充型量达到50%时，浆料沿幅 2.0 板流动充填：当充型完成80%时，如图7()所示， 1.9 幅板完全充满，浆料沿轮缘合龙并最后充填A 1.8 处，直到整个铸件全部充满，模拟结果显示，整个 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 充型过程平稳没有浆料飞溅，充型时间为0.55s. 充型时间/s 浆料最大降温处为0.83℃，因此A处不产生冷隔 图4不同充型时刻的压力变化（半固态） 缺陷.浆料流动前沿呈全壁厚充填. Fig.4 Simulation results of pressure as a function of filling 52半固态平板钢件的触变充型模拟 time(semisolid alloy) 图8展示了液态钢水充填平板件的充型过 1.2m 程.由于钢的密度约为铝合金的3倍，在反重力 1.1 充填中，充填阻力增大且液流侧面扩展较为明 1.0 显.图8（©）显示了液流分为三部分，一部分继续 出 0.9 上升并出现飞溅，另两部分向侧下旋转流动，增 0.8 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 加了下部出现气孔缺陷的可能.整个充填时间为 充型时间/s 0.38$,最大降温约为6℃.图9展示了半固态平板 图5不同充型时刻的压力变化（液态金属） 钢件的充填过程.同样液流侧面扩展较为明显， Fig.5 Simulation results of pressure as a function of filling 但界面很快趋于平坦，当充型量完成80%，浆料 time (molten alloy) 基本以平界面流动前沿进行充填，直到全部充满

一 杨 卯生 等 金 属 材料触 变充填及 其压 力 变化 特征 的模 拟 ， 图 三 维 实体 与 网 格 剖分 图 板 件 · 一 图 显 示 了半 固态 板 件 以 耐 充 填 速 度 进 行 充 型 时 ， 铸件 入 口 处 压 力 随充 型 时 间 的变 化 规 律 从 图 中可 以看 到 ， 为保证 稳 定 的入 流 速度 ， 克 服 浆料 不 断增 加 的流 动 阻 力和 浆料压 头 的影 响 ， 压 力 在 一 范 围 内出现 了增 长 趋势 的 波 动 ， 波 动 的幅度 为 图 显 示 了充填 速 度 为 时 ， 平 板 铸 件入 口 处液 态 金 属 压 力 随充 型 时 间 的变 化 规 律 相 比 半 固态 浆料 ， 液 态 金 属 粘 度 较 小 ， 金 属 充 填 的粘 滞 阻 力较小 ， 图 中压 力值 表 明 ， 在 充 型过程 中 ， 当 充 型量 达 到 以前 ， 压 力 从 持 续 增 长 到 ， 增 长 幅度 较 小 当充 型量 达 到 时 ， 由于 金 属 绕 着 型 腔 外 缘 流 动 并封 住 排 气 道 将 在 内部造 成 大 量 卷 气 进 一 步 充 填 时 ， 压 力有 明显 增 高趋 势 『 一一 一 一 一－ － 一 一 半 固态 金 属 在 充 填成 形 过程 中 ， 其 流 态基 本 为层 流 ， 它 的主 要 影 响 因素 为 流 量 、 流 速 以及 粘 度 由于 半 固态 触 变 充 型 时 间较 短 ， 其 降温很 小 ， 温度 变 化 对 粘 度 影 响很 小 ， 在 充 型 过 程 中 ， 剪 切 速 率对 粘度 影 响显 著 半 固态浆料 粘度 较 液 态 金 属 要 大 ， 在 大 的剪切 速 率 的作 用 下 ， 半 固态 浆料 表 观 粘度 出现 明显 下 降趋 势 液态金 属在 充 型过 程 很难 控 制 其流 态 保持 为层 流 相 比液态 金 属 压 铸 ， 半 固态触 变 是 以大 流 量 、 低 速度 、 全 壁 厚流态 瞬 时充满 模具 型 腔 ， 从 而 保 证 气 体 按顺 序 排 出 提 高 制 件 的 内在 质 量 充 型 时 间 图 不 同 充型 时刻 的压 力变化 半 固态 充型 时间 图 不 同 充型 时刻 的压 力变化 液态 金 属 打 半 固 态 铸 件 模 拟 计 算 结 果 半 固 态铝 合 金 轮件 触 变 充型 模 拟 铝轮铸件 包 括浇 口 质 量 约 ， 零 件轮廓 尺 寸 为中 “ ， 实 体造 型 与 网格 剖 分 结 果如 图 所 示 ， 单 元 尺 寸 为 ‘ ， 全 部计 算单 元 总 数 为 “ ，个 该 件 成 形 的难 点 为 图 所 示 的 处 浆 料 不 容 易 充填 特 别 当充 型 时 间长 而 引起 的温度 下 降 ， 更 容 易在 该 处造 成 气 孔 和 冷 隔等铸 造 缺 陷 为此 ， 选 取 合 适 的入 流 速 度 和 模 具温度 是成 形 的关键 半 固态 压 铸 系 统 压 力 为 ， 计 算采用 浇 口 面积 为 时 ，入 流速度 为 耐 模拟 计 算 充 型 过程 如 图 所 示 ， 充 型 过 程 的开 始 阶段 ， 如 图 所 示 ， 半 固态 呈 层 流 流 动 平 稳 充填 轮毅 部 分 ， 接触 顶 面 没有 发现 飞溅 现 象 图 显 示 ， 当充 型 量 达 到 时 ， 浆料 沿 幅 板 流 动 充填 当充 型 完 成 时 ， 如 图 所 示 ， 幅板 完 全 充 满 ， 浆 料 沿 轮 缘 合 龙 并 最 后 充 填 处 ， 直 到 整个铸件 全 部 充满 模拟 结果 显 示 ， 整个 充 型 过程 平 稳 没 有 浆 料 飞 溅 ， 充 型 时 间 为 浆 料 最 大 降温处 为 ℃ ， 因此 处 不 产 生冷 隔 缺 陷 浆 料 流 动 前 沿 呈 全 壁 厚 充 填 半 固 态 平板 钢 件 的触 变 充 型 模 拟 图 展 示 了液 态 钢 水 充 填 平 板 件 的充 型 过 程 由于 钢 的密 度 约 为铝 合 金 的 倍 ， 在 反 重 力 充 填 中 ， 充 填 阻 力增 大 且 液 流 侧 面 扩 展 较 为 明 显 图 显 示 了液 流 分 为三 部 分 ， 一 部 分 继 续 上 升 并 出现 飞 溅 ， 另 两 部 分 向侧 下 旋转 流 动 ， 增 加 了下 部 出现气 孔缺 陷 的可 能 整个 充 填 时 间为 ， 最 大 降温 约 为 ℃ 图 展 示 了半 固态 平 板 钢 件 的充 填 过 程 同样液 流 侧 面 扩 展 较 为 明显 ， 但 界 面 很 快趋 于 平 坦 ， 当充型 量 完成 ， 浆料 基 本 以平 界面 流 动前沿 进 行充填 ， 直 到全 部充满 ，︸ ︸ 只、层国﹄ 胜 … … 二 … … ，，二 白芝曰只、图

-258。 北京科技大学学报 2004年第3期 图6半固态轮件实体造型和FDM网格模型 Fig.6 Solid mold and FDM grit model of semisolid wheel casting (a)充型10% b)充型30% (⊙)充型50% (d充型80% 图7半固态铸件的充填流场模拟结果 Fig.7 Filling simulation results of semisolid aluminum casting 图8液态钢件的充填流场模拟结果（充填速度2m9) Fig.8 Filling simulation results of melted steel casting (the filling velocity:2 m/s) a)充型10% (b)充型30% c)充型50% (d)充型80% 图9半固态钢件的充填流场模拟结果（充填速度2m9) Fig.9 Filling simulation results of semisolid steel casting (the filling velocity:2 m/s) 型腔，整个充填过程平稳，充填时间为038s,最 大降温为6℃，与铝合金相比，尽管金属熔体充填 形态类似，但在充型过程中，钢的降温幅度明显 加大。 钢的半固态触变成形技术的工程化具有两 大障碍：一是成形材料温度高所导致的模具寿命 低：二是钢的温度高而引起的成形过程迅速降 温，直接导致表观粘度增大而造成铸件缺陷， 5.3刹车泵体铸件模拟与成形 径向 轴向 实体造型如图10所示，图中的P点为压力计 算位置点，图中箭头表示为径向、轴向入流方向， 图10半固态铸件实体造型 网格单元尺寸为3mm×3mm×3mm,单元总数为 Fig.10 Solid mold of semisolid casting

Vol.26 No.3 杨卯生等：金属材料触变充填及其压力变化特征的模拟 ·259 115056个.压室面积为150mm×80mm,浇口面积 结果一致，图13显示了采用径向入流工艺所制 为15cm,入流速度为1.4m/s.图11显示了以径向 作的刹车泵体半固态成形件，从图中可以看出， 入流方式充填的刹车泵体件入口处P点半固态 A、B处成形良好，轮廓清晰 浆料压力随充型时间的变化规律，从图中可以看 到，在充型时间为0.02s左右时，由于入流截面的 突然扩大，减小了浆料充填阻力，压力出现了下 刹车泵 降.此后，为了保证稳定的入流速度并克服浆料 不断增加的流动阻力和浆料压头的影响，压力在 一定范围内出现了持续增长趋势的波动，波动的 入流口 幅度不大，大约为5%.等到充型量为80%左右 时，铸件顶部已经充满，浆料水平充填俦件两端， 料饼 减少了充填阻力，此时压力不再增加 图12显示了以轴向入流方式充填的刹车泵 图13铝合金半固态铸件 体件入口处P点半固态浆料压力随充型时间的 Fig.13 Photograph of semisolid aluminum easting 变化规律.从图中可以看到，开始充填直到充型 6 结论 量完成80%左右，为了保证稳定的入流速度并克 (1)金属材料半固态触变充型过程具有层流 服浆料不断增加的流动阻力和浆料压头的影响， 流动特征，充型压力主要克服浆料流动阻力及重 压力在一定范围内出现了持续增长趋势的波动， 力，其变化趋势为持续缓慢增加，增加幅度约为 波动的幅度大约为5%.在充型时间为0.23s左右 5% 时，由于入流截面的突然扩大，减小了浆料充填 (2)钢的半固态由于熔点高，在成形过程中降 阻力，压力出现了下降，但下降的幅度不大， 温幅度约为6℃左右，降温将增加浆料的固相分 对径向与轴向入流工艺分别进行压铸实验， 数，增大表观粘度而导致铸件产生缺陷 结果表明，采用径向入流工艺工艺出品率低，但 (③)半固态刹车泵体铝合金件充填过程压力 成形质量较为稳定，没有出现浇不足的缺陷，而 模拟与成形结果表明，径向入流工艺的成形阻力 轴向入流则由于充填阻力较大，提高入流速度所 较小，制件具有较好的成形质量. 产生的效果不大，上述模拟计算结果与实际成形 参考文献 2.2 2.1 1 Flemings M C,Johnson W L.High viscosity liquid and 2.0 semi-solid metal casting:Processes and Products [A].Pro- 1.9 ceedings of the 65th World Foundry Congress [C]. 1.8 Gyeongju,2002 0.00 0.40 0.80 0.12 2 Chen J Y,Fan Z.Modeling of rheological behavior of 充型时间/s semisolid metal slurries,Part 1-Theory [J].Material Sci 图11不同充型时刻的压力变化.P点，径向入流 Technol,.2002,18(3):237 Fig.11 Simulation results of pressure as a function of filling 3 Burgos G R,Andreas N A,Vladimir E.Thixotropic rheo- time.Spot P,filling in radial direction logy semisolid metal suspensions [J].J Mater Process 2.2 Technol,,2001,110:164 2.1 4崔成林，毛卫民，赵爱民，半固态触变压射成形过程 2.0 模拟与验证[.北京科技大学学报，2001,23(3)：237 出 1.9 5 杨卯生，徐宏，毛卫民，铝合金半固态触变充型过 1.8 程的计算机模拟月.北京科技大学学报，2002,24 0.00 0.10 0.20 0.30 (2):181 充型时间/s 6 Shen YK,Liu JJ,Chen C T.Comparison to the results for 图12不同充型时刻的压力变化P点，轴向入流 semisolid and plastic injection molding process [J].Int Fig.12 Simulation results of pressure as a function of filling Commun Heat Mass Transfer,2002,29(1):97 time.Spot P,filling inaxial direction (下转第276页)

杨 卯生 等 金 属材 料触变充填及 其 压 力变化特征 的模拟 · 个 压 室 面 积 为 巧 ‘ ， 浇 口 面 积 为 巧 耐 ， 入 流 速 度 为 可 图 显 示 了 以径 向 入 流 方 式 充 填 的刹 车 泵 体 件 入 口 处 点 半 固态 浆料 压 力 随充型 时 间 的变化 规 律 ， 从 图 中可 以看 到 ， 在 充 型 时 间 为 左 右 时 ， 由于 入 流 截 面 的 突然 扩 大 ， 减 小 了浆 料 充 填 阻 力 ， 压 力 出现 了下 降 此 后 ， 为 了保 证 稳 定 的入 流 速度 并 克 服 浆 料 不 断增加 的流 动 阻 力和 浆料 压 头 的影 响 ， 压 力 在 一 定范 围 内出现 了持续 增长趋势 的波动 ， 波 动 的 幅度 不 大 ， 大约 为 等 到 充 型 量 为 左 右 时 ， 铸件顶 部 已 经 充 满 ， 浆料 水 平 充填铸 件 两 端 ， 减 少 了充 填 阻 力 ， 此 时压 力不 再 增加 图 显 示 了 以轴 向入 流 方 式充 填 的刹 车 泵 体 件 入 口 处 点 半 固态 浆 料 压 力 随充 型 时 间 的 变 化 规 律 从 图 中可 以看 到 ， 开 始 充填 直 到 充 型 量 完成 左 右 ， 为 了保 证 稳 定 的入 流 速 度 并 克 服浆 料 不 断增 加 的流 动 阻 力和 浆 料 压 头 的影 响 ， 压 力在 一 定 范 围 内出现 了持 续增 长 趋 势 的波动 ， 波 动 的幅度 大 约 为 在 充 型 时 间 为 左 右 时 ， 由于 入 流 截 面 的突 然 扩 大 ， 减 小 了浆 料 充 填 阻 力 ， 压 力 出现 了下 降 ， 但 下 降 的幅 度 不 大 对 径 向与轴 向入 流 工 艺 分 别 进 行 压 铸 实 验 ， 结 果 表 明 ， 采 用 径 向入 流 工 艺 工 艺 出 品率 低 ， 但 成 形 质 量 较 为稳 定 ， 没 有 出现 浇 不 足 的缺 陷 ， 而 轴 向入 流 则 由于 充填 阻 力较 大 ， 提 高入 流速 度 所 产 生 的效果 不 大 上 述 模拟 计 算 结果 与 实 际成 形 结 果 一 致 图 显 示 了采 用 径 向入 流 工 艺所 制 作 的刹 车 泵 体 半 固态 成 形 件 ， 从 图 中可 以看 出 ， 、 处 成 形 良好 ， 轮 廓 清 晰 ‘ 广 一 － ’ 卜‘ ， －一 只、国﹄︺式招 充 型 时 间 图 不 同 充型 时刻 的 压 力 变化 点 ，径 向入 流 · 代 ， 】 图 充型 时 间 不 同 充型 时刻 的压 力变 化 点 ，轴 向入 流 · ， 桩 图 铝 合金 半 固 态 铸 件 结 论 金 属 材 料 半 固态 触 变 充 型 过程 具 有层 流 流 动特 征 ， 充 型 压 力主 要 克服 浆料 流 动 阻 力及 重 力 ， 其 变 化 趋 势 为持 续 缓 慢 增 加 ， 增 加 幅度 约 为 钢 的半 固态 由于熔 点高 ， 在 成 形 过程 中降 温 幅度 约 为 ℃ 左 右 ， 降温 将 增 加 浆 料 的 固相 分 数 ， 增 大表 观 粘 度 而 导 致 铸件 产 生 缺 陷 半 固态 刹 车 泵 体铝 合 金 件 充 填 过 程 压 力 模拟 与成 形 结果 表 明 ， 径 向入 流工 艺 的成 形 阻 力 较 小 ， 制 件 具 有 较 好 的成 形 质 量 参 考 文 献 ， 一 认 自 ， ， ， 一 ， ， 民 ， 而 ， ， 崔成 林 ， 毛 卫 民 ， 赵 爱 民 半 固态触 变压 射成 形 过程 模拟 与 验证 北 京科技 大 学 学 报 ， ， 杨 卯生 ， 徐宏 ， 毛 卫 民 铝 合 金 半 固态触变 充型 过 程 的计 算机 模拟 闭 北 京科技 大学学报 ， ， ， ， 工 【 ， ， 下 转 第 页 ，︸，‘ 今︸入 白芝时只、田