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半固态铝合金流变压铸充型及凝固过程数值模拟
摘要
本文介绍了半固态铝合金流变压铸充型及凝固过程的数值模拟。通过研究半固态铝合金的物理性质和加工工艺，设计出了流变压铸实验方案，采用计算流体力学软件对充型及凝固过程进行模拟，分析了不同工艺参数对铝合金的成型质量和性能的影响。结果表明，采用半固态铝合金流变压铸工艺可有效提高零件内部的致密度和机械性能，同时也能减少缩孔和裂纹等缺陷出现的概率。本文的研究成果可以为工程师和研究人员提供理论参考和实践指导。
关键词：半固态铝合金；流变压铸；充型；凝固过程；数值模拟
Abstract
Thispaperintroducesthenumericalsimulationoffillingandsolidificationprocessofsemi-solidaluminumalloyrheologicaldiecasting.Bystudyingthephysicalpropertiesandprocessingtechnologyofsemi-solidaluminumalloy,therheologicaldiecastingexperimentschemewasdesigned.Thefillingandsolidificationprocessweresimulatedbyusingcomputationalfluiddynamicssoftware,andtheeffectofdifferentprocessparametersontheformingqualityandperformanceofthealuminumalloywasanalyzed.Theresultsshowedthatthesemi-solidaluminumalloyrheologicaldiecastingprocesscouldeffectivelyimprovethedensityandmechanicalpropertiesoftheparts,andreducetheprobabilityofdefectssuchasshrinkageandcracks.Theresearchresultsofthispapercanprovidetheoreticalreferenceandpracticalguidanceforengineersandresearchers.
Keywords:semi-solidaluminumalloy;rheologicaldiecasting;filling;solidificationprocess;numericalsimulation
正文
1.引言
半固态铝合金因具有高的流动能力和良好的成型性能，成为了近年来重要的研究对象。半固态铝合金的流变压铸技术因能够实现高效率的生产和优异的零件性能而备受关注。流变压铸工艺的关键在于充型和凝固过程的控制。在实际应用中，通过数值模拟方法分析充型过程和凝固过程的影响因素，对流变铸造工艺进行优化具有重要意义。
本文基于半固态铝合金流变压铸工艺，采用计算流体力学软件对充型和凝固过程进行数值模拟。本文主要围绕工艺参数对铝合金成型质量和性能的影响研究，包括充型速度、充型温度、模具设计及凝固时间等因素。最后以实验结果为依据，总结出半固态铝合金流变压铸工艺的优点和不足，并提出进一步优化和改进的建议。
2.实验方法
2.1材料
本文采用的半固态铝合金为A356型铝合金，其化学成分含量见表1。
表1A356型铝合金化学成分
元素SiCuMgFeMnNiZnTiSnAl
重量百分比6.5~7.50.15~0.350.25~0.450.150.030.050.10.150.1余量
2.2设备
实验采用流变压铸设备，包括液压机、模具和电炉等。实验过程中，使用了控温水箱、电磁感应加热器和数据采集仪等辅助设备。
2.3实验流程
将A356型铝合金熔体加热至730℃以上，进行搅拌10min左右，然后降温到630℃左右。在此温度下，继续搅拌5min左右，使铝合金的相变状态转变为半固态。随后，将半固态铝合金倒入充型腔中，施加压力，使其填充整个模具，然后等待凝固。在凝固过程中，采用计算流体力学软件对充型及凝固过程进行数值模拟，分析工艺参数对充型过程和凝固过程的影响。
3.数值模拟
3.1模型建立
本文采用计算流体力学软件Fluent建立了充型和凝固过程的数值模型。充型过程的模型分为两个部分：充型腔和注口。在充型腔模型中，采用了广义配位法对流动域进行离散，并采用了标准k-ε湍流模型描述流体的运动。同时，针对铝合金的复杂流动性质，采用了耗散粘性模型对流动域进行描述。
凝固过程的数值模型主要包括铝合金的温度场、固相浓度场和应力场。温度场采用了粘性耗散模型描述流体的传热特性