Forschungsstand und Aussichten für die numerische Simulation halbfester rheologischer Verformungen

Forschungsstand und Perspektive der numerischen Simulation halbfester rheologischer Verformung

Die halbfeste Aufschlämmung unterbricht den herkömmlichen Gussformmodus, kann Sphärolithe bilden, kann interne Defekte effektiv reduzieren, die mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessern und weist eine niedrigere Formtemperatur auf, der Thermoschock der Form ist relativ gering und die Verwendung der Form ist relativ gering. Die Lebensdauer wird verlängert. Aufgrund der Merkmale eines geringeren Energieverbrauchs, geringerer Kosten und besserer Qualität hat sich die halbfeste rheologische Umformung nach und nach zum Haupttrend der Entwicklung und Technologieförderung der halbfesten Umformtechnologie entwickelt. Der Prozess der halbfesten rheologischen Bildung ist ein komplexer Prozess, der die Veränderungen verschiedener physikalischer Felder wie Temperaturfeld, Spannungsfeld, Strömungsfeld, Geschwindigkeitsfeld usw. beinhaltet. Da die halbfeste rheologische Umformtechnologie viele Vorteile traditioneller Guss-, Schmiede- und anderer Verarbeitungsmethoden vereint, wurde sie erfolgreich in der Leichtbaukonstruktion und -produktion in den Bereichen Transport, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen eingesetzt und verfügt über gute Anwendungsaussichten. Der halbfeste rheologische Formungsprozess weist eine hohe Temperatur auf und die internen Veränderungen während des Testprozesses sind schwer zu beobachten. Mit der Computersimulationstechnik können die Füll- und Erstarrungsprozesse der halbfesten Umformung simuliert werden. Durch Computersimulation kann der Testzyklus effektiv verkürzt, der Materialverbrauch reduziert und die experimentelle Gefahr vermieden werden. Es kann das Änderungsgesetz der physikalischen Feldgrößen der halbfesten Aufschlämmung während des rheologischen Verformungsprozesses sowie die möglichen Positionen und Arten von Defekten in den Komponenten vorhersagen, was eine wichtige Orientierungsbedeutung für die optimale Gestaltung der Prozessparameter und Schemaoptimierung der rheologischen Verformung hat.

1 Forschungsstand der numerischen Simulation rheologischer Verformungen

Der Füllprozess von halbfestem Metall ist ein inkompressibler und instationärer Fließprozess. Wenn beim Füllvorgang das Festphasenverhältnis mehr als 40 % beträgt, handelt es sich im Allgemeinen um eine laminare Strömung. Beim Füllvorgang übernimmt die Strömungskontrollgleichung die Energieeinsparungsgleichung. , Impulsgleichung, Kontinuitätsgleichung, Volumenfunktionsgleichung.

SEYBOLDT C et al. nutzten den Unterschied im Schmelzpunkt zwischen AlSi7Mg0,3- und AlMgSi1-Legierungen und kontrollierten den Temperaturunterschied zwischen den beiden Materialien auf 50 °C durch Magnetfelderwärmung. Die Verbindungsteile verschiedener Legierungen werden in einen einheitlichen halbfesten Zustand gemischt. Die Kombination aus Experiment und numerischer ANSYS-Simulationsmethode wird verwendet, und die Methode der elektromagnetischen Induktionserwärmung wird zur Herstellung der Aufschlämmung verwendet. Feldverteilungsrecht. Es ist zu beachten, dass es einen offensichtlichen Unterschied zwischen der berechneten Heizzeit und der tatsächlichen Heizzeit gibt, da der Berechnungsprozess die Wärmeleitfähigkeit der Aufschlämmung, der Form und der Umgebung ignoriert.

Hu Nan et al. nahm die Radnabe als Forschungsobjekt (siehe Abbildung 1) und simulierte mit ProCAST die Strömungsfeld- und Temperaturfeldänderungen des halbfesten Schlammfüllprozesses bei hohem Feststoffanteil (mehr als 40 %), um das Gesetz zu untersuchen, und verwendete die orthogonale Testmethode. (Siehe Tabelle 1 für die Auswahl verschiedener Faktoren und Ebenen), um ideale Prozessparameter zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass die Gülleströmung während des Füllvorgangs laminar war und es weder Lufteinschlüsse noch Wirbelströme gab. Gleichzeitig war das interne Defektvolumen der Radnabe aus Aluminiumlegierung gering. Die Röntgenuntersuchung ergab, dass die Mängel an der Radnabe im Wesentlichen beseitigt waren.

Abbildung 1 Strukturdiagramm einer Autoradnabe aus Aluminiumlegierung

Li Daozhong et al. nahmen die Radnabe als Forschungsobjekt und verwendeten zur Herstellung der Testradnabe halbfesten rheologischen Squeeze-Casting anstelle des herkömmlichen Gießens (siehe Abbildung 2). Beeinflussen Sie das Gesetz. Es zeigt sich, dass die Gießtemperatur der halbfesten Aufschlämmung den größten Einfluss auf Gussfehler hat, gefolgt von der Einspritzgeschwindigkeit, und die Vorwärmtemperatur der Form ist am kleinsten. beträgt 225°C.

(a) 25 % Füllung (b) 50 % Füllung (c) 25 % Füllung (d) 50 % Füllung

Abbildung 2 Füllvorgang von halbfestem Schlamm

Zheng Peng et al. untersuchte mit der Flow-3D-Software den Produktionsprozess von Pleuelteilen aus halbfestem rheologischem Druckguss aus A357-Aluminiumlegierung, untersuchte den Einspritzdruck und die Einspritzgeschwindigkeit, um den Füll- und Erstarrungsprozess zu simulieren, und führte das Experiment durch. verifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit zunehmendem Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit das rheologische Verhalten der halbfesten Aufschlämmung vom laminaren Strömungszustand in den turbulenten Strömungszustand ändert; Gleichzeitig steigt mit steigendem Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Gussstück Poren erzeugt. Cen Yao et al. simulierte mit der ProCAST-Software die Kurbelwelle eines Vierzylinder-Dieselmotors und analysierte mithilfe orthogonaler Tests den Einfluss von Gießtemperatur, Einspritzgeschwindigkeit und anfänglicher Formtemperatur auf die mechanischen Eigenschaften und Fehler von Gussteilen. Dabei wurden die optimalen Prozessparameter ermittelt: Die Gießtemperatur betrug 625 °C, die Einspritzgeschwindigkeit betrug 3,5 m/s und die anfängliche Formtemperatur betrug 400 °C. Gao Qian et al. nutzte ProCAST, um den Produktionsprozess der rheologischen Druckguss-Radnabe aus 7075-Aluminiumlegierung und 4,5 % TiB2/7075-Material numerisch zu simulieren, und untersuchte den Einfluss der Formtemperatur und der Gießtemperatur auf die Porosität von Gussteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Füllprozess beim rheologischen Gießen stabiler ist als beim Flüssigguss. Die Porosität der Nabe nimmt mit abnehmender Formtemperatur zu, der maximale Heißrissindex nimmt mit sinkender Gießtemperatur ab und die Änderung der Porosität ist gering. Gao Qian et al. verwendeten die ProCAST-Software, um den Prozess der Herstellung einer halbfesten TiB2/7075-Aufschlämmung aus einem Serpentinenrohr numerisch zu simulieren, und ermittelten die entsprechende Temperatur des Serpentinenrohrs, die Gießtemperatur und die Anzahl der Biegungen des Serpentinenrohrs. Bei einer Temperatur von 400 °C und einer Gießtemperatur von 670 °C kann eine halbfeste Aufschlämmung erhalten werden. Gemäß den durch numerische Simulation ermittelten Prozessparametern wurde der rheologische Squeeze-Casting-Test durchgeführt und es konnte eine gute kugelförmige Kristallstruktur erhalten werden. Guan Renguo et al. verwendeten die Legierungen im Rollschuhhohlraum und im Formhohlraum als Forschungsobjekte, um ein dreidimensionales Modell zu erstellen, und analysierten dann mithilfe der ANSYS-Software das Temperaturfeld und das Strömungsfeld im Prozess der kontinuierlichen rheologischen Extrusion der Magnesiumlegierung AZ31. Um das Wirkungsgesetz zu untersuchen, wurde eine numerische Simulation des Aufpralls durchgeführt. Um eine ausgezeichnete halbfeste Metallaufschlämmung zu erhalten, wird die Gießtemperatur auf 710–770 °C festgelegt; Wenn sich die Legierung im Walzenschuhhohlraum in laminarer Strömung bewegt, ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Legierung umso größer, je näher sich die Legierung an der Innenfläche der Arbeitswalze befindet. Um den Hohlraum zu verbessern, beträgt der Ausdehnungswinkel aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Innenmetalls vorzugsweise 45°. RAGAB KA et al. nutzte die Simulationssoftware Procast, um die halbfeste Umformtechnologie der Aluminiumlegierung A357 zu untersuchen, entwarf vier Steuerarmmodelle mit unterschiedlichen Strukturen und nutzte die Software ProCast, um die Strömungsfeldverteilung und die Erstarrungseigenschaften von halbfestem Metallschlamm während der Fließumformung zu simulieren und zu visualisieren. Die turbulenten Strömungs- und Erstarrungsfehler werden vorhergesagt und ein Optimierungsschema vorgeschlagen. Zhou Bing et al. verwendete die selbst entwickelte rheologische Formungsausrüstung mit erzwungener Konvektion, um eine halbfeste Aufschlämmung aus einer Aluminiumlegierung 7075 herzustellen, beobachtete den Zustand der Mikrostruktur der halbfesten Aufschlämmung bei verschiedenen Rührgeschwindigkeiten und führte numerische Ergebnisse zum Herstellungsprozess der halbfesten Aufschlämmung durch. Die Simulation (siehe Abbildung 3) wurde durchgeführt, um die Fließeigenschaften der halbfesten Aufschlämmung im Gerät zu untersuchen und der Einfluss der Rührgeschwindigkeit auf das Temperaturfeld und die Festphasenrate der Aufschlämmung. Es wurde festgestellt, dass bei der Herstellung einer halbfesten Aufschlämmung innerhalb der rheologischen Vorrichtung mit erzwungener Konvektion ein relativ komplexer Konvektionszustand herrscht, der offensichtlich die Temperaturfeldverteilung und das Festphasenverhältnis der Aufschlämmung verändert. Es wurde festgestellt, dass es vorteilhaft ist, den Gradienten seiner Unterkühlung zu verringern und die Verteilung der Primärkörner zu verbessern, wenn die Konvektionsintensität erhöht wird.

(a) Axialer Geschwindigkeitsvektor (b) Zyklischer Geschwindigkeitsvektor

Abb. 3 Strömungsgeschwindigkeitsfeldverteilung der 7075-Aluminiumlegierungsschmelze im FCR-Gerät

DAS P et al. hat ein rechnergestütztes Fluidikmodell (CFD) erstellt, um den Füll- und Erstarrungsprozess einer halbfesten Aufschlämmung aus der Aluminiumlegierung A356 in einem rheologischen Druckgusssystem (RPDC) zu untersuchen. Der für die Testform verwendete Füllhohlraum entspricht dem Füllhohlraum des Achsschenkels im Automobil. Durch theoretische Analyse und CFD-Experimente wird das rheologische Modell für die CFD-Simulation bestimmt. Die Viskositätsänderung, das Strömungsfeld, die Feststoffanteilverteilung der Aufschlämmung im Formhohlraum sowie die Verteilung des Temperatur- und Druckfelds während des Erstarrungsprozesses im Formhohlraum werden durch numerische Computersimulation ermittelt. Der Hauptzweck dieser Studie bestand darin, die Gießtemperatur und die Einspritzbedingungen zu bestimmen, um eine ideale Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften zu erhalten. Hu Yong et al. nahm den halbfesten Schlamm aus Mg2Si/AM60-Material als Forschungsobjekt, führte eine numerische Simulation seines Füll- und Erstarrungsprozesses durch, prognostizierte mögliche Defekte und führte Experimente zum halbfesten rheologischen Verformungsprozess durch, bei dem es sich um einen rheologischen Druckgussprozess handelt. Der Prozess stellt Daten und technische Referenzen bereit. Die Ergebnisse zeigen Folgendes: Beim Flüssigphasen-Abfüllprozess sind die Druckänderungen ungeordnet und unregelmäßig und es gibt keine Regelmäßigkeit, der man folgen kann; während beim halbfesten Füllvorgang mit der Bewegung der halbfesten Aufschlämmung in die Richtung der Druck eine allmähliche Schwächung zeigt. Der Trend geht dahin, einen Gegendruck zu erzeugen, der sich sehr positiv auf die Güllefüllung auswirkt; und es kann Lunker und Schrumpfporosität im flüssigen Füllzustand effektiv reduzieren oder sogar vermeiden. Die experimentellen Ergebnisse stimmen im Wesentlichen mit den Simulationsergebnissen überein und es wird bestätigt, dass die Qualität der halbfesten rheologischen Formung besser ist als die der flüssigen Formung. Henry Fang et al. verwendete die Magmasoft-Software, um den Formfüll- und Erstarrungsprozess von Automobil-Pleuelgussteilen aus 7075-Aluminiumlegierung zu simulieren (siehe Abbildung 4) und optimierte den Simulationsprozess. Auf dieser Grundlage wurden auch rheologische Druckgussversuche durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass das vorhandene Simulationsmodell den Füll- und Erstarrungsprozess der 7075-Legierung unter verschiedenen Druckgussprozessparametern besser widerspiegeln kann. Wenn die Einspritzgeschwindigkeit (siehe Abbildung 5) 3 m/s beträgt und die Formtemperatur (siehe Abbildung 6) 150 °C beträgt, können Gussteile ohne oder mit vernachlässigbaren Fehlern erhalten werden. Unter Verwendung der optimierten und simulierten Prozessparameter wurden die rheologischen Druckguss- und gewöhnlichen Druckgusstests der Pleuelstange aus der Aluminiumlegierung 7075 erneut durchgeführt. Das Gewebe zeichnet sich durch große, ungleichmäßige und ungeordnete Partikel aus.

Abbildung 4 Pleueldruckguss aus Aluminiumlegierung 7075

(a)1m·s－1 (b)2m·s－1 (c)3m·s－1

(d)4m·s－1

Abb. 5 Füllmaterialanalyse von Gussteilen mit unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten

(a) 130 ℃ (b) 150 ℃ (c) 170 ℃

(d)190 ℃

Abbildung 6. Temperaturgradientenverteilung während der Erstarrung bei unterschiedlichen Formtemperaturen

Zhang Ying et al. untersuchten den Fluss und die Verformung halbfester Aufschlämmung unter Einwirkung äußerer Kräfte (siehe Abbildungen 7 und 8) und simulierten mithilfe der Fluet-Software den rheologischen Gieß- bzw. Walzprozess der halbfesten Magnesiumlegierung AZ3l numerisch. Es wurden vier verschiedene Viskositätsmodelle analysiert und die Migrationsgeschwindigkeitskarte, die Viskositätsverteilungskarte und das Temperaturfeld des Magnesiumlegierungsguss- und Walzerstarrungsprozesses ermittelt. nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Die Ergebnisse zeigen, dass das einfache isotherme stationäre Viskositätsmodell für die Erstarrungssimulation unter einem weiten Bereich von Schergeschwindigkeiten geeignet ist und das ideale Viskositätsmodell unter dieser Bedingung das Carreua-Viskositätsmodell ist.

Abbildung 7 Mathematisches Modelldiagramm. Abbildung 8 Netzteilungsdiagramm

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die numerische Simulation halbfester rheologischer Verformungen nach jahrzehntelanger Entwicklung und Erforschung mithilfe von Software für numerische Strömungsdynamik stark weiterentwickelt wurde. Forscher haben unabhängig voneinander eine Vielzahl von Modellen zur Simulation des Flusses halbfester Aufschlämmung mithilfe kommerzieller Software oder basierend auf vorhandener Rheologiesoftware entwickelt. Die wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsrichtungen der halbfesten rheologischen Verformung durch Computersimulation sind: (1) Unterschiedliche Einspritzdrücke. Unter den Prozessparametern wie Einspritzgeschwindigkeit und Gießtemperatur kann das Einflussgesetz des halbfesten Schlammfüll- und Erstarrungsprozesses das Problem der kugelförmigen Kristallstruktur und der Entmischung zwischen den Körnern von Gussstücken besser lösen; ② Simulieren Sie halbfeste Strömungen. Das Strömungsfeld und das Temperaturfeld im Form- und Füllprozess können den Ort und die Schwere turbulenter Strömungen und Absinkfehler im Gussstück vorhersagen. 3. Durch numerische Simulation werden verschiedene Viskositätsmodelle zur Analyse verwendet und die Schergeschwindigkeit des Legierungserstarrungsprozesses ermittelt. Abbildung, Viskositätsverteilungsdiagramm und Temperaturfeld, um das beste Viskositätsmodell zu erhalten; ④Durch numerische Simulation kann der Gießprozess optimiert werden und es können Simulationen durchgeführt werden, die den tatsächlichen Produktionsanforderungen besser entsprechen und das Strömungsverhalten im Mehrphasenströmungsprozess intuitiv darstellen. Dadurch liefert es eine Referenz für den tatsächlichen Produktionsprozess für eine genauere Vorhersage des Mehrphasenströmungsprozesses.

2. Perspektiven für die numerische Simulation rheologischer Verformungen

Gängige Modelle, die auf der Strömungsmechanik basieren, sind das VOF-Modell, das Mischungsmodell, das Eulersche Modell und das Nassdampfmodell. Bei der halbfesten rheologischen Bildung ist das am häufigsten verwendete Modell das VOF-Modell, das den Füllprozess von Flüssigkeiten vollständig simulieren kann. Die numerische Simulation kann Füllung, Porenverteilung, Defekte, Viskositätsanalyse der Aufschlämmung während des Fließens, thermische Belastung, Temperaturfeldänderungen usw. während des Testprozesses effektiv simulieren, technische Dienstleistungen für die Großproduktion bereitstellen und die Injektion weiter verbessern. Prozessparameter wie Geschwindigkeit und Gießtemperatur.

Aufgrund des komplexen und veränderlichen Prozesses der halbfesten Rheologie ist die diesbezügliche Forschung jedoch relativ langsam. Derzeit befindet sich der Bildungsprozess der halbfesten Rheologie noch im Stadium der Wolkenkarte, was den spezifischen Fließprozess der Mikrostruktur der halbfesten Aufschlämmung nicht widerspiegeln kann. Daher ist die mikroskopische Modellierung von halbfestem Schlamm der Schlüssel für die zukünftige Forschung, und in diesem Teil der Forschung gibt es noch viel zu tun. Mit der rasanten Entwicklung der numerischen Simulationstechnologie spielt die Etablierung einer stabilen Datenanalyse auf Basis numerischer Simulation eine immer wichtigere Rolle bei der Steuerung der industriellen Produktion. Insbesondere die breite Anwendung der Big-Data-Technologie, neuer Sprachen wie PYTHON und die Aktualisierung der 3D-Modellierungssoftware können den 3D-Modell- und Simulationsanalyseprozess optimieren und die numerische Simulation halbfester rheologischer Verformungen effektiv unterstützen.

Zitierformat: Pei Huanwei, Zhang Shuguo, Liu Xubo, et al. Forschungsstand und Aussichten der numerischen Simulation halbfester rheologischer Verformungen [J]. Spezialguss und Nichteisenlegierungen, 2021, 41(10): 1264-1268.