وضعیت تحقیق و چشم انداز شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد

وضعیت تحقیق و چشم انداز شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد

دوغاب نیمه جامد حالت شکل دهی ریخته گری سنتی را می شکند، می تواند اسفرولیت ها را تشکیل دهد، می تواند به طور موثر عیوب داخلی را کاهش دهد، خواص مکانیکی آلیاژ را بهبود بخشد و دمای شکل دهی پایین تری دارد، شوک حرارتی قالب نسبتاً کوچک است و استفاده از قالب نسبتاً کم است. طول عمر افزایش یافته است. با توجه به ویژگی های مصرف انرژی کمتر، هزینه کمتر و کیفیت بهتر، شکل دهی رئولوژیکی نیمه جامد به تدریج به روند اصلی توسعه فناوری شکل دهی نیمه جامد و ارتقای فناوری تبدیل شده است. فرآیند تشکیل رئولوژیکی نیمه جامد یک فرآیند پیچیده است که شامل تغییرات میدان های فیزیکی مختلف مانند میدان دما، میدان تنش، میدان جریان، میدان سرعت و غیره است. از آنجا که فناوری شکل دهی رئولوژیکی نیمه جامد مزایای بسیاری از روش های ریخته گری سنتی، آهنگری و سایر روش های پردازش را با هم ترکیب می کند، با موفقیت در طراحی و تولید سبک وزن حمل و نقل، هوافضا و سایر زمینه ها استفاده شده است و چشم انداز کاربردی خوبی دارد. فرآیند شکل دهی رئولوژیکی نیمه جامد دارای دمای بالایی است و مشاهده تغییرات داخلی در طول فرآیند آزمایش دشوار است. فناوری شبیه سازی کامپیوتری می تواند برای شبیه سازی فرآیندهای پر کردن و انجماد شکل دهی نیمه جامد استفاده شود. از طریق شبیه سازی کامپیوتری می توان چرخه آزمایش را به طور موثر کوتاه کرد، مصرف مواد را کاهش داد و از خطر آزمایشی جلوگیری کرد. این می تواند قانون تغییر مقادیر میدان فیزیکی دوغاب نیمه جامد را در طول فرآیند تغییر شکل رئولوژیکی و موقعیت ها و انواع عیوب احتمالی در اجزاء را پیش بینی کند، که اهمیت راهنمای مهمی برای طراحی پارامتر فرآیند بهینه و بهینه سازی طرح تغییر شکل رئولوژیکی دارد.

1 وضعیت تحقیق شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی

فرآیند پر کردن فلز نیمه جامد یک فرآیند جریان غیرقابل تراکم و ناپایدار است. در فرآیند پر کردن، زمانی که نسبت فاز جامد بیشتر از 40٪ است، جریان به طور کلی جریان آرام است. در فرآیند پر کردن، معادله کنترل جریان معادله بقای انرژی را اتخاذ می کند. , معادله مومنتوم, معادله پیوستگی, معادله تابع حجم.

SEYBOLDT C و همکاران. از تفاوت نقطه ذوب بین آلیاژهای AlSi7Mg0.3 و AlMgSi1 استفاده کرد و اختلاف دمای بین دو ماده را در دمای 50 درجه سانتیگراد با گرمایش میدان مغناطیسی کنترل کرد. قطعات مفصلی آلیاژهای مختلف به حالت نیمه جامد یکنواخت مخلوط می شوند. از ترکیب آزمایش و روش شبیه سازی عددی ANSYS و برای تهیه دوغاب از روش گرمایش القایی الکترومغناطیسی استفاده شده است. قانون توزیع میدان شایان ذکر است که از آنجایی که فرآیند محاسبه هدایت حرارتی دوغاب، قالب و محیط را نادیده می گیرد، تفاوت آشکاری بین زمان گرمایش محاسبه شده و زمان گرمایش واقعی وجود دارد.

هو نان و همکاران توپی چرخ را به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفت (شکل 1 را ببینید)، و از ProCAST برای شبیه سازی میدان جریان و تغییرات میدان دمایی فرآیند پر کردن دوغاب نیمه جامد تحت کسر جامد بالا (بیش از 40٪) برای کشف قانون استفاده کرد و از روش آزمایش متعامد استفاده کرد. (برای انتخاب عوامل و سطوح مختلف به جدول 1 مراجعه کنید) تا پارامترهای فرآیند ایده آل را بدست آورید. مشخص شد که جریان دوغاب در طول فرآیند پر کردن، آرام بود و هیچ جریان هوا و جریان گردابی وجود نداشت. در همان زمان، حجم عیب داخلی توپی چرخ آلیاژی آلومینیومی کم بود. بازرسی اشعه ایکس نشان داد که نقص در توپی چرخ اساساً برطرف شده است.

شکل 1 نمودار ساختار توپی چرخ خودرو از آلیاژ آلومینیوم

لی دائوژونگ و همکاران توپی چرخ را به عنوان شی تحقیقاتی در نظر گرفت و از ریخته گری فشرده رئولوژیکی نیمه جامد به جای ریخته گری سنتی برای تولید توپی چرخ آزمایشی استفاده کرد (شکل 2 را ببینید). قانون را تحت تأثیر قرار دهد. مشخص شده است که دمای ریخته‌گری دوغاب نیمه جامد بیشترین تأثیر را بر عیوب ریخته‌گری دارد و به دنبال آن سرعت تزریق قرار می‌گیرد و دمای پیش‌گرم کردن قالب کوچک‌ترین است. 225 درجه سانتیگراد است.

(الف) 25% پر شدن (ب) 50% پر شدن (ج) 25% پر شدن (د) 50% پر شدن

شکل 2 فرآیند پر کردن دوغاب نیمه جامد

ژنگ پنگ و همکاران از نرم افزار Flow-3D برای مطالعه فرآیند تولید قطعات میله اتصال ریخته گری رئولوژیکی نیمه جامد آلیاژ آلومینیوم A357 استفاده کرد و فشار تزریق و سرعت تزریق را برای شبیه سازی فرآیند پر کردن و انجماد مطالعه کرد و آزمایش را انجام داد. تایید کنید. نتایج نشان می دهد که با افزایش فشار تزریق و سرعت تزریق، رفتار رئولوژیکی دوغاب نیمه جامد از حالت جریان آرام به حالت جریان آشفته تغییر می کند. در عین حال، با افزایش فشار تزریق و سرعت تزریق، ریخته گری تولید منافذ احتمال نیز افزایش می یابد. سن یائو و همکاران از نرم افزار ProCAST برای شبیه سازی میل لنگ یک موتور دیزلی چهار سیلندر استفاده کرد و از آزمایش های متعامد برای تجزیه و تحلیل تأثیر دمای ریختن، سرعت تزریق و دمای اولیه قالب بر خواص مکانیکی و عیوب ریخته گری استفاده کرد و پارامترهای فرآیند بهینه را به دست آورد: دمای ریختن 625 درجه سانتی گراد، سرعت مولد اولیه 3 و 5 درجه سانتی گراد بود. 400 درجه سانتی گراد گائو کیان و همکاران از ProCAST برای شبیه‌سازی عددی فرآیند تولید آلیاژ آلومینیوم 7075 و هاب چرخ دایکاست ریولوژیکی مواد 4.5% TiB2/7075 استفاده کرد و تأثیر دمای قالب و دمای ریخته‌گری را بر تخلخل ریخته‌گری‌ها مطالعه کرد. نتایج نشان می‌دهد که فرآیند پر کردن ریخته‌گری رئولوژیکی پایدارتر از ریخته‌گری مایع است. تخلخل توپی با کاهش دمای قالب افزایش می یابد، حداکثر شاخص ترک داغ با کاهش دمای ریختن کاهش می یابد و تغییر تخلخل کم است. گائو کیان و همکاران از نرم افزار ProCAST برای شبیه سازی عددی فرآیند تهیه دوغاب نیمه جامد TiB2/7075 از لوله سرپانتین استفاده کرد و دمای مناسب لوله سرپانتین، دمای ریختن و تعداد خمیدگی لوله سرپانتین را بدست آورد. هنگامی که دما 400 درجه سانتیگراد و دمای ریختن 670 درجه سانتیگراد است، دوغاب نیمه جامد به دست می آید. با توجه به پارامترهای فرآیند به‌دست‌آمده با شبیه‌سازی عددی، آزمایش ریخته‌گری فشرده رئولوژیکی انجام شد و ساختار کریستالی کروی خوبی به دست آمد. Guan Renguo و همکاران. از آلیاژهای موجود در حفره رول کفش و حفره قالب به عنوان اهداف تحقیق برای ایجاد یک مدل سه بعدی استفاده کرد و سپس از نرم افزار ANSYS برای تجزیه و تحلیل میدان دما و میدان جریان در فرآیند اکستروژن رئولوژیکی پیوسته آلیاژ منیزیم AZ31 استفاده کرد. شبیه سازی عددی ضربه برای بررسی قانون تاثیر آن انجام شد. برای به دست آوردن دوغاب فلزی نیمه جامد عالی، دمای ریختن 710 ~ 770 ℃ تعیین می شود. هنگامی که آلیاژ در جریان آرام در حفره رول کفش حرکت می کند، هرچه آلیاژ به سطح داخلی رول کار نزدیک تر باشد، سرعت حرکت آلیاژ بیشتر می شود. به منظور بهبود حفره برای عدم یکنواختی سرعت جریان فلز داخلی، زاویه انبساط ترجیحاً 45 درجه است. RAGAB KA و همکاران. از نرم‌افزار شبیه‌سازی Procast برای مطالعه فناوری شکل‌دهی نیمه جامد آلیاژ آلومینیوم A357، طراحی چهار مدل بازوی کنترلی با ساختارهای مختلف، و استفاده از نرم‌افزار ProCast برای شبیه‌سازی و تجسم توزیع میدان جریان و ویژگی‌های انجماد دوغاب فلزی نیمه جامد در جریان شکل‌دهی استفاده کرد. جریان آشفته و نقص انجماد پیش‌بینی می‌شود و یک طرح بهینه‌سازی پیشنهاد می‌شود. ژو بینگ و همکاران از تجهیزات شکل دهی رئولوژیکی جابجایی اجباری خود توسعه یافته برای ساخت دوغاب نیمه جامد آلیاژ آلومینیوم 7075 استفاده کرد، وضعیت ریزساختار دوغاب نیمه جامد را تحت نرخ های مختلف همزدن مشاهده کرد و نتایج عددی را در مورد فرآیند آماده سازی دوغاب نیمه جامد انجام داد. دوغاب نیمه جامد در دستگاه و تأثیر سرعت همزدن بر میدان دما و سرعت فاز جامد دوغاب. مشخص شده است که در فرآیند ساخت دوغاب نیمه جامد، یک حالت همرفت نسبتاً پیچیده در داخل دستگاه رئولوژیکی جابجایی اجباری وجود دارد که به وضوح توزیع میدان دما و نسبت فاز جامد دوغاب را تغییر می‌دهد. مشخص شد که اگر شدت همرفت افزایش یابد، کاهش گرادیان سرد شدن آن و بهبود توزیع دانه‌های اولیه مفید است.

(الف) بردار سرعت محوری (ب) بردار سرعت چرخه ای

شکل 3 توزیع میدان سرعت جریان مذاب آلیاژ آلومینیوم 7075 در دستگاه FCR

DAS P و همکاران. یک مدل سیالات محاسباتی (CFD) برای مطالعه فرآیند پر کردن و انجماد دوغاب نیمه جامد آلیاژ آلومینیوم A356 در یک سیستم ریخته‌گری تحت فشار رئولوژیکی (RPDC) ایجاد کرد. حفره پرکننده مورد استفاده برای قالب آزمایشی با حفره پرکننده بند فرمان خودرو مطابقت دارد. از طریق تجزیه و تحلیل نظری و آزمایش CFD، مدل رئولوژیکی برای شبیه‌سازی CFD تعیین می‌شود. تغییر ویسکوزیته، میدان جریان، توزیع کسر جامد دوغاب در حفره قالب و توزیع میدان دما و میدان فشار در طول فرآیند انجماد در حفره قالب با شبیه سازی عددی کامپیوتری به دست می آید. هدف اصلی این مطالعه تعیین دمای ریختن و شرایط تزریق برای به دست آوردن ریزساختار و خواص مکانیکی ایده آل بود. هو یونگ و همکاران دوغاب نیمه جامد ماده Mg2Si/AM60 را به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفت، شبیه‌سازی عددی فرآیند پر شدن و انجماد آن را انجام داد، عیوب احتمالی را پیش‌بینی کرد و آزمایش‌هایی را روی فرآیند تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد، که یک فرآیند ریخته‌گری رئولوژیکی است، انجام داد. فرآیند داده ها و مرجع فنی را فراهم می کند. نتایج نشان می دهد که: در فرآیند پر شدن فاز مایع، تغییرات فشار نامنظم و نامنظم است و هیچ نظمی برای دنبال کردن وجود ندارد. در حالی که در فرآیند پر کردن نیمه جامد، با حرکت دوغاب نیمه جامد در جهت، فشار تضعیف تدریجی را نشان می دهد. روند تولید فشار برگشتی است که برای پر کردن دوغاب بسیار مفید است. و می تواند به طور موثر حفره های انقباض و تخلخل انقباض را در حالت پر شدن مایع کاهش دهد یا حتی از آن جلوگیری کند. نتایج تجربی اساساً با نتایج شبیه‌سازی سازگار است و تأیید می‌شود که کیفیت شکل‌دهی رئولوژیکی نیمه جامد بهتر از شکل‌دهی مایع است. فانگ یوانمینگ و همکاران از نرم افزار Magmasoft برای شبیه سازی فرآیند پر کردن قالب و انجماد قالب های ریخته گری میله اتصال خودرو آلیاژ آلومینیوم 7075 (نگاه کنید به شکل 4) و بهینه سازی فرآیند شبیه سازی استفاده کرد. بر این اساس، آزمایش های ریخته گری رئولوژیکی نیز انجام شد. مشخص شد که مدل شبیه‌سازی موجود می‌تواند فرآیند پر کردن و انجماد آلیاژ 7075 را تحت پارامترهای مختلف فرآیند ریخته‌گری قالب بهتر منعکس کند. هنگامی که سرعت تزریق (شکل 5 را ببینید) 3 متر بر ثانیه و دمای قالب (نگاه کنید به شکل 6) در 150 درجه سانتیگراد باشد، می توان قطعات ریخته گری بدون نقص یا ناچیز را بدست آورد. با استفاده از پارامترهای فرآیند بهینه سازی شده و شبیه سازی شده، آزمایش های ریخته گری رئولوژیکی و دایکاست معمولی شاتون آلیاژ آلومینیوم 7075 دوباره انجام شد. بافت با ذرات بزرگ، غیر یکنواخت و بی نظم مشخص می شود.

شکل 4 ریخته گری میله اتصال آلیاژ آلومینیوم 7075

(الف) 1 متر · ثانیه · 1 (ب) 2 متر · ثانیه · 1 (ج) 3 متر · ثانیه · 1

(د) 4 m · s - 1

شکل 5 تجزیه و تحلیل مواد پرکننده قطعات ریخته گری با سرعت های تزریق مختلف

(a) 130 ℃ (b) 150 ℃ (c) 170 ℃

(د) 190 ℃

شکل 6. توزیع گرادیان دما در طول انجماد در دماهای مختلف قالب

ژانگ یینگ و همکاران جریان و تغییر شکل دوغاب نیمه جامد را تحت تأثیر نیروی خارجی مورد مطالعه قرار داد (شکل های 7 و 8 را ببینید)، و از نرم افزار Fluet برای شبیه سازی عددی فرآیند ریخته گری و نورد رئولوژیکی آلیاژ منیزیم نیمه جامد AZ3l استفاده کرد. چهار مدل ویسکوزیته مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نقشه نرخ مهاجرت، نقشه توزیع ویسکوزیته و میدان دمایی فرآیند ریخته‌گری آلیاژ منیزیم و انجماد نورد بدست آمد. با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. نتایج نشان می‌دهد که مدل گرانروی حالت پایدار همدما برای شبیه‌سازی انجماد تحت طیف وسیعی از نرخ‌های برشی مناسب است و مدل ویسکوزیته ایده‌آل تحت این شرایط، مدل ویسکوزیته Carreua است.

شکل 7 نمودار مدل ریاضی شکل 8 نمودار تقسیم مش

به طور خلاصه، پس از دهه ها توسعه و اکتشاف، شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد با نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی تا حد زیادی توسعه یافته است. محققان به طور مستقل مدل‌های مختلفی را برای شبیه‌سازی جریان دوغاب نیمه جامد با استفاده از نرم‌افزار تجاری یا بر اساس نرم‌افزار رئولوژی موجود ایجاد کرده‌اند. جهات اصلی تحقیق و توسعه تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد از طریق شبیه سازی کامپیوتری عبارتند از: (1) فشارهای تزریق مختلف، تحت پارامترهای فرآیند مانند سرعت تزریق و دمای ریختن، قانون نفوذ پر کردن دوغاب نیمه جامد و فرآیند انجماد می تواند مشکل ساختار کریستالی کروی و جداسازی بین دانه ها را حل کند. ② شبیه سازی جریان نیمه جامد در میدان جریان و میدان دما در فرآیند تشکیل و پر کردن می تواند محل و شدت جریان آشفته و عیوب فرورفتگی در ریخته گری را پیش بینی کند. 3. از طریق شبیه سازی عددی، مدل های مختلف ویسکوزیته برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود و نرخ برش فرآیند انجماد آلیاژ به دست می آید. شکل، نمودار توزیع ویسکوزیته و میدان دما، برای به دست آوردن بهترین مدل ویسکوزیته. ④از طریق شبیه‌سازی عددی، فرآیند ریخته‌گری می‌تواند بهینه شود و شبیه‌سازی‌هایی که برای نیازهای واقعی تولید مناسب‌تر هستند و به طور شهودی رفتار جریان را در فرآیند جریان چند فازی ارائه می‌دهند، انجام می‌شود. در نتیجه، مرجعی برای فرآیند تولید واقعی برای پیش‌بینی دقیق‌تر فرآیند جریان چند فازی فراهم می‌کند.

2. چشم انداز شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی

مدل های رایج مبتنی بر مکانیک سیالات مدل VOF، مدل مخلوط، مدل اویلر و مدل بخار مرطوب هستند. در سازند رئولوژیکی نیمه جامد، رایج ترین مدل مورد استفاده مدل VOF است که می تواند فرآیند پر شدن مایعات را به طور کامل شبیه سازی کند. شبیه سازی عددی می تواند به طور موثر پر شدن، توزیع منافذ، عیوب، تجزیه و تحلیل ویسکوزیته دوغاب در طول جریان، تنش حرارتی، تغییرات میدان دما و غیره را در طول فرآیند آزمایش شبیه سازی کند، خدمات فنی را برای تولید در مقیاس بزرگ ارائه دهد و می تواند تزریق را بیشتر بهبود بخشد. پارامترهای فرآیند مانند سرعت و دمای ریختن.

با این حال، به دلیل فرآیند پیچیده و متغیر رئولوژی نیمه جامد، تحقیقات مربوطه نسبتا کند است. در حال حاضر، فرآیند تشکیل رئولوژی نیمه جامد هنوز در مرحله نقشه ابری است، که نمی تواند فرآیند جریان خاص ریزساختار دوغاب نیمه جامد را منعکس کند. بنابراین، مدل‌سازی میکروسکوپی دوغاب نیمه جامد کلید تحقیقات آتی است و هنوز کارهای زیادی در این بخش از تحقیق باید انجام شود. با توسعه سریع فناوری شبیه سازی عددی، ایجاد تجزیه و تحلیل داده های پایدار بر اساس شبیه سازی عددی نقش مهمی را در هدایت تولید صنعتی ایفا می کند. به طور خاص، کاربرد گسترده فناوری داده های بزرگ، زبان های جدید مانند PYTHON و ارتقاء نرم افزار مدل سازی سه بعدی می تواند مدل سه بعدی و فرآیند تحلیل شبیه سازی را بهینه کند و پشتیبانی موثری برای شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد ارائه دهد.

فرمت استناد: پی هوانوی، ژانگ شوگو، لیو ژوبو، و همکاران. وضعیت تحقیق و چشم انداز شبیه سازی عددی تغییر شکل رئولوژیکی نیمه جامد [J]. ریخته گری ویژه و آلیاژهای غیر آهنی، 2021، 41 (10): 1264-1268.