Status da pesquisa e perspectiva de simulação numérica de deformação reológica semissólida

Situação da pesquisa e perspectiva de simulação numérica de deformação reológica semissólida

A pasta semissólida quebra o modo de formação de fundição tradicional, pode formar esferulitas, pode efetivamente reduzir defeitos internos, melhorar as propriedades mecânicas da liga e ter uma temperatura de formação mais baixa, o choque térmico do molde é relativamente pequeno e o uso do molde é relativamente pequeno. A vida útil é estendida. Devido às características de menor consumo de energia, menor custo e melhor qualidade, a conformação reológica semissólida tornou-se gradualmente a principal tendência de desenvolvimento de tecnologia de conformação semissólida e promoção de tecnologia. O processo de formação reológica semissólida é um processo complexo que envolve as mudanças de vários campos físicos, como campo de temperatura, campo de tensão, campo de fluxo, campo de velocidade e assim por diante. Como a tecnologia de formação reológica semissólida combina muitas vantagens da fundição tradicional, forjamento e outros métodos de processamento, ela foi aplicada com sucesso ao projeto leve e à produção de transporte, aeroespacial e outros campos, e tem boas perspectivas de aplicação. O processo de formação reológica semissólida possui alta temperatura e as alterações internas durante o processo de teste são difíceis de observar. A tecnologia de simulação computacional pode ser usada para simular os processos de enchimento e solidificação da conformação semissólida. Através da simulação computacional, o ciclo de teste pode ser efetivamente reduzido, o consumo de material pode ser reduzido e o perigo experimental pode ser evitado. Ele pode prever a lei de mudança das quantidades de campo físico da pasta semissólida durante o processo de deformação reológica e as possíveis posições e tipos de defeitos nos componentes, o que tem um significado orientador importante para o projeto ideal de parâmetros de processo e otimização do esquema de deformação reológica.

1 Status da pesquisa de simulação numérica de deformação reológica

O processo de enchimento de metal semissólido é um processo de fluxo incompressível e instável. No processo de enchimento, quando a proporção da fase sólida é superior a 40%, o fluxo é geralmente laminar. No processo de enchimento, a equação de controle de fluxo adota a equação de conservação de energia. , Equação do momento, Equação da continuidade, Equação da função de volume.

SEYBOLDT C et al. aproveitou a diferença de ponto de fusão entre as ligas AlSi7Mg0,3 e AlMgSi1 e controlou a diferença de temperatura entre os dois materiais a 50 ° C por aquecimento por campo magnético. As partes articuladas de várias ligas são misturadas em um estado semi-sólido uniforme. A combinação do experimento e do método de simulação numérica ANSYS é usada, e o método de aquecimento por indução eletromagnética é usado para preparar a pasta. Lei de distribuição de campo. Vale a pena notar que, uma vez que o processo de cálculo ignora a condutividade térmica da pasta, do molde e do ambiente, há uma diferença óbvia entre o tempo de aquecimento calculado e o tempo de aquecimento real.

Hu Nan et al. tomou o cubo da roda como objeto de pesquisa (ver Figura 1) e usou o ProCAST para simular as mudanças no campo de fluxo e no campo de temperatura do processo de enchimento de lama semissólida sob alta fração de sólidos (maior que 40%) para explorar a lei, e usou o método de teste ortogonal. (Veja a Tabela 1 para a seleção de vários fatores e níveis) para obter parâmetros de processo ideais. Verificou-se que o fluxo da lama era laminar durante o processo de enchimento e não havia entrada de ar e correntes parasitas. Ao mesmo tempo, o volume do defeito interno do cubo da roda em liga de alumínio era pequeno. A inspeção radiográfica descobriu que os defeitos no cubo da roda foram basicamente eliminados.

Figura 1 Diagrama estrutural do cubo de roda de automóvel em liga de alumínio

Li Daozhong et al. tomou o cubo da roda como objeto de pesquisa e usou fundição reológica semissólida em vez da fundição tradicional para produzir o cubo da roda de teste (ver Figura 2). Afetar a lei. Verifica-se que a temperatura de fundição da pasta semissólida tem a maior influência nos defeitos de fundição, seguida pela velocidade de injeção, e a temperatura de pré-aquecimento do molde é a menor. é 225°C.

(a) 25% de recheio (b) 50% de recheio (c) 25% de recheio (d) 50% de recheio

Figura 2 Processo de enchimento de pasta semissólida

Zheng Peng et al. usou o software Flow-3D para estudar o processo de produção de peças de biela de fundição reológica semi-sólida de liga de alumínio A357, e estudou a pressão de injeção e a velocidade de injeção para simular o processo de enchimento e solidificação, e realizou o experimento. verificar. Os resultados mostram que com o aumento da pressão e velocidade de injeção, o comportamento reológico da pasta semissólida muda do estado de fluxo laminar para o estado de fluxo turbulento; ao mesmo tempo, com o aumento da pressão e da velocidade de injeção, a probabilidade de a fundição produzir poros também aumenta. Cen Yao et al. utilizou o software ProCAST para simular o virabrequim de um motor diesel de quatro cilindros e utilizou testes ortogonais para analisar a influência da temperatura de vazamento, velocidade de injeção e temperatura inicial do molde nas propriedades mecânicas e defeitos das peças fundidas e obteve os parâmetros ideais do processo: A temperatura de vazamento foi de 625°C, a velocidade de injeção foi de 3,5m/s e a temperatura inicial do molde foi de 400°C. Gao Qian et al. usou ProCAST para simular numericamente o processo de produção de liga de alumínio 7075 e cubo de roda de fundição reológica de material 4,5% TiB2 / 7075 e estudou a influência da temperatura do molde e da temperatura de vazamento na porosidade das peças fundidas. Os resultados mostram que o processo de enchimento da fundição reológica é mais estável do que o da fundição líquida. A porosidade do cubo aumenta com a diminuição da temperatura do molde, o índice máximo de trinca a quente diminui com a diminuição da temperatura de vazamento e a mudança na porosidade é pequena. Gao Qian et al. utilizou o software ProCAST para simular numericamente o processo de preparação da pasta semissólida TiB2/7075 a partir de um tubo serpentina e obteve a temperatura adequada do tubo serpentina, a temperatura de vazamento e o número de curvas do tubo serpentina. Quando a temperatura é de 400°C e a temperatura de vazamento é de 670°C, uma pasta semissólida pode ser obtida. De acordo com os parâmetros do processo obtidos por simulação numérica, foi realizado o teste reológico de squeeze casting, podendo ser obtida uma boa estrutura cristalina esférica. Guan Renguo et al. utilizou as ligas na cavidade da sapata e na cavidade do molde como objetos de pesquisa para estabelecer um modelo tridimensional e, em seguida, utilizou o software ANSYS para analisar o campo de temperatura e o campo de fluxo no processo de extrusão reológica contínua da liga de magnésio AZ31. Foi realizada simulação numérica do impacto para explorar a lei do seu impacto. Para obter uma excelente pasta de metal semissólido, a temperatura de vazamento é determinada em 710 ~ 770 ℃; quando a liga se move em fluxo laminar na cavidade da sapata do rolo, quanto mais próxima a liga estiver da superfície interna do rolo de trabalho, maior será a taxa de movimento da liga; a fim de melhorar a cavidade. Para a não uniformidade da velocidade de fluxo do metal interno, o ângulo de expansão é preferencialmente de 45°. RAGABKA et al. usou o software de simulação Procast para estudar a tecnologia de formação semissólida da liga de alumínio A357, projetou quatro modelos de braço de controle com estruturas diferentes e usou o software ProCast para simular e visualizar a distribuição do campo de fluxo e as características de solidificação da pasta metálica semissólida durante a formação de fluxo. O fluxo turbulento e os defeitos de solidificação são previstos e um esquema de otimização é proposto. Zhou Bing et al. usou o equipamento de formação reológica por convecção forçada autodesenvolvido para fazer pasta semissólida de liga de alumínio 7075, observou o estado da microestrutura da pasta semissólida sob diferentes taxas de agitação e realizou resultados numéricos no processo de preparação da pasta semissólida A simulação (ver Figura 3) foi conduzida para estudar as características de fluxo da pasta semissólida no dispositivo e a influência da velocidade de agitação no campo de temperatura e na taxa de fase sólida da pasta. Verifica-se que no processo de produção de pasta semissólida, existe um estado de convecção relativamente complexo dentro do dispositivo reológico de convecção forçada, o que obviamente altera a distribuição do campo de temperatura e a proporção da fase sólida da pasta; verifica-se que se a intensidade da convecção for aumentada, será benéfico reduzir o gradiente de seu sub-resfriamento e melhorar a distribuição dos grãos primários.

(a) Vetor de velocidade axial (b) Vetor de velocidade cíclica

Fig. 3 Distribuição do campo de velocidade de fluxo da liga de alumínio 7075 fundida no dispositivo FCR

DAS P et al. estabeleceram um modelo de fluídica computacional (CFD) para estudar o processo de enchimento e solidificação de pasta semissólida de liga de alumínio A356 em um sistema de fundição sob pressão reológica (RPDC). A cavidade de enchimento utilizada para o molde de teste corresponde à cavidade de enchimento da junta de direção do automóvel. Através da análise teórica e experimental de CFD, o modelo reológico para simulação de CFD é determinado. A mudança de viscosidade, campo de fluxo, distribuição da fração sólida da pasta na cavidade do molde e a distribuição do campo de temperatura e campo de pressão durante o processo de solidificação na cavidade do molde são obtidos por simulação numérica computacional. O principal objetivo deste estudo foi determinar a temperatura de vazamento e as condições de injeção para obter microestrutura e propriedades mecânicas ideais. Hu Yong et al. tomou como objeto de pesquisa a pasta semissólida de material Mg2Si/AM60, realizou simulação numérica de seu processo de enchimento e solidificação, previu possíveis defeitos e conduziu experimentos sobre o processo de deformação reológica semissólida, que é um processo de fundição reológica. O processo fornece dados e referências técnicas. Os resultados mostram que: no processo de enchimento em fase líquida, as mudanças de pressão são desordenadas e irregulares, não havendo regularidade a seguir; enquanto no processo de enchimento semissólido, com o movimento da pasta semissólida na direção, a pressão apresenta um enfraquecimento gradual. A tendência é produzir uma contrapressão que seja muito benéfica para o enchimento de polpa; e pode efetivamente reduzir ou até mesmo evitar cavidades de contração e porosidade de contração no estado de enchimento líquido. Os resultados experimentais são basicamente consistentes com os resultados da simulação, e verifica-se que a qualidade da conformação reológica semissólida é melhor que a da conformação líquida. Fang Yuanming et al. usou o software Magmasoft para simular o processo de enchimento e solidificação do molde de peças fundidas de bielas automotivas em liga de alumínio 7075 (ver Figura 4) e otimizou o processo de simulação. Nesta base, experimentos de fundição reológica também foram conduzidos. Verifica-se que o modelo de simulação existente pode refletir melhor o processo de enchimento e solidificação da liga 7075 sob diferentes parâmetros do processo de fundição sob pressão. Quando a velocidade de injeção (ver Figura 5) é de 3 m/s e a temperatura do molde é (ver Figura 6) de 150 °C, peças fundidas sem defeitos ou com defeitos insignificantes podem ser obtidas. Usando os parâmetros de processo otimizados e simulados, os testes reológicos de fundição sob pressão e de fundição sob pressão comum da biela da liga de alumínio 7075 foram realizados novamente. O tecido é caracterizado por partículas grandes, não uniformes e desordenadas.

Figura 4 Fundição sob pressão da biela em liga de alumínio 7075

(a)1m·s-1 (b)2m·s-1 (c)3m·s-1

(d)4m·s-1

Fig. 5 Análise do material de enchimento de peças fundidas com diferentes velocidades de injeção

(a)130 ℃ (b)150 ℃ (c)170 ℃

(d)190 ℃

Figura 6. Distribuição do gradiente de temperatura durante a solidificação em diferentes temperaturas do molde

Zhang Ying et al. estudou o fluxo e a deformação da pasta semissólida sob a ação de força externa (ver Figuras 7 e 8) e usou o software Fluet para simular numericamente o processo de fundição reológica e laminação da liga de magnésio semissólida AZ3l, respectivamente. Quatro diferentes modelos de viscosidade foram analisados, e o mapa de taxa de migração, mapa de distribuição de viscosidade e campo de temperatura do processo de fundição de liga de magnésio e solidificação por laminação foram obtidos. diminuir com o aumento da taxa de cisalhamento. Os resultados mostram que o modelo isotérmico simples de viscosidade em estado estacionário é adequado para simulação de solidificação sob uma ampla faixa de taxas de cisalhamento, e o modelo de viscosidade ideal sob esta condição é o modelo de viscosidade de Carreua.

Figura 7 Diagrama do modelo matemático Figura 8 Diagrama de divisão da malha

Resumindo, após décadas de desenvolvimento e exploração, a simulação numérica da deformação reológica semissólida foi bastante desenvolvida com software computacional de dinâmica de fluidos. Os pesquisadores desenvolveram de forma independente uma variedade de modelos para simular o fluxo de lama semissólida usando software comercial ou baseado em software de reologia existente. As principais direções de pesquisa e desenvolvimento de deformação reológica semissólida por meio de simulação computacional são: (1) Diferentes pressões de injeção. Sob os parâmetros do processo, como velocidade de injeção e temperatura de vazamento, a lei de influência do processo de enchimento e solidificação de pasta semissólida pode resolver melhor o problema da estrutura cristalina esferoidal e da segregação entre os grãos das peças fundidas; ② Simular o fluxo semissólido no campo de fluxo e no campo de temperatura no processo de formação e enchimento pode prever a localização e gravidade do fluxo turbulento e defeitos de afundamento na peça fundida; 3. Através de simulação numérica, diferentes modelos de viscosidade são utilizados para análise e é obtida a taxa de cisalhamento do processo de solidificação da liga. Figura, diagrama de distribuição de viscosidade e campo de temperatura, para obtenção do melhor modelo de viscosidade; ④Através da simulação numérica, o processo de fundição pode ser otimizado e podem ser feitas simulações mais adequadas aos requisitos reais de produção e que apresentam intuitivamente o comportamento do fluxo no processo de fluxo multifásico. Como resultado, fornece uma referência para o processo de produção real para uma previsão mais precisa do processo de fluxo multifásico.

2. Perspectivas de simulação numérica de deformação reológica

Os modelos comuns baseados na mecânica dos fluidos são o modelo VOF, o modelo de mistura, o modelo euleriano e o modelo de vapor úmido. Na formação reológica semissólida, o modelo mais utilizado é o modelo VOF, que pode simular totalmente o processo de enchimento de líquidos. A simulação numérica pode simular efetivamente o enchimento, distribuição de poros, defeitos, análise de viscosidade da lama durante o fluxo, estresse térmico, mudanças no campo de temperatura, etc. durante o processo de teste, fornecendo serviços técnicos para produção em larga escala e pode melhorar ainda mais a injeção. Parâmetros do processo como velocidade e temperatura de vazamento.

No entanto, devido ao processo complexo e mutável da reologia semissólida, a pesquisa relacionada é relativamente lenta. Atualmente, o processo de formação da reologia semissólida ainda está no estágio de mapa de nuvens, o que não pode refletir o processo de fluxo específico da microestrutura da pasta semissólida. Portanto, a modelagem microscópica de chorume semissólido é a chave para pesquisas futuras, e ainda há muito trabalho a ser feito nesta parte da pesquisa. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de simulação numérica, o estabelecimento de análise de dados estável baseada em simulação numérica desempenha um papel cada vez mais importante na orientação da produção industrial. Em particular, a ampla aplicação da tecnologia de big data, novas linguagens como PYTHON e a atualização do software de modelagem 3D podem otimizar o modelo 3D e o processo de análise de simulação e fornecer suporte eficaz para a simulação numérica de deformação reológica semissólida.

Formato de citação: Pei Huanwei, Zhang Shuguo, Liu Xubo, et al. Situação da pesquisa e perspectiva de simulação numérica de deformação reológica semissólida [J]. Fundição Especial e Ligas Não Ferrosas, 2021, 41(10): 1264-1268.