通過(guò)優(yōu)化冷卻控制消除熱裂
生產(chǎn)鑄件成本高昂，在極端情況下，生產(chǎn)剛一開(kāi)始就會(huì)帶來(lái)危害：鑄件缺陷導(dǎo)致功能故障。開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短增加了缺陷出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們?cè)絹?lái)越需要使用虛擬鑄件和工藝開(kāi)發(fā)來(lái)提前減少風(fēng)險(xiǎn)。
雖然現(xiàn)在精準(zhǔn)預(yù)測(cè)縮孔已成為汽車行業(yè)鑄造廠的標(biāo)準(zhǔn)之一，然而對(duì)某處熱裂的預(yù)測(cè)仍處于起步階段。盡管現(xiàn)在可以預(yù)測(cè)某些關(guān)鍵區(qū)域，但預(yù)測(cè)的熱裂缺陷數(shù)量通常超過(guò)實(shí)際發(fā)生的數(shù)量。因此，作為工藝開(kāi)發(fā)的一部分，仍然須在試驗(yàn)階段進(jìn)行熱裂缺陷的預(yù)防。
Martinrea Honsel是一家全球輕金屬零部件供應(yīng)商，也是MAGMASOFT®的老用戶，清晰地示范了如何使用模擬快速減少曲軸箱工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中熱裂缺陷的產(chǎn)生。
在凝固過(guò)程中，由于冷卻速率不均，應(yīng)力會(huì)在鑄件中產(chǎn)生。在達(dá)到固相線溫度之前，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了材料的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生所謂的熱裂（圖1）。鑄件局部壁厚的較大差異，以及剛性型芯或模具引起的收縮受阻會(huì)促進(jìn)熱裂的產(chǎn)生。
圖1：熱裂形成的主要因素
合金的凝固行為對(duì)于形成熱裂缺陷有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)高于固相線溫度，顯微組織就會(huì)表現(xiàn)出脆性行為。即使是因熱收縮受阻而產(chǎn)生的很小的機(jī)械應(yīng)變也會(huì)導(dǎo)致熱裂。如果合金的凝固溫度區(qū)間較小，則通?？梢酝ㄟ^(guò)流動(dòng)液態(tài)金屬液補(bǔ)縮熱裂。但是，如果合金的凝固溫度區(qū)間較大，液態(tài)流動(dòng)會(huì)在早期受到密集的枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的阻礙，不能補(bǔ)縮已經(jīng)形成的裂紋，從而導(dǎo)致熱裂形成。常用于曲軸箱的A226合金具有很大的凝固溫度區(qū)間，因其易產(chǎn)生熱裂的特點(diǎn)被人們所熟知。
盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷
為了分析鑄件關(guān)鍵區(qū)域，應(yīng)力模塊(MAGMAstress)可以計(jì)算在凝固冷卻階段的任意時(shí)間點(diǎn)熱裂缺陷結(jié)果。當(dāng)液態(tài)金屬液無(wú)法通過(guò)枝晶間縫隙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)縮時(shí)-評(píng)估局部應(yīng)變率是計(jì)算熱裂判據(jù)的重要參數(shù)。同時(shí)也考慮到了熱裂傾向隨著凝固時(shí)間的增加而增加。
可以使用測(cè)試鑄件對(duì)熱裂判據(jù)進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證：鑄造不同長(zhǎng)度的測(cè)試棒，這些測(cè)試棒厚壁區(qū)域在凝固過(guò)程中收縮受阻（圖2）。導(dǎo)致在厚壁和薄壁過(guò)渡區(qū)域的應(yīng)變最高，而且應(yīng)變的大小隨測(cè)試棒的長(zhǎng)度增加而變大，因此，最短的測(cè)試棒顯示了具有最低的熱裂傾向，而最長(zhǎng)的測(cè)試棒顯示了具有最高的熱裂趨勢(shì)。
圖2:熱裂樣本裂紋敏感性計(jì)算
測(cè)試證實(shí)了模擬結(jié)果。最短的測(cè)試棒在任何測(cè)試中均未出現(xiàn)裂紋，而最長(zhǎng)的測(cè)試棒在每個(gè)測(cè)試中均產(chǎn)生裂紋。與模擬結(jié)果相比，測(cè)試棒僅在一個(gè)位置出現(xiàn)裂紋，因?yàn)橐坏┑谝粋€(gè)裂紋發(fā)生，應(yīng)力立即被釋放消除。
利用熱裂判據(jù)，以便在早期識(shí)別出關(guān)鍵區(qū)域。該應(yīng)力計(jì)算考慮了模具對(duì)鑄件的收縮阻礙，即使目前模擬計(jì)算能力強(qiáng)大，此模擬計(jì)算過(guò)程也非常耗時(shí)。為了減少所需的計(jì)算時(shí)間來(lái)優(yōu)化鑄造工藝，比如更改現(xiàn)有鑄件的冷卻系統(tǒng)。Martinrea Honsel開(kāi)發(fā)了一種方法：通過(guò)使用非常簡(jiǎn)化的模型對(duì)容易發(fā)生熱裂的部位進(jìn)行定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。此優(yōu)化結(jié)果的通用性可以通過(guò)使用常規(guī)的熱裂缺陷預(yù)測(cè)（基于全應(yīng)力計(jì)算）來(lái)驗(yàn)證。
這個(gè)案例在低壓鑄造的試生產(chǎn)中，重復(fù)發(fā)生曲軸箱的熱裂缺陷，我們把此缺陷作為優(yōu)化的起點(diǎn)，使用MAGMASOFT®應(yīng)力模擬來(lái)重現(xiàn)熱裂發(fā)生的部位（圖3）。
圖3: 使用MAGMAstress預(yù)測(cè)曲軸箱的熱裂
Martinrea Honsel使用簡(jiǎn)化的熱裂判據(jù)（SHC：Simplified Hot tear Criterion）評(píng)估了發(fā)生熱裂部位的凝固時(shí)間與受冷卻系統(tǒng)影響部位的凝固時(shí)間的差異。使用MAGMASOFT®的評(píng)估區(qū)域功能和“用戶結(jié)果”來(lái)生成和評(píng)估判據(jù)。
冷卻的啟動(dòng)時(shí)間作為工藝變量，最小化SHC和縮孔作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化計(jì)算后的主效應(yīng)圖（圖4）顯示冷卻時(shí)間為153秒時(shí)，SHC顯著降低。在此之后較晚的冷卻啟動(dòng)時(shí)間，SHC沒(méi)有明顯的改善。
圖4: 冷卻啟動(dòng)時(shí)間對(duì)熱裂傾向（SHC）和縮孔風(fēng)險(xiǎn)的影響
相反，如預(yù)期，隨著冷卻時(shí)間的增加，所選區(qū)域的縮孔會(huì)增加。從133秒及更長(zhǎng)的冷卻啟動(dòng)時(shí)間開(kāi)始，縮孔沒(méi)有進(jìn)一步的顯著增加。因此，在優(yōu)化熱裂和縮孔這兩個(gè)目標(biāo)之間存在典型的“目標(biāo)沖突”。顯然，最優(yōu)解的唯一可能的時(shí)間窗口是93到133秒。
驗(yàn)證結(jié)果
為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，大約在最佳窗口時(shí)間范圍的中間選擇了啟動(dòng)時(shí)間，并進(jìn)行了常規(guī)的應(yīng)力模擬。所選區(qū)域的縮孔結(jié)果不是很嚴(yán)重，熱裂判據(jù)結(jié)果已經(jīng)比原始情況有了顯著降低。在優(yōu)化后的冷卻時(shí)間基礎(chǔ)上進(jìn)行的鑄造試驗(yàn)，關(guān)鍵部位既無(wú)熱裂也無(wú)縮孔。
該例子清晰地說(shuō)明了基于應(yīng)力的熱裂預(yù)測(cè)與簡(jiǎn)化模型的有效組合，可以有效地分析不同的變量，從而可以識(shí)別鑄件中存在風(fēng)險(xiǎn)的部位，并識(shí)別出具有顯著影響的工藝變量。這樣，可以快速制定出鑄件的質(zhì)量保證措施（圖5）。
圖5: 評(píng)估不同冷卻時(shí)間對(duì)熱裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，并在實(shí)踐中驗(yàn)證
自創(chuàng)始以來(lái)，Martinrea Honsel一直堅(jiān)持延續(xù)性和創(chuàng)新性。該公司創(chuàng)始人Fritz Honsel于100多年前首次提出這兩個(gè)詞。多年來(lái)，該公司多次成功地將客戶的愿望和要求轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新的工藝和產(chǎn)品。如今，Martinrea Honsel已成為汽車行業(yè)公認(rèn)的產(chǎn)品研發(fā)和批量生產(chǎn)的合作伙伴。該集團(tuán)在德國(guó)、西班牙、巴西、墨西哥和中國(guó)的工廠生產(chǎn)用于乘用車和商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、懸掛裝置、底盤以及機(jī)械工程和其他應(yīng)用的鋁部件。
