پارامترهای کلیدی و روشهای بهینه سازی برای طراحی قالب ریخته گری آلیاژ آلومینیوم

چکیده
آلیاژهای آلومینیوم ، با چگالی کم ، مقاومت خاص و مقاومت در برابر خوردگی ، در صنایعی مانند خودرو ، حمل و نقل هوایی ، تولید ماشین آلات و الکترونیک به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. طراحی قالب یکی از مؤلفه های اصلی فرآیند ریخته گری آلیاژ آلومینیوم است و به طور مستقیم دقت بعدی ، کیفیت سطح و راندمان تولید ریخته گری ها را تعیین می کند.

1. مقدمه
ریخته گری آلیاژ آلومینیوم به طور گسترده ای در ساخت قطعات ساختاری سبک مانند بلوک های موتور خودرو ، محفظه های انتقال ، اجزای حمل و نقل هوایی و محفظه های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. با افزایش تقاضای بازار برای بازیگران آلیاژ آلومینیوم با کیفیت بالا ، طراحی قالب سنتی تجربی به تدریج به سمت دیجیتالی شدن ، پالایش و هوشمند سازی تکامل یافته است.
قالب ها نه تنها به طور مستقیم آلومینیوم مذاب را شکل می دهند بلکه باید در برابر فرسایش درجه حرارت بالا ، چرخه خستگی حرارتی و سایش مکانیکی نیز مقاومت کنند. بنابراین ، طراحی مناسب برای کاهش نقص مانند تخلخل ، خاموش شدن سرما و انقباض و گسترش عمر قالب بسیار مهم است.

2. پارامترهای کلیدی در طراحی قالب
2.1 انتخاب مواد قالب
فولادهای قالب مشترک: فولادهای قالب گرم مانند H13 (4CR5MOSIV1) و 8407 (اصلاح شده H13) معمولاً برای قالب های ریخته گری آلیاژ آلومینیوم استفاده می شوند. آنها با مقاومت در برابر حرارت زیاد ، استحکام بالا ، مقاومت در برابر خستگی حرارتی خوب و ماشینکاری مشخص می شوند.
فرآیند عملیات حرارتی: از طریق فرونشاندن و خلوص (خاموش کردن خویشتن داری) ، سختی مناسب برای آلیاژ آلومینیوم (به طور کلی 44-48 HRC) می تواند حاصل شود و از چقرمگی کافی حتی در دماهای بالا نیز اطمینان حاصل می شود.
پارامترهای عملکرد:
هدایت حرارتی: یکنواختی دمای قالب و راندمان خنک کننده را تعیین می کند
ضریب انبساط حرارتی: بر پایداری بعدی قالب تأثیر می گذارد
مقاومت در برابر خستگی حرارتی: از ترک خوردگی ناشی از نوسانات دما جلوگیری می کند
کنترل نقص مواد: برای به حداقل رساندن اجزاء و جلوگیری از منابع ترک ، خلوص فولادی بالا لازم است.
2.2 طراحی سیستم دروازه بان
محل دروازه: مکان مناسب دروازه مسیر پر کردن را کوتاه می کند ، اجزاء اکسید و نقص تخلخل را کاهش می دهد و از خاموش شدن سرد جلوگیری می کند. شکل دروازه و مقطع: از دروازه های پوسته پوسته ، مستطیل یا نیم دایره ای معمولاً استفاده می شود. اندازه مقطع باید با سرعت جریان مایع آلومینیوم مطابقت داشته باشد. دروازه های بیش از حد بزرگ به راحتی می توانند باعث شستشوی شوند ، در حالی که خیلی کوچک به راحتی می تواند تعطیل های سرد را تشکیل دهد.

طراحی دونده و متقاطع: برای جلوگیری از جریان آلومینیوم آشفته ، زمان پر کردن هر حفره باید متعادل باشد. نسبت مقطع به طور معمول 1: 2: 1.5 برای دونده مستقیم: صلیب دونده: دروازه.

زمان پر کردن و کنترل سرعت: در ریخته گری مرده ، زمان پر کردن به طور کلی بین 0.04 تا 0.08 ثانیه کنترل می شود تا اطمینان حاصل شود که حفره به طور کامل با مایع آلومینیومی قبل از جامد پر شده است.

2.3 سیستم خنک کننده و کنترل دما
چیدمان کانال خنک کننده: کانال های خنک کننده باید تا حد امکان در نقاط داغ (مانند دیوارهای ضخیم و در نزدیکی دروازه) قرار بگیرند ، اما باید از تضعیف قالب جلوگیری کنند.

فناوری خنک کننده محلی: درج های هدایت بالا یا لوله های گرمایی می تواند در مناطق ضخیم دیواره برای تقویت خنک کننده و جلوگیری از حفره های انقباض استفاده شود.

تجهیزات کنترل دما: یک کنترل کننده دمای قالب دمای قالب را تثبیت می کند تا از ترک های ناشی از نوسانات بیش از حد دما جلوگیری شود. نظارت بر دما: ترموکوپل ها در مکان های کلیدی برای نظارت بر زمان واقعی و کنترل حلقه بسته نصب می شوند.
2.4 سیستم تهویه و سرریز
طراحی سوراخ دریچه: سوراخ های دریچه به طور معمول 0.30.5 میلی متر عرض و 0.020.05 میلی متر عمق دارند و از تخلیه گاز صاف بدون پاشیدن آلومینیوم مذاب اطمینان حاصل می کنند.
سرریز سرریز: فیلم اکسید و فلز مذاب سرد را جمع می کند که ابتدا وارد حفره قالب می شود و از ورود نقص به ریخته گری اصلی جلوگیری می کند.
فناوری با کمک خلاء: برای ریخته گری های پر تقاضا (مانند قطعات ساختاری خودرو) ، می توان از پمپ های خلاء برای کاهش بیشتر منافذ استفاده کرد.

3. روش های بهینه سازی طراحی
3.1 بهینه سازی بر اساس شبیه سازی CAE
پر کردن شبیه سازی: از نرم افزاری مانند Procast و Magmasoft برای پیش بینی مسیر جریان و توزیع دما آلومینیوم مذاب و بهینه سازی مکان و اندازه دروازه استفاده کنید.
تجزیه و تحلیل جامد سازی: برای جلوگیری از کوچک شدن و لکه های داغ ، توالی جامد سازی را تعیین کنید.
تکرار پارامتر: بر اساس نتایج شبیه سازی ، قطر کانال خنک کننده ، چیدمان و سرعت جریان را تنظیم کنید تا دمای قالب متعادل انجام شود. 3.2 طراحی مؤلفه ماژولار و قابل تعویض
درج های اصلی ، مانند بلوک حفره ، درج ها و بوش های اسپری ، می توانند به صورت جداگانه جایگزین شوند و هزینه تعویض کل قالب را کاهش می دهد.
تعمیر و نگهداری: ساختار مدولار تعمیر سریع ترک ها و مناطق فرسوده را تسهیل می کند و به حداقل می رسد.
3.3 فن آوری سطح و پوشش سطح
نیترایدر: سختی سطح قالب و مقاومت در برابر سایش را بهبود می بخشد و باعث کاهش چسبندگی می شود.
پوشش های PVD/CVD ، مانند TIN و CRN ، مقاومت خستگی حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی را به طور قابل توجهی تقویت می کند.
پولیش سطح و لایه برداری شات: ناهمواری سطح را بهبود بخشید و نقاط شروع ترک را کاهش دهید.

4 مطالعه موردی
به عنوان نمونه از یک قالب ریخته گری برای محفظه موتور خودرو استفاده کنید:
مسائل قبل از بهینه سازی: تخلخل بالا (تقریباً 8 ٪) ، نقص قابل توجهی در بسته شدن سرد و عمر قالب تنها 65000 چرخه. اقدامات بهینه سازی:
موقعیت دروازه تنظیم شده و نسبت مقطع دونده بهینه.
درج های رسانایی با حرارت بالا در مناطق با دیوار ضخیم برای تقویت خنک کننده اضافه شده است.
یک سیستم اگزوز به کمک خلاء را معرفی کرد.
پوشش قلع اعمال شده به سطح حفره.
نتایج بهینه سازی:
تخلخل به زیر 2 ٪ کاهش می یابد. نقص خاموش سرد حذف شد. عمر قالب به 95000 چرخه افزایش یافته است. عملکرد پاس اول محصولات نهایی به 97 ٪ افزایش یافته است. $ $