通過優(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)剛一開始就會帶來危害：鑄件缺陷導(dǎo)致功能故障。開發(fā)周期越來越短增加了缺陷出現(xiàn)的風(fēng)險。因此，我們越來越需要使用虛擬鑄件和工藝開發(fā)來提前減少風(fēng)險。
雖然現(xiàn)在精準(zhǔn)預(yù)測縮孔已成為汽車行業(yè)鑄造廠的標(biāo)準(zhǔn)之一，然而對某處熱裂的預(yù)測仍處于起步階段。盡管現(xiàn)在可以預(yù)測某些關(guān)鍵區(qū)域，但預(yù)測的熱裂缺陷數(shù)量通常超過實際發(fā)生的數(shù)量。因此，作為工藝開發(fā)的一部分，仍然須在試驗階段進行熱裂缺陷的預(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發(fā)過程中熱裂缺陷的產(chǎn)生。
在凝固過程中，由于冷卻速率不均，應(yīng)力會在鑄件中產(chǎn)生。在達到固相線溫度之前，當(dāng)應(yīng)力超過了材料的抗拉強度，就會產(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促進熱裂的產(chǎn)生。
圖1：熱裂形成的主要因素
合金的凝固行為對于形成熱裂缺陷有重要影響。一般來說，當(dāng)高于固相線溫度，顯微組織就會表現(xiàn)出脆性行為。即使是因熱收縮受阻而產(chǎn)生的很小的機械應(yīng)變也會導(dǎo)致熱裂。如果合金的凝固溫度區(qū)間較小，則通常可以通過流動液態(tài)金屬液補縮熱裂。但是，如果合金的凝固溫度區(qū)間較大，液態(tài)流動會在早期受到密集的枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的阻礙，不能補縮已經(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)可以計算在凝固冷卻階段的任意時間點熱裂缺陷結(jié)果。當(dāng)液態(tài)金屬液無法通過枝晶間縫隙的結(jié)構(gòu)進行補縮時-評估局部應(yīng)變率是計算熱裂判據(jù)的重要參數(shù)。同時也考慮到了熱裂傾向隨著凝固時間的增加而增加。
可以使用測試鑄件對熱裂判據(jù)進行調(diào)整和驗證：鑄造不同長度的測試棒，這些測試棒厚壁區(qū)域在凝固過程中收縮受阻（圖2）。導(dǎo)致在厚壁和薄壁過渡區(qū)域的應(yīng)變最高，而且應(yīng)變的大小隨測試棒的長度增加而變大，因此，最短的測試棒顯示了具有最低的熱裂傾向，而最長的測試棒顯示了具有最高的熱裂趨勢。
圖2:熱裂樣本裂紋敏感性計算
測試證實了模擬結(jié)果。最短的測試棒在任何測試中均未出現(xiàn)裂紋，而最長的測試棒在每個測試中均產(chǎn)生裂紋。與模擬結(jié)果相比，測試棒僅在一個位置出現(xiàn)裂紋，因為一旦第一個裂紋發(fā)生，應(yīng)力立即被釋放消除。
利用熱裂判據(jù)，以便在早期識別出關(guān)鍵區(qū)域。該應(yīng)力計算考慮了模具對鑄件的收縮阻礙，即使目前模擬計算能力強大，此模擬計算過程也非常耗時。為了減少所需的計算時間來優(yōu)化鑄造工藝，比如更改現(xiàn)有鑄件的冷卻系統(tǒng)。Martinrea Honsel開發(fā)了一種方法：通過使用非常簡化的模型對容易發(fā)生熱裂的部位進行定性風(fēng)險評估。此優(yōu)化結(jié)果的通用性可以通過使用常規(guī)的熱裂缺陷預(yù)測（基于全應(yīng)力計算）來驗證。
這個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，使用MAGMASOFT®應(yīng)力模擬來重現(xiàn)熱裂發(fā)生的部位（圖3）。
圖3: 使用MAGMAstress預(yù)測曲軸箱的熱裂
Martinrea Honsel使用簡化的熱裂判據(jù)（SHC：Simplified Hot tear Criterion）評估了發(fā)生熱裂部位的凝固時間與受冷卻系統(tǒng)影響部位的凝固時間的差異。使用MAGMASOFT®的評估區(qū)域功能和“用戶結(jié)果”來生成和評估判據(jù)。
冷卻的啟動時間作為工藝變量，最小化SHC和縮孔作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化計算后的主效應(yīng)圖（圖4）顯示冷卻時間為153秒時，SHC顯著降低。在此之后較晚的冷卻啟動時間，SHC沒有明顯的改善。
圖4: 冷卻啟動時間對熱裂傾向（SHC）和縮孔風(fēng)險的影響
相反，如預(yù)期，隨著冷卻時間的增加，所選區(qū)域的縮孔會增加。從133秒及更長的冷卻啟動時間開始，縮孔沒有進一步的顯著增加。因此，在優(yōu)化熱裂和縮孔這兩個目標(biāo)之間存在典型的“目標(biāo)沖突”。顯然，最優(yōu)解的唯一可能的時間窗口是93到133秒。
驗證結(jié)果
為了驗證優(yōu)化結(jié)果，大約在最佳窗口時間范圍的中間選擇了啟動時間，并進行了常規(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)化后的冷卻時間基礎(chǔ)上進行的鑄造試驗，關(guān)鍵部位既無熱裂也無縮孔。
該例子清晰地說明了基于應(yīng)力的熱裂預(yù)測與簡化模型的有效組合，可以有效地分析不同的變量，從而可以識別鑄件中存在風(fēng)險的部位，并識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: 評估不同冷卻時間對熱裂風(fēng)險的影響，并在實踐中驗證
自創(chuàng)始以來，Martinrea Honsel一直堅持延續(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詞。多年來，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)公認的產(chǎn)品研發(fā)和批量生產(chǎn)的合作伙伴。該集團在德國、西班牙、巴西、墨西哥和中國的工廠生產(chǎn)用于乘用車和商用車的發(fā)動機、變速箱、懸掛裝置、底盤以及機械工程和其他應(yīng)用的鋁部件。
