铸造模具模流分析
镁合金铸造模拟分析
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此案例为镁合金手机零部件,模具制造之前客户要求必须做铸造模拟分析,镁合金是产业应用中最轻的金属结构材料之一,具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、切削加工和尺寸稳定性等性能,在航空产业和汽车产业中得到广泛应用。近年来,镁合金冶炼技术的发展使材料质量不断进步,成形技术的进步使生产本钱得以下降。变形镁合金所具有良好综合性能,得到了汽车产业、电子等行业的青睐,随着成形技术的日趋完善,其应用远景十分看好。同时,全球各国的大型企业、研究机构大都使用了不同的模拟软件对所要研究和开发的产品、新技术等进行预先的模拟。数值模拟已经成为塑性成形必不可少的一个重要分析方法,为金属塑性成形研究的成功打下了坚实的基础。

一、镁合金薄壁件的加工制造难点(模流分析验证优化模具设计方案合理性尤为重要):

基于以上优异的特性,使镁合金在未来发展中具有很强的优势,更符合当代对环境保护、可持续发展的要求,是取代钢铝材的最佳选择。由于镁金属化学活性大,给镁合金零部件的加工带来一系列的问题,特别是对镁合金薄壁零件的加工上,妨碍了镁合金的推广使用,主要体现在:

(1)燃点低。镁屑性质活泼,燃点仅为640℃,高温下极易燃烧。镁合金切削过程中,镁屑切口处大部分是未氧化的镁和镁合金。由于金属镁属一级遇湿易燃品,着火点及最小引燃能量低,加之切屑薄而小,比表面积大,因此高温环境下在空气中极易燃烧。机械加工时,为充分发挥刀具的切削性能,提高生产效率和工件质量,一般要求较高的切削速度,而高速度的切削往往会使金属切屑的温度高达700℃ ~ 1000℃,当缺乏冷却液的有效供给时,高温将足以引燃镁屑起火。镁屑燃烧温度高,火灾蔓延速度快,扑救难度大。镁一旦发生火灾,其燃烧温度可达3000℃,燃烧热值高达25121 kJ/kg。当镁屑呈粉状

时与空气混合遇火能发生爆炸。此外,由于镁高温时遇水可发生化学反应放出氢气,故金属镁火灾中,水、泡沫、四氯化碳等灭火剂都受到限制,干粉、卤代烷灭火剂的灭火效果亦不明显,扑救难度大。在切削过程中必须考虑温度的影响,以防止切屑燃烧,并在加工中要采取相应的措施和条件才能真正杜绝事故的发生。

(2)工件变形的问题。由于镁的比热高和导热性良好,磨擦产生的热量会迅速地扩散到零件的各个部分,因此,对镁合金进行切削加工时并不会产生较高的温度。但是,在高切削速度和进给量大的情况下,零件所产生的热量也是相当可观的,很可能因为温度过高而发生扭曲变形。另一方面镁具有相当大的热膨胀系数,略高于铝,明显高于钢和铸铁,如果在上述加工条件下产生了相当多的热量,则很可能会影响到零件的加工精度。而且当刀具太钝、进给速度太慢、刀具在加工过程中有停顿以及其它引起零件过度发热的不当操作,都可能造成扭曲变形或翘曲。这就需要在选择加工余量、刀具几何参数、切削用量以及工装夹具的设计、检测方法的选择等方面有很好的措施。 (3)极易产生化学腐蚀。大气环境中,镁和镁合金常温就会发生腐蚀现象。在干燥空气中,镁的表面会生成氧化镁;在湿润环境中,镁的表面的氧化镁会转变成氢氧化镁。大气中的二氧化碳与水形成碳酸,与表面的氢氧化镁反应还会生成碳酸镁。此外,镁合金表面的氢氧化镁还会与大气中的污染物发生反应,例如二氧化硫。这些物质在镁合金外形成了一层表面膜,但是这层表面膜并无法对镁合金起到保护作用。这是由于,这些表面的物质在水中都是可以溶解的,它们不可能起到阻止内部的镁继续与外界发生反应的作用。镁合金在溶液环境中的腐蚀比在空气中更加严重。镁浸泡在自来水中,表面很快就产生了腐蚀坑,这说明自来水中的一些离子对镁的表面膜产生了影响。这种影响会由于空气中的二氧化碳溶入水中,形成的碳酸,而加速了镁的腐蚀速度。因此镁合金在制造上需特别注意,表面防蚀处理上也较其它金属困难。

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