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毕 业 设 计 （论 文 ）译 文英文题目英文题目英文题目英文题目：语题目：汉语题目：汉语题目：关于铍铜金属沉淀钢双金属模具在高压压铸 中 的 应用学学学学院：院：院：院：机械工程学院专业年级：专业年级：专业年级：专业年级：机械设计制造及其自动化 09级姓姓姓姓名：名：名：名：王坚刚班级学号：班级学号：班级学号：班级学号：机电 09导教师：指导教师：指导教师：翟继敬 裴永存二二二二一三一三一三一三年年年年四四四四月月月月二十八二十八二十八二十八日日日日1关于铍铜金属沉淀钢双金属模具在高压压铸中的应用作者 ： 2009年 9月 17日 /接受 :2010年 6月 15日 /在线发表 :2010年 6月 28日斯普林格出版社伦敦有限公司 2010摘要 ： 在高压压铸模具中 ， 冷却时间严重影响总的循环时间 。 当导热系数起决定作用时 ， 较高导热系数的材料做的模具就会很快将铸件的热量传出来 ， 这样就缩短了循环时间 ， 提高了生产效率 。 本文提出一种新方法来替代传统模具钢 ， 这种钢材由铍铜合金做成 ， 表面用激光熔覆技术做了保护层 ， 新方法是金属粉末直接沉积在高压压铸铝合金型腔的表面 。 研究包括 ， 研究 用铍铜做的合适钢层厚度 ， 看孔隙度 ， 硬度 ， 铜含量和铜粒子 形状 。结果从电子显微镜和能谱仪中显示 金属晶相 完全致密的钢层铜合金 。 有限元传热分析得出的结果是 ， 与整体式钢模具相比双金属钢模具展示了优越的传热性能。 关键字 ：双金属模具，压铸模具，刚强度铜合金，激光熔覆，压压铸是一个高容量的制造过程，包括 精密 尺寸公差，表面抛光 等 复杂细节 。它们具有高的经济影响 ， 会引起铸件生产的效率 。 周期时间是压铸件的一部分 ， 是收益盈亏的关键因素 。 铸件的冷却和凝固时间虽然被多重因素影响决定 ， 周期时间对其起着很大的影响 。 在最近几年 ， 从每次的冷却分析中得到了一些信息 ， 技术作为压铸行业的优先因素决定着冷却时间。型腔和铸件表面的传热系数也影响着凝固过程 。 几项研究已经开展了来研究界面传热系数和它的影响 。 虽然界面阻力和传热系数对凝固过程有重要的影响 ， 但最重要的控制因素是模具材料的导热率 。 一个较高导热率的模具材料能够显著地缩短周期时间并且可以增加生产效率 。 通过缩短周期时间 ， 铜合金已经在塑料注射模具制造中取得了重大的进展 。 但是铜合金模具不能直接用在高压铝压铸中去 ， 因为熔融的铝和铜合金之间有很强的化学亲和力 。 带有保护层的双金属高强度铜合金可以解决这个问题。一些研究人员通过不同的方法研究了这种可能性 ， 并且取得了不同程度的成功。一组研究人员尝试用电弧喷涂方法制造一种双金属材料 ，他们得出结论在厚度一定的条件下 ， 高孔隙度导致了较差的表面处理效果 。 其它的研究指出 ， 发明更高导热率的模具材料集中到 他们已经聚焦到混合铜和刚中来了 。 这个包括了从 这种方法基于层制造技术 ， 通过计算机辅助设计技术 ， 用激光器来烧结或融化 一层一层制造出来的。这种用选择性的激光烧结（ 直接金属激光再熔融（ 术，是 此，决定最后空间部分的结构式不一样的 。 成品件不是很密集的 ， 有许多几何形状要求 ， 要从复杂的结构中去除未烧结粉末 。 这个将会增加热裂的风险 ， 并且使材料显著地变弱 。2在他的实验中 ， 铜富有层最上层是整个应用的最不理想部分 。 另外重要的困难是铜和钢的联系 ， 他们的部分是可溶解的并且得到了不同的熔点 。 这些问题可被克服 ， 用直接 金属沉淀的方法（ ， 一个激光熔覆工艺，可以直接从 得到功能齐全的金属零件制作。 进程包括高功率的激光光线在固体表面制造一个融化槽将金属粉末被注入其中。图 1原 理示 意图图 1展示了一个简单的 过程允许单个的材料或者多个部分的制造 。 激光融粉和融合它到基片上创建一个完全致密 、 冶金声音珠 。 通常 50%覆盖这些组织 ， 这样连续的层就被制造出来 。 在这个过程中铍金属成分和工具有利于制造出各种铸造法的优势 。 这篇文章呈现了一个调查研究 ， 应用 于铜合金基材 。 这篇文章得到的结果是 ，金相组织 ， 铜含量 ， 孔隙度 ， 钢层沉淀的厚度来选择合适的层厚度在铜基材上被用在高压压铸中应用 。 有限元分析也证实得出 ， 与传统的模具钢相比 ， 双金属模具的散热速度比较快。 2实验工作图 2图 2展 示 了 一 个 安 装 在 这台机器由美国的精密光学制造公司提供 。 这个机器已经被用于使 由 大利亚 )有限公司提供钢粉末 。 澳大利亚）公司提供高强度的铍铜合金钢 强度的铍铜合金和工具粉 末 分 配 系 统 反 馈 装喷嘴激光基材粉 末 分 配 系 统 反 馈 装 置喷 嘴 工 作 台控 制 面 板3钢 学 成 分 分 别 列 在 表 1和 表 2中 。 图 3中 展 示 了 4个 不 同 厚 度 的 样 品 分 别为 的工具钢粉末 ， 由高强度的铍铜合金基材中产生 。 所有样品的 参 数 在 整 个 沉 淀 工 艺 中 保 持 不 变 。 激 光 束 的 功 率 为 3000W， 它 产 生 一 ， 的焊珠并且射出的每一个焊珠与前一个 50%的重叠 。 4组样品都有 25 25的表面区域 。 钢粉末粒子的尺寸在 90106 m 之间 。 从这些样品的横切面可以观察到金相组织和孔隙度在横切面和沉淀层的上表面 ， 然后用细钻石抛光机抛光至 1 m 。 最总 ， 零件用氯化铁和 2%硝酸侵蚀液侵蚀来得到精确的表面显能谱分析 （ 微 结 构 。 图 4显 示 的 是 侵 蚀 样 品 横 截 面 和 抛 光 层 的 表 面 ， 用 电 子 显 微 镜（ 扫描和能谱分析 。 所有的电子显微图像由 能谱分析用 学仪器公司制造。硬度由 表 1钢 的化 学成 分成 份 i o 组 成 %5%余 验室首先考虑的是研究铜合金在沉淀层的分布 。 图 5显示覆盖层的电子显微图像，铜作为圆形的颗粒围绕在工具钢的周围。图 度的样品显示大圆形的铜粒子包覆在钢基下。在高温高压下，严重影响沉淀层的机械性能。图 5 的 尺 寸 随 层 厚 度 的 增 加 而 减 少 ， 微 粒 穿 过 整 个 表 面 是 分 散 的 。 这 后 面的原因是 覆盖层是一层一层形成的 ， 工艺参数决定每一层的厚度 。 在实验中 ， 钢和厚度为 一层结合 。 在第一层 ， 越多的铜来接触熔化的钢 ,由于它在 液 体 状 态 钢 中 的 低 溶 解 度 ， 铜 作 为 圆 形 粒 子 包 埋 在 层 中 间 。 在 图 6中 能 量 色 散 谱( 化顶部表面的 层的内容，显示随着层厚度的增加 ,铜 含量减少 。 图 7中 ， 在顶部的 由于铜不断减少 ,连续沉淀层中上一层得到的铜粒子融化 ,在下一层中分布为细颗粒。 表 2学 成分成 分 o+组 成 个实验另外观察的是检验表面上的孔隙度 。 图 8显示了沉淀层孔隙度的性质 。电子显微镜确定隐藏在海绵中的孔 ， 密度较低在顶面 沉淀层变得4更加致密 ,孔隙度摆脱了 ,沉积层厚度的增加的影响 。 由于铜更高的热导率 ,传递热从上表面到基材其他部位 ， 产生的第一层造成融化池池不完全融化 。 前一沉淀层的形成之后 ， 为下一层预先加热 ， 这样就会形成完整的熔体池 ， 生成合理的沉淀层 。 这个结果 也 可 以 形 象 地 显 示 样 品 在 中 的 过 程 。 高 空 隙 层 不 适 合 用 在 高 压 压 铸（ 程中，和恶劣的环境有关。而且会影响成品表面的光洁度。 一 个 样 品 表 面 的 硬 度 都 被 测 量 了 。 除 淀 层 外 ， 其 它 沉 淀 层 的 几 乎 一样 。 图 9显 示 了 硬 度 的 变 化 ， 淀 层 硬 度 超 过 600比 其 它 沉 淀 层 硬 度 高30其它沉淀层的硬度低于 600在激光覆溶过程中 ， 由于薄壁层的快速冷却导致了剩余应力的堆积。图 3用 在 铜基 材上 堆积 的不 同厚 度的 钢层图 4用 电子 显微 镜和 光谱 分析 仪分 析的 试样 件的 横截 面和 上表 面4有限元热传递分析 有限元热传递分析提出 ， 双金属模具在高压模具中显示出更高的热传导性 。 比较双 金 属 模 具 瞬 态 热 响 应 ， 这 些 模 具 由 完 全 相 同 的 钢 做 成 ， 在 完 全 相 同 的 压铸条件下。分析中，模具由高强度的铍铜合金 热系数高，并且能够承受严酷的 环 境 。 表 3显 示 比 较 钢 和 不 同 等 级 的 铜 合 金 （ H、 H） 的 物 理 特性 ， 可 能 用 来 作 为 高 压 压 铸 模 具 的 材 料 。 从 表 中 可 以 得 到 ， 铜 铍 合 金 和 传 统 的m m 厚5且具有最高的抗拉强度适合做高压压铸模具 。图 10a和 了 用 高 强 度 的 铜 合 金 做 成 的 双 金 属 模 具 ， 并 且 模 具 的 型 腔 有 沉淀层厚度。模具设计是为了得到 130 30 5格的铝铸件。这个 模 具 长 200 宽 100 高 40 包 括 位 于 分 界 面 下 27 直 径 为 10于模具是对称的，只考虑模具的一半。 这个软件能够模拟不同的热载荷下稳态和瞬态分析 。 在这个分析中 ， 瞬态热分析已经被用作在给定的热负荷温度下模具的温度随时间变化情况 。 图 1a和 模具钢划分出 39881个节点和 23459个单元 ， 双金属模具实体结构被自动地划分为 40194个节点和 23656个单元 。 划分网格中相关中心和中间介质光滑连接 。 边界条件用热通量作为型腔表面的热量输入 ， 对流系数是冷却通道将铸件和模具的热量带出 。 采用 他使用了 决定了最适合的温度 ， 测量温度和温度场 ， 用未知的表面热通量来估算一维平面的导热方程。图 5电 子显 微镜 下的 不同 厚度 钢层 中铜 颗粒 的分 布 a： m b： 合 适的 铜颗 粒较 大的 铜颗 粒钢 层6图 6钢 层上 表面 不同 组织 的光 谱分 析图 a： m b： 不 同钢 层厚 度铜 含量 的比 较铜 含量 的定 量分 析不 同厚 度的 钢层铜含量的百分比7图 8电 子显 微镜 下的 不同 厚度 钢层 的上 表面 图像 a： m b： m c： 钢 层硬 度的 变化多 孔减 少的 海绵 状钢 基体海 绵 状 的 钢 基体高 密度 的钢 层钢 层硬 度的 变化显微硬度钢 层厚 度8表 3所 选模 具材 料的 性能图 10带 有型 腔和 冷却 系统 的双 金属 模具 （ a） 和钢 模具 （ b）图 1划 分网 格之 后的 双金 属模 具（ a） 和钢 模具 （ b）22.,. = 式（ 1）式中， T 给定位置和时间下的温度；t 时间；x 距离模具表面的距离； 模具温度的扩散率 其中 ， k 模具的导热系数 模具密度 c 模具的比热容 ） 。瞬态热通量，模具表层的 1） ，材 料 洛 氏硬 度 （ 导 热系 数（ W/m 2 ） 换 热系 数（ 10 ） 抗 拉强 度 （ 13工 具钢 456 7200 104 2800 580 130 709= 式 （ 2）表 面 换 热 系 数 已 经 通 过 的 方 程 3被 估 算 出 来 ， 在 循 环 的 管 道中热传递通过湍流来进行，表面换热系数未 9917W/m 2 。式 （ 3）2500 125000,100式中， 热传导系数；k 冷却剂（水）的导热系数；D 冷却通道的直径；雷诺数；普朗特数。真结果显示 ， 对于一个给定的凝固时间双金属模具冷却铸件的效率比传统模具高 。 通 过 他 们 的 实 验 指 出 在 铸 件 冷 却 之 后 模 具 表 面 的 温 度 减 少 到150200 。图 12a和 从图中 ， 可以注意到 ， 在凝固过程中为 174 时模具表面的温度 。 图 13描述了 ， 模具的瞬态热方式 ， 和双金属模具的全部凝结过程 。 对于两个模具 ， 温度上升到最大值 ， 然后减少到脱模温度 。 钢模需要 双金属模具只 需 要 以 达 到 这 个 温 度 。 这 意 味 着 对 于 铸 件 部 分 来 说 ， 双 金 属 模 具 的 冷 却时间与传统的钢模比较明显降低。图 12钢