（机械设计及理论专业论文）间接挤压铸造充型速度研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f 1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r es e a r c ho nf i l l i n gv e l o c i t yo f i n d i r e c ts q u e e z ec a s t i n g c a n d i d a t e ： x i a o f e n gx i n g a d v i s o r ： f u q i a n gy i n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 呵o ft e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 究工作 个人或 机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 研 3 辟 日期：z 67 晖6 月f日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：z o i 晖6 月1 日 日期：( 年参月，日 绎吃 小蔺 砰 浙江工业大学硕士学位论文 间接挤压铸造充型速度研究 摘要 挤压铸造作为一种净终形铸造技术，由于铸件在高压下凝固，具有组织致密、力学性 能优良、尺寸精度高等优点，应用前景广阔。目前国内外学者对于挤压铸造的研究主要集 中在模具设计和挤压力、浇注温度等工艺参数优化方面，很少涉及挤压铸造时充型速度的 研究。而充型速度是引起铸件裹气、夹渣缺陷的主要原因，充填形态对铸件最终质量也有 直接影响。因此对挤铸充型速度进行研究，分析其对挤铸件质量的影响，并在此基础上开 发挤铸机速度控制系统，具有重要意义。论文主要工作如下： 首先，对液态金属充型形态进行分析，得到了充型形态的影响因素和最佳充型速度应 满足的规律，认为采用变速充型比较符合液态金属的充填形态要求。从宏观流体力学角度 分析计算得到射流高度和充型高度的计算公式，并以一平板为例计算得出其最佳的两个充 型速度曲线。 其次，以实际尺寸和工艺方案为依据，建立三维网格模型，设置相应的边界条件，对 不同充型速度下的挤压铸造平板件进行热流耦合计算，对比模拟结果得到最合适的充型速 度，并分析了浇口形状对充型速度的影响和影响充型液面稳定性的因素。 最后，在分析原有三级压射机构弊端的前提下，针对挤压铸造机压射机构速度控制的 特点，确定了以p l c 为核心的控制系统和以电液比例调速阀为核心的液压系统所组成的压 射机构速度控制系统，确定了控制系统的实现方案，设计了液压系统原理图并对硬件进行 了选型。 本文通过对充型速度的理论研究和数值模拟，为间接挤压铸造工艺参数的优化和设备 控制系统的改进提供了依据，对提高铸件产品质量、生产效率以及生产设备的发展起到了 一定的推动作用。 关键词：挤压铸造，充型速度，数值模拟，速度控制 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nf i l l i n gv e l o c i t yo f i n d i r e c ts q u e e z ec a s t i n g a b s t r a c t s q u e e z ec a s t i n g ，嬲an e a rn e t s h a p ec a s t i n gt e c l l l l o l o g y ，h a st l l ea d v a i i t a g e so fc l o s e o r g a n i z a t i o n ，e x c e l l e n tm e c h a i l i c a lp r o p e r t ya n df i r l eg r a i n e d 、析t l le x c e l l e n ts u r f k ef i n i s h b e c a u s eo fs o l i d i f i c a t i o ni sp r o m o t e du n d e rl l i 曲p r e s s u r e t l l es q u e e z ec a s t i n gi sb e i n gm e i m p o r t 觚tm e t h o df o rm a s sp r o d u c t i o no fl l i 曲- 莎a d en o n - f e r r o l l sm e t a lp a r t s a tp r e s e mt 1 1 e s t u d yo fs q u e e z ec a s t i n gi sm a i m yf o c i l s e do nt l l ed e s i 萨o fm o l ds t r u c t u r e ，o p t i i i l i z eo fp r o c e s s p a r a m e t e r ss u c h 舔p r e s s u r e ，p o u r i n gt e m p e r a t u 】呛e t c ，b u tl i t t l er e l a t et ot h e6 l l i n gv e l o c i 哆o f s q u e e z ec a s t i n g ni ss t l j d i e dt h a tt l l ef i l l i n gv e l o c i t ) ri st h em a i nr e a s o no fg a sp o r o s i t y ，烈1 dt h e f i l l i n gs h a p ed i r e c t l y 世i e c t st 1 1 ec a s t i n gq 砌咄t h e r e f o r et l l i sa n i c l em a k e sar e s e a r c ho nt l l e f i l l i n gv e l o c i t yo fs q u e e z ec a s t i n g ，a n a l y z e st h ei i l f l u e n c eo ff i l l i n gv e l o c i 哆o ns q u e e z ec a s t i n g q u a l i 劬a 1 1 dd e v e l o p e dv e l o c 埘c o 曲的ls y s t e mo f h y d r a u l i cp r e s st 0i m p r o v ec a s t i n gq u a l i 够1 1 1 e m a i nt a s k sa r e 弱f o l l o w s ： f i r s t l y ，b a s e do nt 1 1 ea 1 1 a l y s i so ff i l l i n gf o 衄o fl i q u i d m e t a l ，t h ei n n u e n c ef k t o r so ff i l l i n g f o ma i l dt h em l eo fb e s tf i l l i n gv e l o c 时s h o u l ds a t i s 矽i sg o t t h e no b t a i nt l l ef o 咖u l ao fj e t h e i 曲ta 1 1 df i l l i n gh e i 曲tb a s e do nm a c r oh y d r o d y n a m i c s ，a sa i le x 锄p l e 咖f i l l i n gr a t ec u n ，eo f ap l a n ei sc a l c u l a t e d s e c o n d l y ；b a s e do nt h ea c 删s i z ea n dp r o c e s sp r o g n l m s ，e s t l b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n a lg r i d m o d e l ，s e tt h eb o l l i l d a r yc o n d i t i o n s ，t h e nd ot t l ef l o w t 1 1 e n l l a lc o u p l i n gc a l c u l a t i o no nd i 丘e r e n t f i l l i n gv e l o c i t y b yc o m p a r i n gt l l es i m u l a t i o nr e s u l t s ，o b t a i n e dt h em o s t 印p r o p r i a t ef i l l i n g v e l o c 时a i l dt h ea 髓c to fg a t es h a p eo nt h ef i l l i n gv e l o c i 吼 f i n a l l y ，i i la 1 1 a l y z i n gt l l ed r a w b a c k so ft h eo r i g i n a ls h o ts t m c t u l ea i l da j m i n ga tt 1 1 e c h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i 够c o n t r o ls y s t 锄o fs q u e e z ec a s t i n gm a c h i n e s ，t h ec o n t r o ls y s t e ma i l d 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 y d r 砌i cs y s t e ma r ed e t e m i n e d b a s e do nm em e o r e t i c a ls t u d ya l l dn 啪e r i c a ls i m u l a t i o no ff i l l i n gv e l o c i t ) ro ni i l d i r e c t s q u e e z ec a s t i n g ，“sp a p e rp r o v i d e sa r e f e r e n c ef o rp r o c e s sp 黜n e t e r so p t i m i z a t i o na i l dc o n n o l s y s t e mi m p r o v e m e n t ，p l a y ss o m ep a r to n t l l ei m p r o v i n go fc a s t i n gq u a 】i 劬p r o d u c te 伍c i e n c ya n d e q u i p m e n t 锄e l i o r a t i o n k e yw o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，f i l l i n gv e l o c i 坝n 啪e f i c a js 曲u l a t i o n ，v e l o c 畸c o 仰- o l l l l i 1 1 1 。3 3 4 4 。7 一9 1 0 1 0 1 0 1 4 本章小结1 1 第二章间接挤压铸造充型速度理论研究1 2 2 1 金属充型过程的数学模型12 2 1 1 数学模型1 2 2 1 2 数学模型的离散一1 4 2 2 金属液充型形态分析1 5 2 2 1 金属液的充型形态及其特征1 5 2 2 2 充型形态影响因素分析1 6 2 3 充型速度的流体力学分析1 7 2 3 1 射流流动特性17 2 3 2 金属液体充型过程流体力学分析l8 2 4 板件最佳充型速度计算2 0 2 5 本章小结2 3 第三章间接挤压铸造过程数值模拟2 4 3 1 引言2 4 3 2 铸造模拟软件p r o c a s t 介绍2 5 3 3 充型过程中流场数值模拟方法2 5 3 - 3 1 流场计算方法2 6 i v 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 3 6 第四章 4 1 4 2 4 3 3 3 2 自由表面的处理2 6 数值模拟前处理2 8 3 4 1 铸件、模具实体模型建立。2 8 3 4 2 网格划分一2 8 3 4 3 工艺参数确定2 9 3 4 4 保压补缩的设置3 4 数值模拟结果及分析3 4 3 5 1 充型速度对充型形态的影响3 4 3 5 2 液面稳定性分析4 1 3 5 3 浇口形状对充型形态的影响41 本章小结4 7 压射机构速度控制系统方案设计4 8 挤铸机结构4 8 三级压射机构弊端4 8 速度控制系统总体方案设计4 9 4 3 1 速度控制方式一5 0 4 3 2 速度控制系统方案拟定5 2 4 3 3 控制系统总体方案5 3 4 4 速度控制系统液压系统设计5 3 4 5 速度控制系统硬件选型5 5 4 6 本章小结5 7 第五章总结与展望5 8 5 1 总结5 8 5 2 展望5 9 参考文献6 0 致谢6 3 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 4 术，生产出一系列形状复杂、力学性能要求高、工作时需承受气压或油压的铸件。同时在 挤压铸造设备、材料、工装、以及与金属基复合材料、金属半固态成形技术的结合等方面， 国内外学者进行了富有成效的研究，取得了一批研究成果。目前，挤压铸造已成为在汽车、 摩托车、机电、五金工具、冶金、航天、航空等行业大批量生产高档有色金属零件的重要 手段。挤压铸造的主要产品见表1 1 。 表卜l各国生产的主要挤压铸件1 2 】 应用领域零件名称 铝合金活塞，铝合金汽车轮毂，摩托车轮毂，横梁( 十字梁) ，转向节， 汽车受力件下支臂，卡钳，外部卡钳，制动卡钳，a b s 零件，调制器壳体，制动器 主缸，发动机支架 汽车耐压、气密 压缩机涡轮，压缩机零件，动力转向部件，动力转向壳体，油泵，门 性零件锁，多支管，燃料分配管 汽车耐磨件拔叉，连杆，泵壳体，摇臂 电器耐磨件鼓盘驱动器箱体( 影视用) ，主轴衬套，压紧环，影像磁鼓，热板 自行车受力件 曲柄，方向轴，车架接头 其他铝高压锅及炊具，铜合金阀体，洁具件，轴套 1 1 1 挤压铸造的分类 挤压铸造的分类方法很多【3 ，4 1 。按浇注金属的状态可分为：液态金属挤压铸造，半固态 1 浙江工业大学硕士学位论文 金属挤压铸造和复合材料挤压铸造三大类；按所施加压力的大小可分为：低压力挤压铸造 ( 压力小于1 0 m p a ) ，中等压力挤压铸造( 压力在1 0 m p a 1 0 0 m p a ) 和高压力挤压铸造( 压力大 于10 0 m p a ) 。按冲头对合金液施加压力的方向可分为水平挤压铸造和垂直挤压铸造。垂直 挤压铸造按液态金属在铸型中的充型特点可分为直接挤压铸造和间接挤压铸造。 直接挤压铸造如图1 1 所示，其特点是压力由冲头或凸模直接作用在铸件上，加压效 果好，压力损失少，适用于生产壁厚较大、形状简单的铸件，如：活塞、卡钳、主气缸等。 存在的问题主要有【5 j ：( 1 ) 必须精确定量浇入液态金属；( 2 ) 要求铸件向冲头方向单向凝固， 以保证压力的有效传递；( 3 ) 控制冲头的插入过程，以使液态金属以非湍流的方式向上移 动，从而避免氧化夹渣等缺陷；( 4 ) 在提高生产率以及制造形状复杂铸件方面存在一定困 难；( 5 ) 挤压铸造金属模具通常由高质量的模具钢制造，而且要求有足够大的壁厚以经受 高压。 间接挤压铸造如图1 2 所示，其特点是压力通过一个中间的浇道系统间接传递到铸件 内部，从而使得液态金属结晶、凝固、成形。挤压设备通常采用较大的压射筒，压射挤压 活塞可以控制液态金属的射入速度，在注射后期，压射活塞通过浇道对型腔中的金属施加 高压【6 7 1 。其压力损失大于直接挤压铸造，但生产灵活性强，可充分利用压室中液态金属的 热容量，使铸件易于成形，适合生产形状复杂、壁厚差较大、尺寸精度和表面光洁度要求 较高的零件。 上模 ( a ) 浇注 下模 + lp 挤压力 u 图卜1 直接挤压铸造示意图 ( b ) 挤压 ( a ) 浇注 图卜2 间接挤压铸造示意图 ( b ) 挤压 1 1 2 挤压铸造的优点 挤压铸造中液态金属在压力下结晶，由此可以得到挤压铸造的三个优点： ( 1 ) 加大了过冷以及铸件与模具间的传热系数，加快了凝固速度，所得铸件组织均匀、 细化； ( 2 ) 增加了铸件的补缩，消除了铸件缩松缺陷，防止气孔的形成，所得铸件组织致密， 力学性能优良； ( 3 ) 铸件与型腔壁贴合紧密，因而挤压铸件有较高的表面粗糙度和尺寸精度。 1 1 3间接挤压铸造的工艺特点 间接挤压铸造最先由d o e h l e r - s a i s 提出，并在2 0 世纪8 0 年代末在美国和欧洲用于 试制活塞。1 9 9 0 年美国研制出第一台间接挤压铸造设备，随后欧洲和日本采用间接挤压铸 造工艺生产铝合金轮毂。目前，日产、马自达、福特等大型汽车制造商均采用了挤压铸造 工艺，而挤压设备大多是垂直压射间接挤压设型8 1 。 典型的垂直压射间接挤压铸造系统【9 】如图1 3 所示，分为浇注一对准一充型挤压四 步。垂直压射间接挤压与立式压铸极为相似，但两者之间液态金属注入型腔的方式不同。 压力铸造是液态金属在压力的作用下，沿着浇注系统在极短时间内充满型腔，充型速度高、 凝固速度快，极易使铸件形成内部气孔缺陷。而间接挤压铸造是通过冲头将液态金属注入 模膛内，其浇注速度不高，之后冲头加压，使液态金属在压力下凝固。 垂直压射系统与水平压射系统相比具有以下优点：( 1 ) 可消除模具冲头因自重而造成 1 浙江工业大学硕士学位论文 的偏位；( 2 ) 可减小压射时送料空行程距离，缩短压射时间，从而减少金属液在压室卷入 空气的机会，减少金属液在压室的热量流失和氧化；( 3 ) 垂直压射系统中金属液自下向上 充型，可充分排气防止气体卷入。 ( a ) 浇注( b ) 对准( c ) 充型( d ) 挤压 图卜3 垂直压射问接挤压铸造系统示意图 1 2 国内外研究现状 1 2 1 挤压铸造工艺参数的研究 挤压铸造的工艺参数主要包括压力、温度、速度和时间参数。压力参数包括锁模力和 挤压力；速度参数包括充型速度和挤压速度；温度参数包括浇注温度和模具预热温度；时 间参数包括开始加压时间和保压时间。确定合适的工艺参数是获得优质铸件的保障，为此 国内外学者对挤压铸造参数进行了大量的研究，主要集中在挤压力、温度、保压时间三个 方面。 m r g h o m a s h c l l i 【9 】从理论上论证了合金凝固过程中压力的旋加会改变合金相位关系， 从而导致挤压铸件的微观结构和力学性能显著改善，这一结论也得到了实践的验证。 h h u 【1 0 1 认为影响挤铸件质量的挤压铸造参数按重要性排序依次为熔体体积和质量、施 麒闺撇冒 浙江工业大学硕士学位论文 加压力的大小和持续时间、模具温度、浇注温度、加压前的时间延迟和润滑。 p r a s a dk r i s l l n a 【】利用正交实验研究了挤压压力和温度对铝a 3 5 6 挤铸件结晶的影响， 从而推导出铸件和模具间的传热系数。 f a n g y u 【1 2 】通过实验对挤铸过程中温度和压力的变化进行了测量和分析，得到了铸件 内各部分的温度和压力随着时间而变化的曲线图，并借此推导出了传热系数，然后基于有 限差分法建立数学模型，模拟了挤压铸造过程中的充型和凝固过程，得到的冷却曲线、凝 固时间、压力分布等参数与实验数据吻合。 于海朋，朱海青，于宝义等【1 3 】通过正交实验得出了工艺参数对挤压铸造镁合金a z 9 1 d 力学性能影响的结果：对抗拉强度影响显著性主次顺序为：比压，浇注温度，铸型温度和 保压时间；对伸长率影响显著性主次顺序为：比压，浇注温度，铸型温度和保压时间；对 硬度影响显著性主次顺序为：比压，铸型温度，保压时间和浇注温度；对冲击韧度影响显 著性主次顺序为：比压，浇注温度，保压时间和铸型温度。 不可否认，充型速度和挤压速度对挤铸件质量有着重要影响。充型速度即液态金属在 浇道和型腔内流动时的速度。充型速度的快慢决定了液态金属的流动形态，若充型速度过 快而使液态金属出现湍流，会卷入气体，导致缩松；过慢，则液态金属会过早凝固而出现 充不满型。挤压速度即冲头将压力施加于液态金属上的速度，若挤压速度过快，易引起冲 击、涡流，容易卷入气体和氧化皮，产生应力、裂纹、气泡等缺陷；过慢，则液态金属自 由结壳太厚而影响加压效果，产生浇不足、冷隔等缺陷【1 4 】。因此，合理控制液态金属的充 型和挤压速度，是工艺上要解决的重要问题。 邢书明、马静、陈维视【”】通过对挤压铸造过程的凝固、收缩、塑性变形及补缩之间谐 调关系的分析，定义了三个谐调因子：力学因子f ，时间因子o 及速度因子v ，进而提出了 挤压铸造的无缩孔判据。其中一点就是压机的最大压下速度印必须大于或等于制件的收 缩速度风。 晁建兵、符寒光【1 6 】通过高速钢轧辊的挤压铸造实验证明：随着压下速度增加，缩孔 体积明显减小，这是因为压下速度较小时，只能进行部分压力补缩，因此仍然存在缩孔。 压下速度大于1 4 舢1 l s 时，缩孔体积为零。 s w y o u i l ，c g k a n g ，p k s e o 等f 1 7 1 应用计算机模拟技术研究分析了发动机支架挤压 铸造过程中的参数，如填充速度、压力、保压时间等对挤铸件质量的影响，得出了最佳的 模具温度、浇注温度和充型速度，作者认为抗拉强度随着压力的增加而增加，而铸件机械 性能的高低取决于熔融金属冒口处充型速度的大小和保压时间的长短。 浙江工业大学硕士学位论文 英国伯明翰大学的c 锄p b e l lj 教授掣1 8 ，1 9 】的实验研究表明，液态金属充型过程中若存 在喷射、飞溅和剧烈波动等现象，将导致自由表面破裂而使气体和氧化物薄膜卷入金属液 内部。而这种卷气、夹渣现象与铸件内浇口入口速度有很大关系。c 锄p b e uj 教授通过各 种实验手段证实，对一定合金、一定壁厚的铸件，存在1 个临界入口速度，超过这一速度， 铸件的各种机械性能就大幅降低，如图l _ 4 所示。c 锄p b e l lj 确定了几种不同壁厚铝铜合金 铸件的临界入口速度，对铝合金铸件而言，壁厚5 u i l 平板铸件的临界入口速度约为o 5 州s ， 而1 0 眦1 平板铸件的临界入口速度约为o 3 i i l s 。 00 511 5 22 5 入口速度( m s ) ( a ) 5 m m 壁厚铝合金平板铸件 1n 协懂 。 v j n j i - - - 一 - 一 - 一一i - p _ 一i 00 5 11 - 522 5 入口速度( m s ) ( b ) 1o m m 壁厚铝合金平板铸件 图1 4 铸件弯曲强度与充型速度之间的关系【1 8 】 综上所述，目前关于挤压铸造充型速度的研究还不充分，虽然确定了铸件平稳充型的 临界入口速度，但这一速度过低，在实际生产时易导致浇不足缺陷，在铸件充型效率和充 4 3 2 l 0 一弓瑙疆辑静 6 5 哇 3 2 1 0 一芒弓世罂姐静 浙江工业大学硕士学位论文 型效果之间无法取得平衡是导致铸件缺陷的原因，因此有必要对充型速度进行深入研究。 1 2 2 铸造过程数值模拟技术的研究 近年来，随着计算机技术、数值模拟技术以及计算力学和计算传热传质学的迅速发展， 工业发达国家非常注意将最新的三传( 传热、传质和动量传输) 理论应用于工程设计，铸造 领域也不例外。自1 9 6 2 年丹麦f o r s u i l d 第一个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计 算机在铸造工艺研究中得到了广泛应用。从6 0 年代开始的凝固过程数值模拟，8 0 年代初 开始的充型过程数值模拟和铸件应力应变场数值模拟，到9 0 年代兴起铸件微观组织模拟 的研究，数值模拟技术已渗入到铸件形成过程的各个方面。 1 充型过程数值模拟 液态金属的充型过程是铸件成形的第一个阶段，许多铸造缺陷，如卷气、夹渣、浇不 足、冷隔及砂眼等都是在这一阶段产生的，因此对充型过程进行数值模拟非常有必要。目 前，铸造充型过程所使用的数值模拟技术主要有s i m p l e 法，m a c 法、s m a c 法、v o f 法、 s o l a v o f 法等几种。其中s o l a v o f 法是目前充型过程数值模拟中应用最为普遍的方法， s o l a 法用于求解流体的速度场和压力场，v o f 法处理自由表面。 挤压铸造充型过程中金属液的流动通常是紊流流动，紊流模拟必须考虑如下因素： ( 1 ) 充型过程中的紊流是尚未充分发展的紊流； ( 2 ) 在近壁处对紊流模型应作必要的处理； ( 3 ) 紊流模拟不会给计算机带来太大的负担，模拟的准确性与计算量应相互协调。 目前在充型数值模拟过程中多采用k 一双方程紊流模型，对于近壁粘性层，采用壁面 函数法对近壁的网格点的紊动动能和紊动耗散率进行修正。 孙逊、王君卿2 0 1 根据帕坦卡的幂函数方法和传热边界的点热流方法，编制了考虑热对 流和热扩散的铸造过程三维传热数值模拟程序，并与用s o l a v o f 方法编制的计算充型过 程流体流速的程序连接起来，组成球墨铸铁铸造工艺c a d 软件。 清华大学的邱伟、高志强、柳百成【2 1 】等在s o l a v o f 法的基础上改进了三维自由表面 的处理方法，并引入了k 一双方程模型来模拟紊流现象，着重于紊流现象的分析，模拟结 果与验证实验吻合较好。 s e r g e yv s h e p e l 、s 锄u e lp a o l u c c i 等【2 2 1 在对铝合金汽车活塞进行数值模拟时，采用 v o f 法对三维模型的充型过程进行了模拟，在对浇注过程的自由表面处理时，同时引入了 一个体积函数f 来表达被流体充填的网格单元的体积百分比。通过这种方法不仅可以模拟 浙江工业大学硕士学位论文 出充型过程，而且预测出卷气区域的位置，并最终获得跟实验相符合的结果。 清华大学的程万里、熊守美和柳百成等吲对s o l a v o f 算法进行了简化，采用了内 外区域分离简化算法。通过对铝合金轮毂低压铸造充型模拟，验证了该简化算法模型在不 同时刻充型形貌和温度分布与采用非简化算法的模拟结果相吻合。 s a l ( 眦画、t a l ( u y a l 2 4 】提出一种考虑表面张力的充型过程算法，将该算法应用于挤压铸 造和压铸的数值模拟过程，并将模拟结果与试验测定的气孔位置和尺寸进行对比，由数值 计算结果得知，表面张力对型腔中气孔的预测至关重要。此外，提出一个判别在充型过程 中气孔收缩还是扩张的判据并且对其进行了试验验证。 2 凝固过程数值模拟 铝合金铸件在凝固过程中，高温液态金属所含有的热量必须通过各种途径向铸型和周 围环境传递，逐步冷却并进行凝固。铸件凝固过程数值模拟的任务是建立铸件凝固过程传 热的数学模型，并通过数值方法进行求解，从而得到铸件凝固过程的规律，预测铸件缺陷 ( 缩孔、缩松) 产生的可能性及位置。 对于铸件凝固过程的数值技术一般有三种方法：有限差分法( f d m ) ，有限元法( f e m ) 和边界元法( b e m ) 。 清华大学的闻星火、柳百成等【2 5 j 对低压铸造铝合金轮毂的凝固过程进行了模拟。作者 通过建立导热、传热方程和设定相关边界传热系数，考虑了复杂的边界传热现象和凝固过 程中的气隙，最终获得了循环模拟的凝固冷却曲线，并与实际生产结果相吻合。 宋广胜、王承志掣2 6 】采用有限元数值模拟的方法对铝合金活塞凝固过程进行了数值模 拟。作者对数学模型的非线性偏微分方程利用有限元分析法，将其化为非线性代数方程组， 然后用增量法或n 1 n r 法求解。通过对数值模拟结果分析，为活塞铸造实现科学化控制、 提高活塞铸件质量奠定了基础。 a v e i l l ( a c e s a i l 和v m g o p i n a f l l 等【2 7 1 采用有限元法( f e m ) 开发了一种模拟铸件凝固过 程的数值模型。作者通过热焓方法和一致性节点技术分别对潜热和气隙进行合并，通过温 度来处理非线性瞬时热传导，对模具、铸件的有限网格单元进行离散化，采用c 抖语言编 写程序和高斯排除法解答矩阵。通过该程序获得在不同时间间隔时的温度分布，从而计算 出凝固速率、温度梯度和d t d t 。在对a 1 s i 合金分别在砂型和金属型模具中进行凝固模拟时， 获得相应的冷却曲线。 沈阳工业大学白彦华等【2 8 】在柱坐标系下建立了描述挤压铸造z a 合金凝固过程的固 液两相流数学模型，采用数值迭代方法对该数学模型进行求解，得到了挤压铸造z a 合金 浙江工业大学硕士学位论文 凝固过程中温度、浓度的分布情况。结果表明，增大挤压力能够加快合金凝固速度，缩短 凝固时间，同时能够减缓比重偏析现象。 西北工业大学齐乐华等【2 9 】以g a l e r k j n 法建立了非稳定导热问题的有限元方程，确立了 液态挤压成形过程的非稳定温度场的有限元模型，开发了相应的模拟软件，给出了稳定成 形时的液态挤压温度场及工艺参数选取不恰当时的温度分布，采用有限元模拟与实验相结 合的方法分析了管材成形过程中发生断裂的内在原因，指出变形速度与凝固速度的协调是 保证成形质量的关键因素。模拟结果与试验结果吻合良好。 1 2 3 液压机速度控制方式的研究 挤压铸造常用的设备是液压机，液压机压制速度调节主要分以下两种： ( 1 ) 节流调速：用定量泵供油，采用流量控制阀调节进入执行元件的流量实现调速。 流量调节阀又有节流阀和调速阀之分。 ( 2 ) 容积调速：通过改变变量泵的排量实现调速。德国s m s s u n o n 公司将变频驱动技 术应用到挤压机的油泵驱动和速度控制上。通过改变驱动电机的转速调节输出流量，从而 得到变化的挤压速度。 液压机速度控制策略的研究现状如下： ( 1 ) 电液比例控制技术应用广泛。d d e 姗a i l ，w m c n e i l l 3 川将电液比例技术应用于多 轴液压伺服压实机，使压制速度的控制性能得到了很大提高。蒙争争【3 l 】将电液比例控制技 术应用于快速深拉伸液压机，使制品的废品率大大降低。俞兴民、齐乐华、苏力争等嗍 利用电液比例技术和计算机测控技术对y a 3 2 3 1 5 a 型四柱液压机的调速系统进行了改进 设计，使系统具有良好的的动态特性和稳态特性，而且使系统抗负载干扰的能力得到了很 大提高。 ( 2 ) 智能控制技术的应用日趋成熟。彭辉，彭晓燕【3 3 】用c a 对m a 模型描述液压挤压机 柱塞行进速度与节流阀驱动步进电机控制脉冲之间的关系，采用广义预测控制( g p c ) 算法 使挤压速度精确跟踪设定曲线，并能有效抑制对象参数改变、突加恒值干扰及随机干扰的 影响，实现等温挤压的控制。司徒忠，李庆亮等【3 4 1 采用预测模糊控制技术控制高速液压机， 较有效地解决了液压机高速化所带来的振动、冲击及精度问题。陈祥彬，易孟林，曹树平 掣3 5 1 将模糊p i d 控制应用于高速液压拉伸机液压控制系统中，得到了较好的控制效果。 ( 3 ) 步进电机在速度控制系统中得到应用。常德乾，佟冰，刘鹏等【3 6 】采用三相混合式 步进电机与数字变量泵组成的闭环速度控制系统，完全满足各种铝合金挤压工艺的要求。 浙江工业大学硕士学位论文 分别在2m n 2 5 m n 6 种规格的1 0 台挤压机上应用，速度控制范围为o 1 2 舢【1 1 s 2 0 舢 i l s ， 闭环工作时的稳态速度误差小于士o 1 0 5 删州s ，达到了国外同类挤压机的水平。 1 3 课题研究意义及主要内容 1 3 1 研究意义 相比直接挤压铸造，间接挤压铸造更适应工业制造的需要，可以生产形状复杂的铸件 如汽车业使用的合金轮毂。但在理论研究与实际生产中也暴露出许多质量问题，如缩孔、 缩松、气孔、浇不足、冷隔等，其原因是多方面的，如设备、工艺方案的选择、模具结构 的设计、工艺参数的选择与调整等。针对挤铸件质量问题国内外学者提出了一系列的解决 方案，如局部补压技术、真空液态挤压铸造系统、模具结构优化、工艺参数优化等，其中 优化工艺参数是成本最小，效果最明显的方式。影响挤压铸件质量的工艺参数比较多，主 要包括压力、温度、速度和时间等参数。压力参数包括锁模力和成形比压；速度参数包括 充型速度和挤压速度；温度参数包括浇注温度和模具温度；时间参数包括开始加压时间和 保压时间。 在已发表的挤压铸造的国内外文献中，针对压力、温度、保压时间这三个工艺参数进 行了大量的研究，得出了其对挤铸件性能的影响，但很少有人针对速度参数做研究。英国 伯明翰大学的c 锄p b e l lj 教授通过实验证实，对一定合金、一定壁厚的铸件，存在1 个临 界入口速度，超过这一速度，铸件的各种机械性能就大幅降低，对铝合金铸件而言，壁厚 l o l l u i l 的平板铸件的临界入口速度约为0 3 m s 。但当液态金属在这一速度下充型时，却由 于充型速度过慢而导致充不满型。因此系统全面地研究速度参数在挤压铸造过程中的作 用，分析其对挤铸件质量的影响，确定充型效率与充型效果并重的充型速度，并在此基础 上开发液压机速度控制系统，提高挤铸件质量，具有重要的意义。 1 3 2 研究内容及技术路线 经过多年的发展，关于挤压铸造技术的理论研究和实践探索已经取得了一定的成绩， 但还存在一些不足。本文将从以下几个方面进行研究： 1 根据流体力学的相关理论知识，分析间接挤压铸造的充型形态，确定最佳充型速度 应满足的条件，并推导出最佳充型速度满足的方程式； 2 应用专业铸造模拟软件p r 0 c a s t ，分析不同充型速度下铸件的充型状态，以确定最 佳的充型速度，并分析其余工艺参数对充型状态的影响； 1 0 图卜5 技术路线图 制总体方案和 1 4 本章小结 本章首先阐述了选题的背景：挤压铸造技术应用越来越广泛，成为大批量生产高档有 色金属零件的重要手段，而国内外关于挤压铸造速度参数的研究不够充分。其次介绍了国 内外关于挤压铸造技术、铸造过程数值模拟技术、液压机速度控制策略的研究现状，进而 提出了课题的研究内容和所采用的研究方法。 流动过程。 化，还涉及 挤压铸造充型过程是一个带有自由表面的三维非定常不可压缩的流体流动过程，可用 四个独立而又相互关联的模型描述，分别是：流体流动模型、传热模型、自由表面模型、 紊流模型。在直角坐标系下，其控制方程形式分别为： ( 1 ) 连续性方程( c o n t i n u 时e q u a t i o n ) ： 望+ 型+ 型+ 型：o a t瓠 a ) ) 貌 式中：p 一流体的密度； 甜、1 ，、w 一速度在三个坐标轴方向上的分量。 ( 2 1 ) 连续性方程又称质量守恒方程，可阐述为：单位时间内区域内流体质量的增加等于同 一时间间隔周围区域流入该区域的净质量。 对于不可压缩流体，假定密度不变，则式( 2 1 ) 可表达为： 抛加却，、 + + = o 缸砂 瑟 ( 2 ) n s 方程( n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ) ： ( 2 - 2 ) 詈+ 甜罢+ v 考+ w 考= 一古罢+ 毋+ 7 ( 窘+ 窘+ 窘 c 2 甸+ 甜+ v + w = 一一二+ 2 ，+ y f = - + _ + 育l i z - j ) 研 舐 却 昆p 苏一 i 苏2巩2瑟2j 、 7 害+ 材象+ v 多+ w 謇一吉考喝+ 恰+ 窘+ 窘 c 2 卅 瓦栅瓦面+ w 瓦2 一万亩+ g y + 1 萨+ 矿+ 萨j ( 2 。4 ) 詈+ 扰罢+ v 考+ w 警一古老+ + 7 ( 窘+ 窘+ 窘 c 2 甸+ 扰+ ，+ w = 一一二+ 2 ，+ y i + t + _ l i z - ，l 研反 却 玉p 瑟一 i 苏2却2瑟2j 、7 数学表 种力之 ( 2 6 ) 的热量 相平衡。 ( 4 ) 体积函数方程： 要+ 甜等+ v 罢+ w 芒：o ( 2 - 7 ) 一十甜一+ v 一+ w 一= u f 2 一7 l 8 t瓠孰阮 、。 式中：f _ 一流体体积函数； t - 充型时间。 体积函数法是一种常用的确定自由表面的方法。流体体积函数f g ，y ，z ，) 是空间和时间 的函数，表示单位体积内流体所占的比例。当f = 1 时，为满网格，表示该网格处在流动域 内：当f = o 时，为空网格，表示该网格内没有流体；当0 f l 时，则表示网格内有流体但 没有充满，是自由表面网格。 ( 5 ) 紊流模型 挤压铸造充型过程中液态金属的流动属于未充分发展的紊流流动，需要选择相应的紊 流模型进行描述，其中最常用的紊流模型是七一s 模型。 标准的七一占模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g l 3 7 1 于1 9 7 2 年提出的，它是基于漩涡粘度各 浙江工业大学硕士学位论文 向同性的假设的半经验模型。 后一占模型采用两个紊流特征量( 紊流动能七和紊流动能的耗散率s ) 来表示动量守恒方 程中的紊流粘度，。 紊流动能七方程： 昙c 肚，+ 考c 一= 考+ 纠爿考( 考+ 等 - 伊 ， 紊流耗散率s 方程： 昙c 胪，+ 考c 矽= 毒 ( + 尝 考 + 等以考( 考+ 等 - 卯譬c 2 柳 式中，q 、c ：、c 。、吼、仃。为紊流经验参数，其数值见表2 - l 。 表2 1 七一g 模型中的常数值 c lc 2 c u 吼 o s 1 4 41 9 2o 0 91 o1 3 2 1 2 数学模型的离散 从数学模型可以看到，描述流体流动的控制方程是一组由函数变量及其一阶和二阶导 数构成的非线性微分方程组。一般无法得到它们的解析解，而只能求助于数值解。数值求 解并不是去寻求待求变量的连续函数表达式，而是把注意力集中在计算域内有限个离散的 结点上