（机械工程专业论文）镁合金汽车方向盘压铸成型工艺设计及成型仿真.pdf

摘要 摘要 在对镁合金汽车方向盘压铸工艺分析的基础上，根据浇注系统的设计原则，采 用u g 软件设计了顶注浇铸系统、环形浇铸系统和侧注浇铸系统三种浇注系统。并 利用f l o w 3 d 软件对次三种浇注系统的温度场、流场和缺陷进行了模拟分析，最终 结果表明顶铸浇铸系统最优。 在确定镁合金汽车方向盘骨架浇注系统的基础上，按照正交试验法的原理，对 该产品的压铸工艺参数进行分组；利用f l o w 3 d 软件对各方案参数进行了模拟，得到 各自的流场、温度场和缺陷分布图。通过对模拟结果的分析，确定了压铸工艺参数 对该产品成形过程的影响规律，并确定了该产品成形的最优工艺参数设计方案为： 压射速度3 m s ，预热温度4 0 0 k ，浇铸温度9 2 5 k 和压射速度5 r n s ，预热温度4 0 0 k ，浇 铸温度9 2 5 k 。 关键词：镁合金；方向盘；压铸；正交试验；f l o w 一3 d ：压铸参数 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h es n 飞l c t l 】r eo ft h es t e e r i n gw h e e lm a d eo fm a g n e s i u ma l l o y , a n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eg a t i n gs y s t e m ，t o pc a s t i n g ，r i n gc a s t i n ga n da s i d ec a s t i n g f o r m sa r ed e s i g n e db ym e a no fu g b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft e m p e r a t u r e f i e l d ，f l o wf i e l da n dd e f e c t sp r o d u c e db yf l o w - 3d ，i ti ss h o w nt h a tt h et o pc a s t i n gi st h e b e t t e ro n e o nt h eb a s i so fd e t e r m i n i n gt h eg a t i n gs y s t e mo ft h em a g n e s i u ma l l o yc a rw h e e l f r a m e ，b yt h ep r i n c i p l eo ft h eo r t h o g o n a lt e s t ，t h eg r o u po fc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw a s s o r t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u te a c hg r o u po ft h ed e s i g np r o g r a mw a sp r e s e n t e db y s o f t w a r ef l o w - 3 d ，a n dt h e i r r e s p e c t i v e f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f e c t d i s t r i b u t i o np i c t u r e sw e r eg o t t e n b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e e f f e c to f p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so l lt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ep r o d u c ta n dt h e o p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e ni n j e c t i o ns p e e d i s3 m s ，p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s4 0 0 ka n dp o u r i n gt e m p e r a t u r ei s9 2 5 k ，w h e ni n j e c t i o n s p e e di s5 m s ，p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s4 0 0 ka n dp o u r i n gt e m p e r a t u r ei s9 2 5 k 。 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；s t e e r i n gw h e e l ；p r e s s u r ec a s t i n g ；o r t h o g o n a lt e s t ； f l o w - 3 d ；p r o c e s sp a r a m e t e r 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀。下匕 1 1 引言 计算机辅助技术可帮助设计人员处理各种信息以及进行产品的设计与制造，它 能够将传统的设计与制造两个彼此相对独立的工作作为一个整体来考虑，实现了信 息的高度一体化：也可帮助设计人员完成数值计算、产品性能分析、实验数据处理、 计算机辅助绘图、仿真等工作，从而改变传统的设计方法、提高了生产效率。由于 许多制造中所需的信息和数据来自设计阶段，因此，对制造和设计来说这些数据和 信息是共享的。实践证明，将计算机辅助设计、分析和制造作为一个整体来规划和 开发，可以取得更明显的效益，这就是c a d c a e 技术，此项技术已成功地应用于 航天、航空、国防、化工、机械、电力、电子等产业【l 】。 1 2c a d c a e 在压铸技术中的应用 c a d ( 计算机辅助设计) 是指使用计算机系统支持各项基本设计活动，具体包括创 新、分析及优化等。c a d 系统支持设计过程的各个阶段，即方案的设计和总体的详 细设计，它以适用于制造的形式对设计对象完成计算机内部和外部的描述，形成有 关的技术文档，如工程图样和零件细表等【2 j 。 c a e ( 计算机辅助工程) 是指使用计算机通过与生产资源的直接或间接接口对制 造厂的各个工序进行计划和控制。它借助计算机完成制造过程中的各项工作，包括 生产工艺的准备和制造过程本身，例如加工、装备、质量检查、传输等【3 j 。 1 2 1c a d c a e 技术的应用现状 我国著名c a d c a e 软件专家、华中科技大学材料学院院长、模具技术国摇 点实验室教授李德群指出：“企业对c a d c a e 软件普遍不重视，很少有企业主动采一 用。可以说，国产c a d 和c a e 软件的市场阻力非常大，坚持自己的品牌做下来很 不容易。这从一方面反映了目前c a d c a e 技术及软件在我国的应用现状。目前， 大部分企业对c a d c a e 技术及相关软件的使用不够重视，仅停留在制造模具过程 中的绘图和数控加工水平。由于通过成型c a d 和c a e 软件分析，可以在模具设计 还没开始制造时，就可提前对设计好的模具进行模拟分析、及时纠正模具的设计缺 陷。因此，使用c a d 和c a e 软件对模具厂家来说是减少坏模、降低生产成本的重 要手段，这种预先模拟检测的方法在国外已应用十分普及【4 j 。 中国模具工业协会副秘书长周永泰认为，现在国内确实存在c a d c a e 软件应 用不广的现象，这是由于国内模具企业普遍存在凭经验生产的现象，往往是通过反 复试模来修改模具，其实这种传统的生产方式不仅成本高而且不精确。尽管存在着 河北科技大学硕士学位论文 这样的问题，我们必须认识到在如今模具的设计不但要采用c a d 技术，而且还要采 用c a e 技术，这是市场发展的必然趋势。只有充分的认识到c a d c a e 技术的重要 性，才能在模具及工艺设计阶段有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低 生产成本。 1 2 2c a d c a e c a m 技术在压铸中的应用及发展趋势【5 “7 1 在压铸模制造中，普遍采用电火花及线切割加工机床，并且应用c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数控机床制造压铸模的主要部件，数控铣结合电加工已成为加工型 腔、型芯的主要手段，从而提高了压铸模的制造精度与生产效率。模具 c a d c a e c a m 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，它以计算机软件的形式， 为用户提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、 成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。 。 压铸模c a d 技术：计算机辅助设计是用计算机可进行辅助设计师完成产品 的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图样。近年来，国内外对压铸模 c a d 开展了大量研究工作，并和c a m 结合以代替传统的手工设计和制造，同时配 合c a e 辅助工程，既可大大缩短压铸模生产周期，又可减轻劳动者的工作强度，提 高压铸模的设计品质、降低成本，最终提高企业的竞争力。较高级的压铸模c a d 系 统除了对压铸模设计参数进行计算选择外，还可以自动生成图形、输出图形，并能 输出数控加工纸带，形成c a d c a m 系统。 压铸楱c a e 技术：计算机辅助工程主要指用计算机对工程和产品进行性能 与安全可靠性的分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，并证实未来工程、 产品功能和性能的可用性与可靠性。在c a d 过程中，使用c a e 软件对所创新的设 计方案快速实施性能与可靠性分析，并进行虚拟运行模拟，即仿真的过程，及早发 现设计缺陷，实现优化设计。压铸模c a e 和c a d 是紧密相联的，c a e 要利用c a d 阶段得到的型腔数据和模具结构，结合压铸机参数、压铸工艺参数、压铸材料和模 具材料的性能指标等进行分析计算，得到的分析结果又反过来指导设计人员修改设 计方案直至合理。目前专门针对压铸模的c a e 软件还比较少，压铸模c a e 目前主 要以压铸件充型的流场数值模拟、压铸模压铸件温度场模拟、压铸模压铸件应力场 数值模拟为主。模具设计水平除了决定压铸件的品质，还直接影响到模具本身的热 交换过程，而模具的热平衡将直接影响到模具的使用寿命。在模具设计中，应注意 热平衡问题，合理设计冷却系统并采用温控技术。我国压铸模设计应用c a e 软件在 浇注系统和温度场分析等方面已得到应用，但面还不广，这些都是压铸模技术发展 值得注意的动向。 模具行业是工业的基础行业，在工业的各个领域都广泛地使用模具。针对模具 c a d c 觥a m 现存的问题，总结得出其发展趋势主要表现在如下几个方面： 第一章绪论 ( 1 ) 标准化c a d c a m 系统可建立标准零件数据库、非标准零件数据库和模具 参数数据库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用并采用g t ( g r o u p t e c h n o l o g y ，成组技术) 生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不 尽相同，但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，使 典型模具结构库在参数化设计的基础上实现。 ( 2 ) 智能化c a d c a m 系统智能化主要表现在专家系统思想的引入，通过虚拟 专家来处理模具设计制造中的问题，专家系统具有数据模块、知识库模块和控制模 块，专家系统可以解决知识表示、特征统计、推理方法及概念设计等问题，具有启 发性、灵活性等特点。整个系统具备人工智f 毙( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 理想的智能模具 c a d c a m 系统响应并产生设计方案，对方案进行最优评价和选择，并对模具设计 制造提供全方位的过程响应和处理。 ( 3 ) 集成化模具c a d c a m 技术与g t 、c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、c a e 、c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 等技术密切相连，组成一个有机的整体，其关键在 于建立一个统一的全局模具产品数据模型，在产品开发、模具设计中提供全部的信 息，使信息共享、交换处理和反馈，它综合了计算机技术、系统集成技术、并行技 术和管理技术，体现了系统化思想直至发展为c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r e s y s t e m ，计算机集成制造系统) 。 ( 4 ) 网络化与协同设计随着模具工业规模的不断扩大，要做到资源信息共享、交 换等，网络化设计的发展是必然的，将以微机为中心的智能工作站达成了分布式系 统构成c a d c a m c a e c a p p 微机局域网络，结构灵活、功能强大。伴随着 i n t e r n e t i n t r a n e t 网的进一步拓展，系统提供了异地设计人员在同一时间对同一个参数 进行评价和修改，实现异地操作与数据交换，使一个项目在多台计算机上协作完成， 以适应不同地区现有资源和生产设备资源的要求和利用。这种基于i n t e r n e t 下的协同 设计实现了企业间的“集成化”，它将成为模具制造业全球化的发展趋势。 1 3 汽车方向盘用镁合金简介 1 3 1 镁合金性能 镁合金是最轻的金属结构材料，具有比强度高、阻尼、吸震及降噪性能优越， 铸造成形、机加工和表面装饰性能好，易回收等优点【8 】。镁合金由于具有较高的比强 度和良好的铸造性能，已广泛用于电子、航空航天、汽车等领域1 9 , 1 0 】合金应用于方向 盘可实现轻量化，又可降低路面和控制系统的震动，同时发生意外时镁合金方向盘 可吸收更多能量，保证驾驶员安全，因此，具有低碳钢、工程塑料等传统方向盘无 法比拟的性能优势。 镁合金材料具有以下的优越性：重量轻( 比聚合物轻2 0 、比铝轻3 0 ) 、比强度 河北科技大学硕士学位论文 高、弹性模量小、刚性好、抗震力强、长期使用不易变形、抗电磁干扰及屏蔽性好。 此外，镁金属及其合金还是一种环保型材料，对环境无污染，其废料回收利用率高 达8 5 以上；镁合金色泽鲜艳美观并能长期保持完好如新；极高的压铸生产率、尺 寸收缩小且具有优良脱模性能 1 1 - 1 6 】。 1 3 2 国内外对方向盘用镁合金的研究【1 7 。2 2 】： ( 1 ) m 9 2 a 1 系合金 m 9 2 a 1 系合金是应用最为广泛的一类合金，压铸合金主要是m 9 2 a 1 系合金。为 改善合金的性能如韧性、耐高温性、耐腐蚀性，以m 9 2 a 1 系为基础添加了一系列合 金元素形成了a z ( m 9 2 a 1 2 z n ) 、a m ( m 9 2 a 1 2 m n ) 、a s ( m 9 2 a 1 2 s i ) 、a e ( m 9 2 a 1 2 r e l 系列合金。a z 9 1 合金作为成熟的商业应用镁合金，是a z 系列的镁合金的代表之一， 其大致相当于国内标准的z m 5 号合金，含z n 量在1 左右。a z 9 1 合金具有最好的 综合力学性能。经过t 6 处理，其抗拉强度可以达到2 7 5 m p a 。广大材料研究者为了 进一步改善a z 系列镁合金的性能，在a z 系列镁合金的基础上，通过添加适量其它 的合金元素作了种种尝试。 ( 2 ) m 9 2 z n 系合金 二元m 9 2 z n 合金具有明显的时效硬化特性，有共格的g p 区。在m 9 2 z n 二元系 基础上发展起来的常用m 9 2 z n 合金有：m 9 2 z n 2 z r 合金、m 9 2 z n 2 r e 合金以及具有 良好综合力学性能的新型m 9 2 z n 2 c u 合金。m 9 2 z n 合金的最主要缺点是晶粒粗大， 易形成显微孔洞。加z r 可以细化晶粒，改善其性能，因此，m9 2 z n 合金中一般都 要加入一定量的z r 。 ( 3 ) m 9 2 l i 系合金 镁的六方结构限制了镁的塑性，唯一可以实现晶体结构上从h c p 到b c c 转变 的合金元素为金属锂。纯l i 的密度只有0 5 3 9 c m 3 ，工业上具有实用价值的m 9 2 l i 合金有l a l 4 1 、l a 9 l 及l a z 9 3 3 。这些合金的含l i 量在9 1 4 之间，密度只有 1 2 5 - - 1 3 5 9 c m 3 ，却具有很高的弹性模量。m 9 2 l i 合金比强度高、振动衰减性好、 切削加工性好。 。：一 ( 4 ) m 9 2 r e 系合金 稀土金属化学活性较强，具有祛除o 、h 、s 、c 1 、f e 及夹杂物的作用，以及改 善合金流动性和加工性能。稀土可将合金中呈溶质状态的f e 、c o 、n i 、c u 改变为 m 9 2 稀土2 f e ( c u ) 2 a l ( 或z n 、m n ) 金属间化合物的状态，抑制f e 对合金的腐蚀作用。 镁合金在含稀土溶液中可形成钝化膜，提高其耐蚀性能。稀土加入镁合金中，可细 化合金组织，促进合金表面氧化膜由疏松变为致密，降低合金在液态和固态下的氧 化倾向，从而提升传统镁合金强度、塑性、耐蚀性、耐磨性等性能。 1 4 本课题研究用软件简介 4 第一章绪论 1 4 1u g 软件介绍 u g 是u n i g r a p h i c s 的缩写，u g 软件的开发始于1 9 9 0 年7 月，它是一种主要为机 械制造企业提供包括从设计、分析到制造全过程应用的软件。u g 软件具有以下特点： ( 1 ) 直观的二维绘图 对制图员来讲，简单并富于逻辑性的二维图及剖视图可简便的由鼠标一次操作 完成，通过软件可以自动将隐藏线消除、自动将尺寸排列、自动将工程草图尺寸标 注【1 3 1 。 ( 2 ) 集成的数字分析 该软件可以进行机构的运动仿真、硬干涉检查和软干涉检查等分析，在进行产 品装配前预先发现装配问题。 ( 3 ) 广泛的用户开发工具 用户可以使用高级编程语言自定义用户界面，开发适合本单位使用的工具条、 命令、数据库等常用工具，使软件能够更适合某专业领域的具体需求。 ( 4 ) 内嵌的工程电子表格 该软件可与其它表格软件交换数据，可简便定义零件系列，能够方便的修改表 达式以及生成扇形图、直方图和曲线图等【2 3 】。 1 4 2f l o w 3 d 简介 利用u g 软件自带的格式输出功能，将设计好的模具及铸件按f l o w 3 d 能够识 别的格式导入，然后开始进行相应的模拟验证。 f l o w - 3 d 是国际知名流体力学大师d r c w h i r t 的毕生之作，从1 9 8 5 年正式推出 后，在c f d ( 计算流体动力学) 解算技巧、实务问题的拟真与计算结果的准确度等 方面都受到使用者的赞誉与嘉许。该软件的应用流程主要包括： ( 1 ) 前置处理 前置处理主要完成以下几大步骤：1 、设定充型或凝固的时间，必要时可以设定 重新开始的时间( 该时间是紧接着上次中断的时间的) ；2 、设定充型或凝固时所要 用的模块，具体包括缺陷追踪模块、粘度和稳流模块、凝固模块等；3 、流体的设定， 在其中可设定流体的各种参数，如流体的密度、比热、凝固潜热等：4 、网格的划分。 在该步骤中将所生成的s t l 文件导入，在f l o w 3 d 的坐标系下进行网格的划分；5 、 边界条件的设定。设定模拟过程的相关参数，如起始温度、压力的数值；6 、输出的 设定。主要是控制输出结果的内容、输出条件等；7 、计算状态的设定；8 、预处理 处理过程。在这个过程中对前处理过程的参数设置进行检查，确定前处理的合理性。 ( 2 ) 计算分析 计算分析是f l o w 3 d 系统的核心，该软件采用有限差分法为运算法则。有限差 河北科技大学硕士学位论文 分法占用计算机内存较少，运算速度快，可以在p c 机上运行，与各种操作系统兼容， 这也是f l o w 3 d 得到广泛应用的重要因素之一。 根据前置处理过程中所设置的相关参数，计算机自动应用有限差分法的计算法 则进行计算。在计算进程中计算机以图像或文字的方式提供相关的运算信息，其中 图象信息是以二维坐标图的形式出现在计算分析模块画面的右上侧，二维图中横坐 标表示时间轴，纵坐标可表示不同的参数。所有图形都有一个共同的特点，即理论 线( 黑线) 总在实际线( 红线) 之上标示运算迭代过程的正常进行，若红线出现在 黑线以上则计算会自动中断并提示相关错误信息以便进行纠正。文字信息出现在模 块界面的最下方以显示计算的进程及相关的计算信息，当出现计算中断时模块自动 生成文本格式的信息并以标题为m e s s a g e 的对话框给出，可便于修改相应参数重新 计算。 ( 3 ) 后置处理 后置处理部分主要是查看计算结果。f l o w 3 d 的后置处理模块是一套将数据可视 化、动态化的图形图象工具，是f l o w - 3 d 三大主要模块之一，即分析显示模块。后 置处理模块将计算过程中生成的数据文件转换成可视化的图片或动画文件显示出来 供用户观察分析计算结果。该模块可表达的内容有充型及凝固过程中的压力场分布、 温度场分布、表面缺陷追踪、湍流流体能量等，通过选取相关项目可调用该内容中 的图片信息和文本信息来观察和分析充型及凝固过程的情况。该模块显示的图形图 象均以三维实体的形式表现，并用不同的颜色表现三维实体上不同部位的模拟信息 ( 如压力、温度、表面缺陷等) ，而实体旁附以色标以供对照。 1 5 正交试验法与流体力学基础 1 5 1 正交试验法介绍【2 4 , 2 5 , 2 6 】。 正交试验法的理论基础是正交拉丁方理论与群论。在工作中可用的多因素寻优_ 二_ 工作方法，一类是从优选区某一点开始试验，一步一步到达较优点，这类实验方法 叫序贯试验法，如因素轮换法、爬山法等：另一类是j 在优选区内一次布置一批试 验点，通过对这批试验结果的分析，逐步缩小优选范围从而达到较优点，如正交试 验法等。正交试验法是将实验数据按照正交表上的顺序进行排列，从而大大减少试 验次数。正交表上的这些点是所有试验点的一组最小正交基，也就是说所有试验点 都可以由这几个基本点衍生表示，故而考虑基的性质就能推断所有的点的性质。 正交法的特点：实用上按表格安排试验，使用方便；布点均衡、试验次数 较少：在正交试验法中的最好点，虽然不一定是全面试验的最好点，但也往往是 相当好的点。特别在只有一两个因素起主要作用时，正交试验法能保证主要因素的 各种可能都不会漏掉。这点在探索性工作中很重要，其他试验方法难于作到：正 6 交试验法提供一种分析结果( 包括交互作用) 的方法，结果直观易分析。且每个试 验水平都重复相同次数，可以消除部分试验误差的干扰；因其具有正交性，易于 分析出各因素的主效应。 利用正交试验法的设计方案，结合代数拟合方法对数据进行分析，可达到使试 验收敛速度加快、试验的效率非常高的效果。可利用试验结果获取更多信息，准确 掌握效应的趋势规律，而且优选点可超越所选水平范围和精度，从而可大大减少试 验次数。 1 5 2 流体力学基本知识 流体力学是研究充型过程的基础，因此首先要对流体有一定的认识。 ( 1 ) 流体的定义 流体是一种质点间联系很小且质点的空间位置易于改变的物体，包括气体和液 体。流体不能承受拉力，但可以承受压力、传递压力和切应力并呈现流动。 ( 2 ) 流体的压缩性与热胀性 流体的压缩性是指当它四周受压时体积变小的特性，而热胀性是指当温度增加 时体积增大的特性。流体的压缩性用体积压缩系数k 表示，公式为 k = - ( d v v ) d p ( 3 - 1 )。 式中，k 是体积压缩系数；v 是体积；p 是压力；负号指液体受的压力增大时体积的 减小。流体的热胀性用b 来表示，t 表示温度，公式为 1 3 = ( d v v ) d t( 3 2 ) ( 3 ) 流体的粘性 ! 当流体的层流之间出现相对位移时，不同流动速度的层流之间会出现切向粘性 力。粘性力可用经典的牛顿粘性定律来表示： t y x = r l ( d u x d y ) ( 3 - 3 ) 式中t y x 为切应力，第一个脚标y 表示切应力的法向方向，第二个脚标x 表示切应 力的方向，1 1 为流体动力粘度系数。 ( 4 ) 粘性流体流动的基本方程【2 7 】 a ) 连续性方程 连续性方程实质是质量定律的数学表达形式，它是运动学方程而与力学无关， 既适用于理想流体也适用于粘性流体，其数学表达形式是 ( 6 p 6 t ) + ( 6 ( p u x ) 6 x ) + ( 6 ( p u y ) 6 y ) + ( 6 ( p u z ) 6 z ) = 0 ( 3 4 ) 式中，u x ，u y ，u z 分别为速度在三个方向( x ，y ，z ) 上的分量，p 为流体的密度。 当流体为不可压缩时，方程变为 ( 6 ( p u x ) 6 x ) + ( 6 ( p u y ) 6 y ) + ( 8 ( p u z ) 6 z ) = o ( 3 5 ) b ) 动量守衡方程 动量守衡方程( 或n s 方程) 的表达式为： p d u x d t = p f x 一6p 6 x + 6 6x 1 a ( 26 u x 6 x 2 3 d i v u ) + 6 6 y 1 a ( 6 u x 6 y + 6 u y 6 x ) + 6 6 z i t ( 6 u x 6 x + 6 u x 6 z ) ( 3 6 ) p d u y d t = p f y - 6p o y + 6 6y 肛( 26 u y 6 y - 2 3 d i v u ) + 6 6 z p ( 6 u y 6 z + 6 u z 6 y ) + 6 6 x i _ t ( 6 u x 6 y + 6 u y 6 x ) ( 3 7 ) p d u z d t = p f z - 6p 6 z + 6 6z ( 26 u z 6 z 一2 3 d i v u ) + 6 6 x 肛( 6 u z 6 x + 6 u x 6 z ) + 6 6 y h ( 6 u y 6 z + 6 u z 6 y ) ( 3 8 ) 式中，f x ，f y ，f z 是单位质量的体积分量，p 是流体的压力。对于不可压缩 流体的流动，d i v u = o ：当温度变化不大时，“可取常数，则n s 方程可简化为： d u x d t + u x 6 u x 6 x + u y 6 u y 6 y + u z 6 u z 6 z = f x 1 p 6 p 6 x + 1 ) v 2 u x ( 3 - 9 ) d u y d t + u x 6 u x 6 x + u y 6 u y 6 y + u z 6 u z 6 z = f y 一1 p 6 p 6 y + v 2 u y ( 3 1 0 ) d u z d t + u x 6 u x 6 x + u y 6 u y 6 y + u z 6 u z 6 z = f z 一1 p 6 p 6 z + 1 ) v2 u z ( 3 - 1 1 ) 式中，v 2 = 6 2 16 x 2 + 6 2 16 y 2 + 6 2 6 2 2 为拉普拉斯算子。 c ) 能量方程 流体在运动中也是遵循能量守衡定律的，其表述为：对于流体控制单元，其所 h一 二 一 受的作用力所作的功和加入的热量应等于该单元体的总能量的改变量。其表达式是： d e d t + pd ( 1 p ) d t = 1 p d i v ( h g r a d t ) + 9 p：( 3 1 2 ) 式中，e 是流体的内能；p 是流体的密度；p 是耗散函数，方程的右端是单位时间内 ： 传给单位质量流体的热量。 - 当流体为不可压缩时，直角坐标系下的方程为： pc6 t 6 t + pc u6 t 6 x + pc v6 t 6 y + pcw 6 t 6 z = 6 ( 入6 t 6 x ) 6 x + 6 ( 入6 t 6 y ) 6 y + 6 ( 6 t 6 z ) 6 z + s ( 3 - 13 ) 式中c 是比热容；等号左边的第2 、3 、4 项为由于流体流动所引起的温度变化。 能量方程和n s 方程是可以分开求解的，即先求出速度和压力分布，然后再利用能 量方程求出温度分布。 。 8 第一章绪论 d ) 初始条件和边界条件【2 8 】 求解流体力学问题时，除需要以上的基本方程外，还需给出边界条件和初始条 件才能得到唯一解。初始条件只有在求解非定常流动时才需要，也就是要给出初始 时刻的速度和温度分布等。边界条件是指流体在运动边界上运动参数应该满足的条 件，流体流动过程中常遇到的边界条件有：1 、固壁界面条件，当粘性流体流过不动 的固体界面时，其法向速度应等于零。2 、液液及液气界面处的条件。如果两种介 质交界面互不渗透，且又不满足不发生分离的连续性条件，则在交界处的法向速度 相等。对于粘性流体的两种介质交界面处，切向速度和温度也应该相等，而理想流 体中交界面处切向速度和温度可以不相等。 s o l a - v o f 技术是美国l o sa l a m o s 科学实验室发展起来的一种模拟技术，该 技术是用体积函数代替标识粒子来确定自由表面的位置，即定义：体积分数函数f = 格子空间内流体体积格子空间体积，这样，体积函数的值就可用来描述网格内流体 的充填状态，即 f = o空格状态 f = i充满状态( 即内部格子) o f i半充满状态( 即表面格子) 这样，由体积函数f 代替了多个标识状态，对于流体来说，描述的方程为： 6 f 6 t + u 6 f 6 x + v 6 f 6 y + w 6 f 6 z = 0 ( 3 1 4 ) 在此方法中，压力的初始值可随机假设，将随机假设的压力代入n s 方程中， 求得假设压力下计算出来速度u 、v 、w ，该速度是不满足连续性方程的，可再按一 定方式修正压力，将其再次回代到n s 方程。这样通过反复调整网格压力而求取新 的速度，直到计算出的速度满足连续性方程为止，这时求得的速度、压力即为该时 刻的解【2 9 】。 s o l a v o f 方法在求解自由表面时比较简单，只需求解一个f 方程，但是如果 采用普通的数值方法，不论是隐式还是显示，由于方程在离散格子上存在很大的假 扩散问题，至使计算结果出现界面模糊现象。为了得到清晰的自由表面，可以用以 下两种方法加以控制，即施主受主法和流率近似法。施主受主法是同时用单元边界 上游及下游的流率信息来得到自由表面的形状；流率近似法是用二阶差分格式求解 守衡标量的对流传输方程以得到界面流率，同时保证算法的单调性来防止高阶差分 方法常出现的数值振荡【3 0 】。 y 9 河北科技大学硕士学位论文 1 6 课题的提出和意义以及研究路线 1 6 1 课题的提出及重要意义 由于镁合金是一种优良的减震材料，因此作为汽车结构件，非常有利于减轻 汽车运行中的噪声和震动。乘用车方向盘使用镁合金制造，既可使汽车质量减轻又 可降低汽车控制系统的震动，同时发生意外时，镁合金方向盘可吸收更多能量，减 轻事故危害【3 1 3 7 】。 传统的汽车方向盘模具设计需要经过概念设计一分析一样品生产一分析一设 计一分析一生产这一繁杂的过程才最终确定那些复杂的模具原形。随着计算机 的发展，c a d c a e 技术使得模具在进行真实的生产( 包括样品生产) 之前可通过相 关软件进行精确的结构设计、分析及成形仿真过程【5 】。c a d c a e 技术以其快速高效 和低成本的强大优势，成为汽车件设计的重要手段，给汽车工业带来了巨大的经济 效益，它已将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入“基于虚拟样机仿真的现代设 计方法”，从而大幅缩短产品开发周期，获得比试验更多的数据，提高企业产品国际 市场竞争力【3 8 】。 1 6 2 研究方法及关键点 通过查阅大量相关资料，利用正交试验法的设计方案，结合代数拟合方法对数 据进行分析。利用试验结果获取更多信息，准确掌握效应的趋势规律，且优选点可 超越所选水平范围和精度，从而大幅度减少试验次数，为日后同类工艺设计提供帮 助，利用模拟软件的强大功能研究分析影响镁合金方向盘质量的各种可能因素，将 结果与实际生产成果进行比较从而得出结论。 本课题以镁合金汽车方向盘骨架为研究对象，对镁合金汽车方向盘压铸成型壬 艺进行设计，利用流体动力学软件模拟产品成型过程中的流场、温度场并对缺陷进 行预测，探讨适合该产品成型的较佳工艺方案，得出工艺参数对该产品成形过程的 影响规律及最优工艺参数：用u g 对镁合金方向盘及其浇注系统进行设计并修改， 通过c a e 软件f l o w - 3 d 对其进行模拟，得出不同工艺参数下的模拟结果，采用正交 试验法对模拟结果进行处理和进行分析，得出工艺参数对该产品成形过程的影响规 律及最优工艺参数。 1 6 3 整体技术路线： ( 1 ) 浇注系统类型，根据要求选择顶注浇注系统和环形浇铸系统。 ( 2 ) 计算阻流截面积，用o s a n n 公式计算铸件的内浇道截面积。 ( 3 ) 确定浇口比。 ( 4 ) 确定溢流槽的数目。 l o ( 5 ) 通过u g 软件进行浇铸系统的修改与完善。 ( 6 ) 通过正交实验法进行压铸工艺参数的设计。 ( 7 ) 利用f l o w - 3 d 软件对各组参数设计方案进行数值模拟，得到的流场、温度场 和缺陷分布图。 ( 8 ) 通过对模拟结果的对比分析，探讨工艺参数对该产品成形过程的影响规律及 该产品成形的最优工艺参数设计方案。 第二章成型工艺设计及模拟 第二章成型工艺设计及模拟 2 1 研究内容、方法及工艺方案 2 1 1 研究内容 压铸是低熔点合金生产中常用的工艺方法，采用压铸工艺可以生产形状复杂、 组织致密、尺寸精度高的薄壁工件并且生产率较高，在实际生产中较为常用。要生 产出合格的压铸件，合理压铸工艺的确定非常重要，否则容易产生外观缺陷、内部 缺陷、尺寸缺陷和材质缺陷等影响压铸件质量的问题【3 9 啦l 。 本课题所研究的镁合金汽车方向盘，其产品图如图2 1 所示，其化学成分、性能 及成型工艺参数见表2 1 2 3 表3 【4 川。 ( a ) 主视图 ：彳i 、一_ 、 ，7 l !、i 、 害固卿 ( b ) 左视图 ( c ) 俯视图 ( d ) 立体图 图2 1 压铸镁合金汽车方向盘的三维模型图 f i g 2 1t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fm a g n e s i u ms t e e r i n gw h e e l 第二章成型t 艺设计及模拟 表2 1a z 9 1 b 镁合金材料化学成分( ) t a b l e 2 lt h ec o n s i t u t i o no f a z 9 1bm a g n e s i u m ( ) 余量8 5 9 5 0 15 0 4 00 4 5 - 0 9 0 20 2 50 i - 0 0 3 表2 - 2a z 9 1 b 镁合金压铸f ，l ：材料性能参数 t a b l e 2 - 2t h ep e r f o n n a n c ep a r a m e t e ro f a z 9lbm a g n e s i u m 量的名称 单位符号参考数值 气体常数 比热 l i b 热导率 热膨胀系数 润湿角 液体密度 潜热 液相线温度 i 州相线温度 蚓态比热 嘲态热导 p a 2 8 7 e + 6 k g m i k 1 w m 。1 k - 1 k 0 k g m 3 j k g - k k k g m 。i k w m 。i k 1 9 6 3 6 8 8 0 9 0 2 4 1 0 2 7 7 0 0 0 9 9 0 8 9 7 6 8 0 2 6 7 同态密度k g m d 6 8 5 0 _ 一 表2 3 成型：1 ：艺参数 一旦坐：! ：! 坠! 竺! 竺! 望堡旦璺! 皇婴! ! ! ! ! ! ! 竺2 业! ! ! 墨 1 i 鬲茏丽1 函爵再丐一一一 参考数值 量堕鱼整苎堡笪兰 至童壑堕 一一 一一 炉膛设定温度 k 7 8 0 8 4 0 溶液设定温度 k 7 1 5 - 7 2 5 同炉料 5 0 同炉 增压速度 m s 3 5 - 4 0 f i ；, 射a , - j f a - j s 0 5 开模时f a - j ! 三：! 一一 - _ - _ _ - _ - _ - _ - - - _ 一一 本章的主要内容是对镁合金汽车方向盘压铸成型工艺进行设计，并通过数值模 拟确定较佳的设计方案。 1 3 河北科技大学硕十学位论文 2 1 2 研究方法 主要思路是在浇注系统三维建模的基础上，利用流体动力学软件模拟产品成型 过程中的流场、温度场并对缺陷进行预测，通过对比分析探讨适合该产品成型的较 佳工艺方案，主要流程如图2 2 所示： 产品成型= ：艺分析 上 对产品建立三维模型 0 工艺方案及浇注系统设计及三维建模 0 利用f l o w - 3 d 对各丁艺方案进行模拟 上 对模拟结果进行分析，找出较佳方案 图2 2 研究思路流程图 f i g 2 2 t h er o u t eo fr e s e a r c h i n g 2 1 3 工艺设计方案 浇注系统：为进行对比实验选择顶注浇注系统、环形浇铸和侧铸三种系统。 阻流截面积的计算：用o s a n n 公式计算铸件的内浇道截面积s 内【4 4 1 ，s 内= m 【p 木幸( 2 9 r i p ) 】，参数具体含义参照参考文献 4 1 】根据经验数据查得p = 0 3 ， h 0 = 2 6 5 m m ，求得铸件之内浇道截面积为3 2 8 6 m m 2 。 浇口比的确定：为使浇注系统充型快，金属液体在横浇道内流速高，选择的 浇注系统为封仞式，选择s 内：s 横：s 直：= l ：1 2 ：1 4 ，横浇道截面积4 0 0 m m 2 ， 直浇道截面积为4 6 0 m m 2 。 溢流槽数目的确定：根据产品外观的特点确定4 个溢流槽。 2 1 3 1 顶注浇注系统 + j 浇铸系统如图2 3 示，其中内浇口的主要参数为：高1 2 m m 、两个底边分别1 8 m m 和1 5 m m ：直浇道的直径是2 4 m m ，长度是2 0 0 m m l 4 5 。 2 1 3 2 环形浇铸系统 浇铸系统如图2 4 示，这种浇注系统属于环形浇注系统，经过计算浇注系统的内 浇道直径为8 m m ，横浇道尺寸为：上下底边分别为1 5 m m 和2 3 m m ，高2 5 m m ；直 流道的直径为2 2 m m 、长度2 0 0 m m t 4 叫。 1 4 第二币成型t 艺改汁及模拟 ( a ) 主视图 一多| 。 一。4 ( c ) 俯视图 ( b ) 左视图 图2 ：3 顶铸浇注系统的二维模型图 ( d ) 立体幽 f i g 2 3t i l et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft o pc a s t i n g l5 河北科技大学硕1 j 学位论文 雕 ； | | 量 ， j - - _ _ _ _ l _ m l 一 ”u 、 一j 弋蕊 ( a ) 主视图 ( c ) 俯视幽 ( b ) 左视幽 ( d ) 立体图 图2 4 环形浇注系统的三维模型图 2 1 3 3 侧注浇注系统 浇铸系统如图2 5 示，其中内浇口的主要参数为：高12 m m ，两个底边分别为1 8 r n n l 和1 5 m m ：横浇道的两个底边分别为1 5 m m 和2 3 m m ，高2 5 m m ：直浇口的直径 一 一 第二章成型t 艺设汁及模拟 是2 4 m m ，长度是2 0 0 m m 4 7 1 。 ( a ) 土视图 二一， ( b ) 左视图 ( c ) 俯视图( d ) 立体图 图2 5 侧铸浇注系统的三维模型图 2 2 工艺方案的数值模拟 各工艺方案的数值模拟是课题研究的关键，在各方案的数值模拟过程中，主要 研究各设计方案的流场、温度场及缺陷分和的情况，通i , 2 x 寸数值模拟结果的分析可 评估各工艺方案设计的合理性，发现各工艺方案的优缺点，以便确定适合该产品压