（材料加工工程专业论文）咖啡机顶盖压铸成形工艺数值模拟及模具热疲劳失效研究.pdf

合肥工业大学 1 驯蚪剃 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 两。 文 砩教授厶月巴工业大学 乃彳偿忻 高级工程师安徽省模具工业协会 降以易教授厶月旺业大学 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指- 9 下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：粜放敞 签字日期：力年牛月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲兰些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金胆工些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：隶玻域 签字日期：2 口j 年争月修日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 摘要 高压铸造( 简称h p d c ) 是金属液在高压、高速条件下成型的先进工艺， 可以制造结构复杂、薄壁深腔的金属件。该工艺生产的零件具有尺寸精度高、 轮廓清晰、结构组织致密等特点。该工艺可以机械化和自动化操作，生产周期 短，效率高，在汽车、电子、国防等行业具有十分广阔的应用前景。 咖啡机顶盖属于典型的外壳件结构复杂，对零件的光洁度和轮廓清晰度等 表面质量要求较高。本文选用它作为研究对象，针对压铸生产过程中出现的表 面质量不高和模具热疲劳失效问题，进行深入研究。 首先，根据零件的结构特点，运用u g 三维造型软件，设计出两款浇注系 统：单处集中进料的“t ”型浇注系统和多处分散进料的“梳”型浇注系统。 采用p r o c a s t 有限元模拟软件，对比分析两类浇注系统下模具的温度场、应 力场及模具热疲劳分布云图，得出“梳”型浇注系统适合该款零件生产的结论。 其次，采用正交试验方法，用最小的试验次数和时间，优化浇注温度、模 具预热温度、压射比压和浇注速度等四个主要工艺参数，从中找出较优的一组 参数组合，试验指标值瓦。最小，零件的成型质量得到提高，模具的热疲劳趋 势得到降低。通过极差分析，找出影响模具热疲劳趋势的关键因素一一模具预 热温度。 再次，综合运用正交试验、b p 神经网络和g a 算法，对浇注温度、模具预 热温度、压射比压和浇注速度等四个主要工艺参数进一步优化，找到了适合该 款零件生产的最佳工艺参数组合。最终使压模模具的热疲劳趋势大大降低，零 件质量得到大大改善。 最后，利用优化的压铸工艺参数组合进行压铸工艺物理实验。试验表明物 理结果和数值模拟结果相符合，这更进一步说明本文在浇注系统改进和工艺参 数优化方案的可行性和可靠性，同时对同类压铸件的生产具有一定的指导意义。 关键词：高压铸造；热疲劳；正交试验；b p 神经网络；g a 算法 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i ec a s t i n gp r o c e s sa n dm o u l d t h e r m a l f a t i g u ef a i l u r es t u d yo n t h e d o m eo fc o f f e em a c h i n e a b s t r a c t h i g hp r e s s u r ed i ec a s t i n gi s a na d v a n c e dp r o c e s sw i t hl i q u i dm e t a lf o r m e d u n d e rh i g hp r e s s u r ea n dh i g h s p e e d ，w h i c hi su s e dt om a n u f a c t u r ec o m p l e x s t r u c t u r e d ，t h i n w a l la n dd e e p c a v i t yt h i nm e t a l d i ec a s t i n gh a v ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g hd i m e n s i o na c c u r a c y , c l e a ro u t l i n e ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n ds oo n m e c h a n i z e d a n da u t o m a t i co p e r a t i o nc a nb er e a l i z e di nt h ep r o c e s s ，s ot h ep r o d u c t i o nc y c l ei s s h o r t ，a n dt h ee f f i c i e n c yi sh i g h i ti sw i d e l yu s e di n t h ea u t o m o t i v e ，e l e c t r o n i c s ， n a t i o n a ld e f e n s ea n do t h e ri n d u s t r i e s c o f l e em a c h i n ed o m ei sat y p i c a ls h e l lc o v e rp a r t sw i t hc o m p l e xs t r u c t u r e i t r e q u i r e st h a tt h ed i m e n s i o no fp a r ti sv e r ya c c u r a c ya n dt h ec o n t o u ro fp a r t i s e x t r e m e l yc l e a n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mt h a tt h es u r f a c ec o n t o u ro fp a r ti sn o t h i g ha n dt h et r e n do fm o u l dt h e r m a lf a t i g u ef a i l u r ei ss e v e r e ，c o f f e em a c h i n ed o m e i sc h o s e na sr e s e a r c ho b j e c t d e e p l ys t u d yi sm a d eo i lt h es u r f a c eq u a l i t yp r o b l e m a n dt h em o u l dt h e r m a lf a t i g u ef a i l u r ep r o b l e mi nt h ed i ec a s t i n g f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n t s ，t w og a t i n g s y s t e m sw e r ed e s i g n e db yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eu g o n e i s ”t - t y p ec a s t i n gs y s t e mw h i c hh a sas i n g l ec o n c e n t r a t i o no ft h ef e e di n g a t e ，t h e o t h e ri s ”c o m b ”t y p ec a s t i n gs y s t e mw h i c hh a sm a n ys c a t t e r e df e e di n g a t e s t h e p r o c e s s e sw e r es i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o c a s t t h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n dm o l dt h e r m a lf a t i g u ec o n t o u r sw e r eo b t a i n e da n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l tw a s m a d e t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e ”c o m b ”t y p ec a s t i n gs y s t e mw a st h eb e t t e ro n e s e c o n d l y , f o u rm a i np r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sp o u r i n gt e m p e r a t u r e ，m o u l d p r e h e a tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o n p r e s s u r ea n dc a s t i n gs p e e d a r eo p t i m i z e db yu s e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e b e s t g r o u po f p r o c e s sp a r a m e t e r sw a s o b t a i n e d u n d e rt h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n t a l i n d e x 吒b e c a m el o w ，t h et r e n do fm o l df a t i g u ew a sr e d u c e da n dt h eq u a l i t yo f c a s t i n gw a si m p r o v e d t h r o u g hv a r i a n c ea n a l y s i so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h e m o u l dp r e h e a tt e m p e r a t u r ew a sr e g a r d e da st h ek e yf a c t o rt h a ta f f e c t st h et r e n do f m o u l dt h e r m a lf a t i g u e t h i r d l y , t h ef o u rm a i np r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sp o u r i n gt e m p e r a t u r e ，m o u l d p r e h e a tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n dc a s t i n gs p e e dw e r ef u r t h e ro p t i m i z e db y t h ec o m p r e h e n s i v eu s eo fo r t h o g o n a lt e s t ，b pn e u r a ln e t w o r ka n dg a t h eb e s t g r o u po fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a sf o u n d u n d e rt h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h e e x p e r i m e n t a li n d e x b e c a m el o w e r ，t h et r e n do fm o l df a t i g u ew a se x t r e m e l y r e d u c e da n dt h eq u a l i t yo f c a s t i n gw a sh i g h l yi m p r o v e d f i n a l l y , d i ec a s t i n ge x p e r i m e n tw a sd o n eu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eo p t i m i z e d p r o c e s sp a r a m e t e r s t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h e p h y s i c a le x p e r i m e n t ，w h i c hf u r t h e rd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h e i m p r o v e m e n to ft h eg a t i n gs y s t e ma n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h e p r o c e s s p a r e m e t e r s s i m u l t a n e i t yi th a sc e r t a i ne x t e n tg u i d a n c eo np r o d u c i n gs i m i l a rd i e c a s t i n gp a r t s k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r ed i ec a s t i n g ；t h e a m lf a t i g u e ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ； b pn e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m fjlfji|jl|jjfjlfjiiiliiliiliiiiiliiliii 致谢 在论文的完稿之际，首先向导师刘全坤教授对我的悉心指导与无私关怀表 示衷心的感谢! 在两年半的研究生生涯中，无论是从专业课程的学习、论文的 选题、研究思路的确定、物理实验的开展，还是学术论文的发表及硕士论文的 完稿，无不倾注了导师的大量心血及亲切关怀。恩师渊博的专业知识、踏实严 谨的治学态度和精益求精的工作作风时时激励着我，使我受益终生。在此，谨 向恩师刘全坤教授表示诚挚的感谢、崇高的敬意和美好的祝福! 特别感谢王成勇老师协助我在东莞宜安电气制品有限公司进行课题研究数 据的采集及实验数据的分析。王老师，熟练的计算机软件应用能力及图像处理 能力，使我在专业软件的学习方面，受益匪浅! 同时，感谢研究生期间给予我指导和帮助的薛克敏教授、李萍教授、陈文 琳教授、陈忠家教授、王强高级工程师等，他们都给我的论文完稿提供了宝贵 的意见! 衷心的感谢研究所的陈从升博士、刘俊松博士、王可胜博士、刘克素博士、 韩豫博士、李亨博士、桂中祥博士、李奋强博士、赵雅丽硕士、唐凯硕士、张 金宝硕士、李恩硕士、侯磊硕士、马灿硕士、王琬璐硕士、王磊硕士、梁卫抗 硕士、赵磊硕士、郑金星硕士、钱凌云硕士、王鸿基硕士、陈晨硕士、林标华 硕士及其他师兄师弟师妹们对我课题的研究及生活上的关心和帮助! 深深地感谢我的父母，他们在经济上和精神上给我的巨大支持和鼓励，使 我顺利完成学业，感谢他们对我的教育与培养。在人生道路上，我每一步所取 得的成就都与他们对我的无私关怀分不开! 最后向所有在我学习、生活及工作中给予我关心及帮助的老师、同学及亲 戚朋友表示衷心的感谢! 作者：朱汝城 2 0 11 年3 月 日求 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 2 压铸成形技术概述2 1 2 1 压铸成形基本原理2 1 2 2 四级压铸成形工艺分析2 1 2 3 压铸模的工作状态3 1 3 压铸成形工艺数值模拟的研究现状4 1 4 课题来源和研究内容7 1 4 1 课题来源7 1 4 2 研究内容7 1 4 3 拟解决的关键问题8 第二章压铸成型工艺有限元仿真的基本理论1 0 2 1 温度场有限元仿真的基本理论1 0 2 2 压铸成形过程中瞬态温度场的基本方程1 1 2 3 压铸成形过程中应力场数值模拟的基本理论1 2 2 3 1 弹塑性问题的增量方程1 2 2 3 2 热应力的计算1 3 第三章咖啡机顶盖压铸工艺分析1 5 3 1 零件的结构工艺分析1 5 3 2 压铸件分型面的设计1 6 3 2 1 分型面的类型1 6 3 2 2 分型面的选择1 7 3 3 浇注系统的设计1 8 3 3 1 浇注系统的结构组成1 8 3 3 2 浇注系统的分类1 8 3 3 3 多型腔横浇道的布局1 8 3 4 两类浇注系统的设计1 9 3 4 1 内浇口位置的确定1 9 3 4 2 内浇口尺寸的确定1 9 3 5 横浇道的设计2 0 3 6 排溢系统的设计2 1 第四章两类浇注系统对模具热疲劳的影响2 2 4 1 有限元模型的建立2 2 4 1 1 几何模型的导入2 2 4 1 2 有限元网格的划分2 3 4 2 模拟参数设定及边界条件的加载2 3 4 3 模拟结果分析与讨论2 4 4 3 1 温度场模拟结果与分析2 4 4 3 2 应力场模拟结果与分析2 6 4 3 3 模具热疲劳分析与预测2 8 4 4 结束语2 8 第五章啡机顶盖压铸工艺参数的正交优化3 0 5 1 压铸工艺条件的选取3 0 5 1 1 浇注温度3 0 5 1 2 模具预热温度3 0 5 1 3 压射比压3 1 5 1 4 压铸速度3 l 5 2 正交试验设计方法3 2 5 3 正交试验的表头设计及方案安排3 2 5 3 1 正交试验指标的确定3 2 5 3 2 正交试验表头的设计3 3 5 3 3 试验方案的安排3 3 5 4 实验结果分析。3 4 5 4 1 实验结果的极差分析3 4 5 4 2 最优与最差生产条件下实验结果的对比分析3 6 5 5 结束语3 7 第六章基于神经网络与遗传算法的压铸模工艺参数优化3 8 6 1 人工神经网络简介3 8 6 2b p 神经网络的建立3 9 6 2 1b p 神经网络训练样本的选择3 9 6 2 2b p 网络的训练及设计过程4 0 6 3 基于遗传算法的参数优化4 4 6 3 1 遗传算法简介4 4 6 3 2 遗传算法程序的设计4 5 6 3 3 遗传算法优化过程4 7 6 4 优化结果验证4 7 6 5 物理试验验证4 9 6 5 1 实验材料的准备及熔炼工艺4 9 6 5 2 模具的安装与调试5 0 6 5 3 试验结果与分析5 0 6 6 结束语5 1 第七章结论与展望5 2 7 1 全文总结”5 z 7 2 主要创新点：5 3 7 3 研究展望5 3 参考文献5 4 攻读硕士期间发表发的论文5 8 插图清单 图1 1 压铸过程示意图2 图1 2 多级压射过程示意图2 图1 3 软件分析系统流程4 图1 4 圆柱筋式制动盘有限元模型6 图1 5 主要研究内容及逻辑关系图9 图3 1 零件三维图1 5 图3 2 零件二维图1 6 图3 3 分型面的基本形式1 7 图3 4 咖啡机项盖分型面1 7 图3 5 浇注系统的组成1 8 图3 6 端面侧浇口1 9 图3 7 浇注系统和溢流系统结构图2 1 图4 1 三维装配体爆炸图2 2 图4 2 装配体网格2 3 图4 3 工艺特征区2 4 图4 4 工艺特征区典型节点的温度场曲线图2 5 图4 57 6 0 步时温度场分布云图2 6 图4 67 3 5 步时应力场分布云图2 6 图4 77 4 0 步时凝固顺序分布图2 7 图4 8 工艺特征区典型节点v o n m i s e ss t r e s s 曲线图。2 7 图4 9 模具热疲劳分布云图2 8 图5 1 工艺特征区3 3 图5 2 因素主次顺序图3 5 图5 3 指标的变化趋势图3 5 图5 4 模具温度场分布云图。3 6 图5 5 a 区6 3 1 1 5 号节点v o n m i s e ss t r e s s 应力曲线3 7 图5 6 模具热疲劳分布云图3 7 图6 1b p 神经网络结构模型3 8 图6 2 三层b p 网络结构模型4 0 图6 3b p 神经网络的i j i i 练过程4 3 图6 4b p 网络输入与输出的函数关系4 3 图6 5 网络误差曲面图与等高线图4 4 图6 6 遗传算法流程图4 4 图6 7 目标函数的变化过程4 7 图6 8 温度场分布云图4 8 图6 9v o n m i s e ss t r e s s 应力曲线图4 8 图6 1 0 模具热疲劳分布图4 9 图6 1 1 熔炼工艺流程图4 9 图6 1 2 合模后模具装配图5 0 图6 1 3 现场模具调试图5 0 图6 1 4 压铸件实物图5 1 表格清单 表3 1 内浇口厚度经验数据2 0 表3 2 梯形截面横浇道尺寸的选择2 0 表4 1 压铸主要工艺参数2 4 表4 2d i ec o m b o 的主要技术参数2 4 表4 。3h p d c c y c l i n g 循环参数2 4 表5 1 各种合金常用的浇注温3 0 表5 。2 四种压铸工艺参数的取值范围3 1 表5 3 试验指标瓦，计算3 2 表5 4 压铸热疲劳分析试验因素水平表3 3 表5 。5 实验方案及实验结果3 3 表5 6 试验因素极差分析表3 4 表6 1 神经网络训练样本3 9 表6 2b p 网络训练参数4 l 表6 3 训练样本的f e m 结果和a n n 仿真训练结果对比4 2 表6 4b p 神经网络测试样本4 4 表6 5 测试样本的f e m 结果和a n n 结果对比4 4 表6 6g a 优化结果和正交优化结果对比4 7 表6 7g a 优化结果和f e m 模拟结果对比4 7 第一章绪论 1 1 引言 随着压铸产品在机械、轻工、电子、国防等行业的应用，特别是在电子产 业和汽车产业中的广泛应用，促进了压铸技术的发展。压铸成型工艺在机械制 造工业中的飞速发展，对压铸模具的需求量与日俱增，给压铸模具行业带来了 广阔的前景，同时也带来了新的挑战【l 】。根据压铸技术的发展趋势，压铸产品 的特征表现为：零件的表面质量和加工精度要求越来越高；小型化多功能产品 和大型产品的结构越来越复杂；高温、高速、高摩擦及腐蚀性工作环境对压铸 产品工艺技术和缺陷控制技术要求越来越高。 压铸生产具有三大关键要素：压铸模、压铸设备和压铸工艺。压铸模是关 键的压铸生产装备，是技术密集型的产品。高压、高速是压铸成型工艺的基本 特点，其产品也广泛应用在一些复杂、精密度高的器械上，因此压铸模具的设 计是比较复杂，其技术要求是相当高的，压铸模的设计及制造存在工作量大， 周期长等特点。一副压铸模具设计的合理性，直接关系到压铸生产中零件成型 质量的高低，作业循环的快慢，模具的制造难易程度及模具的使用寿命l j 。 热疲劳失效是压铸模早期失效的普遍原因。据相关资料统计，我国热作模 具钢因热疲劳而失效的，占模具失效总数的7 0 左右【3 】。在压铸生产中，压铸 模表面由于受到高温、高速、高压液态金属的冲刷，使模具表面温度迅速达到 5 5 0 6 5 0 。这种快速，连续的反复加热与冷却，在压铸模具表面与内部存在着 较大的温度梯度，由此温度梯度所产生的热膨胀，导致模具内部存在较大的热 应力【4 1 。同时，接触部位的屈服强度受较高的表面温度的作用迅速降低，在模 具表面几毫米内，当热应力超过模具材料的高温屈服强度，并产生明显的塑性 变形，模具表面因周期性温度变化导致周期性热膨胀和收缩及周期性热应力， 进而引起热疲劳，导致模具寿命低下。 模具热疲劳失效问题已经成为企业提高零件质量、生产效率的瓶颈。如何 提高模具的使用寿命，以最低的成本生产出优质压铸件，提高产品竞争力，已 成为企业的迫切任务。随着计算机、图象处理技术及数值模拟技术的日益成熟 与完善，数值模拟技术己经广泛应用到压铸领域中【5 】。模拟结果的科学性和可 视性大大改变了压铸模具设计与压铸工艺设计的传统观念。压铸模具温度场及 热应力场是非稳定的，随时间变化的，影响因素较多。仅依靠工程技术人员的 操作经验，很难在产品设计之初，预测压铸件的成形缺陷，并设计出较合适的 浇注系统，选取较优的工艺参数。因此本文在模具设计之初，采用数值模拟软 件，对压铸成形工艺的进行模拟，在此基础上对模具结构进行改进，对压铸成 形工艺参数进行优化，来延长压铸模具使用寿命，降低产品成本，提高产品竞 争力。因此，压铸工艺的数值模拟及模具热疲劳失效的研究具有重要的理论意 义和实用价值。 1 2 压铸成形技术概述 1 2 1 压铸成形基本原理 压力铸造是将熔融的液态金属注入压铸机的压室，通过冲头的多级压射运 动，使液态金属在高压作用下，以较高的剪切速率通过模具浇注系统填充型腔， 在压力下结晶并迅速冷却凝固形成压铸件6 1 。压铸过程示意图如图1 1 所示。 墅 图1 1 压铸过程示意图 1 2 2 四级压铸成形工艺分析 在压铸过程中，金属液在压室和压铸模型腔中的运动可分解为四个阶段， 在不同阶段，作用在金属液上的压射压力并不是一个常数，而是在不同的压射 阶段不断改变。图1 2 表示在不同阶段，压射冲头的运动速度与金属液所受的压 力的变化情况 7 1 。 图瞄瞄图 t 一一压铸的各个阶段；v 一一压射冲头的运动速度；p 一一压射压力 图1 2 多级压射过程示意图 第一阶段t l ：压射冲头以慢速v l 前进，封住进料口，金属液被推动，其所 受压力p l 也较低，此时p l 仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩擦阻力。 第二阶段t 2 ：在压射冲头作用下，金属液将完全充满压室至浇口处的空间， 2 压射冲头的速度达到v 2 ，压力p 2 也由于压室中金属液的反作用而超过p l 。 第三阶段t 3 ：金属液充填浇注系统和压铸模型腔，因为内浇口面积急剧缩 小，故使金属液流动速度v 3 下降，但压力则上升至p 3 ，在第三阶段结束前，金 属液因压射机构的惯性关系，而发生水锤作用，使压力增高，并发生波动，待 波动消失之后，即开始压铸的第四阶段。 第四阶段t 4 ：主要任务是建立最后的增压，使压铸件在压力p 4 下凝固，而 达到使铸件致密的目的。所需最终压力p 4 的大小与合金的种类、状态( 黏度、 密度) 和对铸件的质量要求有关。p 4 一般为5 0 。5 0 0 m p a 。如果在最终压力达到 时，浇注系统中的金属仍处于液态或半固态，则压力p 4 将传给凝固中的铸件， 缩小压铸件中的缩孔、气泡，改善铸件表面质量( 特别是在半固态压射时) 。 上述过程称为四级压射。根据工艺要求，压铸机均应实现四级庄射。目前 使用的大中型压铸机为四级压射，中小型压铸机多为三级压射，中小型压铸机 是把四级压射中的二和三阶段合为一个阶段。从下l 一下4 为一个压铸周期，其中p 3 愈高，所得的充填速度愈高，而p 4 愈大，则愈易获得外轮廓清晰、组织致密和 表面粗糙度要求高的铸件。在整个过程中，p 3 和p 4 是最重要的。所以，在压铸 过程中，压力的主要作用是为了获得定程度的压射速度，保证液态金属的流 动性。 1 2 3 压铸模的工作状态 在压铸生产过程中，压铸模工作时主要承受热冲击、机械冲击及环境引起 的冲击，其中对模具寿命影响最大的是机械冲击和热冲击。压铸生产中金属液 被压入型腔时产生的作用力可高达数百吨以上。合模和压射时，由于高温高速 液态金属的冲刷和接触产生巨大的热应力作用，模板、模座、型腔镶块、支承 板、垫块等分别产生弹性变形和挠曲变形，当这些应力值超过材料的疲劳极限 时，模具就会产生热疲劳失效。 所谓“热疲劳 是零件( 如热作模具) 在循环热应力的反复作用下所产生 的疲劳裂纹或破坏。压铸模的截面尺寸较大，其型腔表面受高温金属液的急热、 急冷冲刷作用，沿压铸模截面的温度梯度大，而内层的温度变化则较小。因而， 表层的热膨冷缩受到内层的约束而产生热应力。如型腔表面受热膨胀时，受到 内层的约束使表层产生压应力；而其冷却收缩时，又受到约束使表层产生拉应 力。如果热应力大于材料在该温度下的屈服点，便会发生压、拉塑性应变。这 样，型腔表面在循环热应力的作用产生循环的塑性应变，经过长期服役之后， 导致表面产生许多细小的裂纹，即热疲劳裂纹【s 】。 在型腔表层由于热疲劳裂纹的产生，模具型腔有膨胀、收缩的余地，热应 力得以松弛，裂纹不会向纵深发展，一般仅数毫米。所以，热疲劳裂纹属于细 小浅表裂纹，除了表面质量要求高的压铸模外，普通压铸模出现热疲劳裂纹后 仍然继续服役。但是，在机械应力的持续作用下，加上持续氧化腐蚀，以及由 于坯料的摩擦、挤入所产生的对裂纹扩张作用，可使裂纹继续向纵深扩展，并 可能成为脆断和疲劳断裂的裂纹源。 在压铸过程中，模具局部形成热节，大都是由于制件的复杂形状或壁厚不 均等因素造成的。热节的存在造成了模具局部和整体的冷却不平衡，容易在制 件中产生缺陷如缩孔、缩松以及在制件中形成残余应力；热节的形成还破坏了 模具的温度平衡，容易形成模具的热疲劳，从而缩短了模具的使用寿命及成型 精度。压铸模具工作条件十分恶劣，模具受周期性热应力和机械应力作用。因 此，要求模具材料具有高的热弹性、抗热疲劳性、耐磨性和耐腐蚀性。 1 3 压铸成形工艺数值模拟的研究现状 压铸成形工艺是一种先进的金属成形方法，是实现少切屑、无切屑金属成 形的有效途径，应用范围较广。但其生产的压铸件也存在着废品率高，零件内 部组织不够致密，产品性能较低，模具经常维修、热疲劳失效等问题。减少压 铸件成型缺陷已成为企业进一步提高生产效率，提高产品性能的迫切任务。对 此国内外学者进行了大量研究。 加拿大国家研究院在解决与工业零件铸造有关的模具型腔设计与制造问题 时，应用压铸生产计算机模拟技术，在预测铸造缩孔、缩松、残余应力及变形、 微观组织等缺陷方面，其所开发的软件具有较强的功能，同时包括材料库和专 家系统9 1 。 罗蓬根据模糊控制论的基本原理，设计一个模糊控制器，通过模糊控制运 算，得到压铸模浇注系统的基本参数：充型时间和内浇口速度，为压铸模具c a d 提供了一种新的算法【l0 1 。 清华大学李朝霞，张雷等运用自主开发的 f d m f e m 集成热应力分析系统，研究了镁合金模具 的变形和热应力场，得出开模后动模分模面没有约 束，冷却较快的部位产生了变形，该变形影响了铸 件尺寸精度，同时会使铸件产生飞边的缺陷，软件 分析系统流程图如图1 3 所示【l 。 于海朋等采用正交试验研究了工艺参数对压铸 a m 5 0 合金力学性能的影响，结果表明，压铸工艺参 数对a m 5 0 合金压铸件力学性能影响的显著性顺序 为：浇注温度、压射速度、铸型温度，其中浇注温 实体几何造型 实体网格划分 上上 有限差分li 有限元i 边界约束 条件 l l 温 温度载荷转换 。 应 度 力 计 算 场 i 性能参数l 分 模 拟 析 tt 模拟结果输出 度的影响最为显著【1 2 1 。图1 3 软件分析系统流程 纪莲清等人通过改变浇道尺寸研究压铸工艺参数对铝合金超低速压铸件性 能的影响，得到了优化的超低速压铸工艺及其参数【1 3 1 。 4 陈怀国等人基于压铸系统匹配优化的思想，自主研发了一款压铸工艺设计 软件，该软件在进行压铸工艺参数的设计时，能有效地保证各相关参数的匹配 性，并使所设计的模具具有较好的工艺柔性，但该方法仍然是基于经验数据或 者实验基础之上【l4 1 。 山东大学郝良品等人在建立缩松预测判据的数学模型过程中，引入影响缩 松形成的压力项 i5 1 。根据共晶转变合金的凝固特点，用固相率梯度代替了温度 梯度，同时在修正冷却速度过程中，提出等价冷却速度的概念。推导预测缩松 的新判据表示为： r g s 厄k ( 1 1 ) 式中，异一一金属单元受到的压力，g 。一一固相率梯度，足一一等价冷却速度。 贵纲等人采用l e v e n b e r g - - m a r q u a r d t 算法训练神经网络，在样本选择时以 铸造模拟软件数值计算获得一些工艺参数的数据作为网络样本。在建立神经网 络输入参数和输出值之间的非线性关系后，再使用遗传算法对该问题寻优，从 而得到最合适的压铸工艺参数【l6 1 。 a l p u r v i r 等模拟了一维约束圆棒的热传递过程，利用温度梯度计算凝固 过程热收缩、热应变、应变率及相应的热应力，计算结果与实测相符【l 。 w a l l a c e 等研究了模具温度和模具热疲劳裂纹，认为冷却管道对降低模具温 度和热疲劳裂纹的形成有重要的作用，冷却管道越接近型腔表面，模具型腔表 面受到金属液冲击时温度不会上升的太高，在冷却水的作用下模具表面温度下 降速度也增快，这样模具温度就越容易从高温转向低温，保持了模具的强度和 硬度，模具所受的热应力也相对较低，其应力值也较为稳定，模具的热裂倾向 大大减少【l8 1 。 r a g a b 等【19 】模拟了压铸件从凝固到冷却至室温后的变形，以便根据预测变 形度，通过修改模具的工艺设计做出反变形度来补偿，以提高铸件的尺寸精度。 勒玉春等通过合理的简化压铸模传热过程，仔细分析压铸模材料热性能随 温度变化的特性，建立了压铸模温度场的数学模型，开发了相应的有限元分析 程序【2 0 】。 哈尔滨工业大学宁志良，周彼德，薛祥等采用自行开发的模拟软件，模拟 了水泵壳体压铸件及压铸模具在压铸过程中的温度变化，再利用c o s m o s 软 件，将温度场的模拟结果转换成热载荷，进行了应力场的模拟。模拟结果表明 低的预热温度和无热阻会导致热应力显著上升，确定了热疲劳的热力学条件及 疲劳裂纹扩展的能量判据垆j 。 张建宁，陈海峰等人采用有限元软件a n s y s 研究了压铸初期模具型腔温度 场及应力场的分布情况。通过分析压铸模型芯温度场与热流分布图以及最大应 力分布图，得出冷却水管的作用以及预热对模具温度梯度的影响【2 。 韩雄伟，吴卫等人采用p r o c a s t 对铝合金压铸用模具在压铸过程中的温度 场进行了数值模拟，并采用热焓法处理压铸边界条件和传热系统的潜热，分析 了在不同的浇注温度和模具预热温度下，模具的温度场的变化情况，并且预测 了热应力集中的位置，分析了冷却水管的作用，为压铸模具的热应力分析奠定 基础，对压铸工艺参数的优化提出了见解【2 2 | 。 于辉，杜凤山，李亮等人根据热疲劳损伤力学和有限元技术，建立了复杂 热力学边界条件下的热应力分析模型，研究了复杂温度环境下的热疲劳损伤现 象得出高温交变热冲击条件下热疲劳裂纹的扩展特性及多变量耦合作用下的温 度场、热应力场等的分布规律