（材料加工工程专业论文）基于cae的铝及镁合金壳形件压铸工艺分析与优化.pdf

哈尔演胖t 人学t 学硕 j 学位论文 基于c a e 的铝及镁合金壳形件压铸工艺分析与优 化 摘要 压铸是金属加工工艺中一种先进的铸造方法，是一种生产效率较高的精 密成形工艺。对于复杂零件或其他铸造方法无法制备的零件，使用压铸可获 得高品质的铸件。 我国具有丰富的镁资源，镁合会具有铝等其他轻合金材料无可比拟的巨 大优势，因此被认为是2 1 世纪最具丌发前景的轻质结构材料。随着科学技 术的不断进步，节能降耗要求的提高以及对环保的同益重视，尤其自2 0 0 1 年度家电再循环法实施以来，镁合金因优越再循环特性替换以往材料的工作 正在逐步展开。本课题针对一个原始材料为z l l 0 2 铝合会的实体零件在实 际生产中所存在的缺陷进行深入的研究，从液态金属充型和凝固过程的基本 特点出发，以数值模拟过程中的有关理论为基础，采用有限元法对其实际充 型和凝固过程进行数值模拟，分析产生缺陷的原因。 本文借助p r e e n g i n e e r 软件对z l l 0 2 铝合金壳形件进行三维实体建 模，并生成了模拟所需的网格文件。在确定了z l l 0 2 壳形件工艺参数后， 利用铸造仿真软件p r o c a s t 分别对零件在所设计的两种浇注系统下的充 型、凝固过程进行了数值模拟，得到了零件温度场的分布和可能出现的缺陷 部位。结果表明：当浇注温度为7 0 0 。c ，压射速度为2 m s 时，采用中心浇 口浇注系统得到的壳形件优于侧端面浇口浇注系统。 在此基础上，将上述壳形件的材料替换为a z 9 1 d 镁合金，用p r o c a s t 对其充型和凝固过程进行了数值模拟，并分析了工艺参数对a z 9 1 d 镁合金 压铸性能的影响，最后建立了a z 9 1 d 镁合金性能和工艺数据库。结果表 明，在浇注温度为6 8 0 ，压射速度为2 m s 的条件下，采用中心浇口浇注 系统时a z 9 1 d 镁合金具有更好的流动和充型能力。 关键词铝及镁合会；数值模拟；工艺分析；优化浇注系统 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 d i e - c a s t i n gt e c h n o l o g ya n a l y s i sa n do p t i m a z a t i o n f o rs h e l lc a s t i n go fm a g n e s i u m - - a l u m i n i u ma l l o y b a s e do nc a e a b s t r a c t d i e - c a s t i n gi saf a s t - d e v e l o p p i n gc a s t i n gm e t h o di nm o d e mm e t a l w o r k i n g t e c h n i c s ，a n di sap r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s si ni m p r o v e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y f o rt h ep a n s ，w h i c hi sc o m p li c a t e do rc a nn o tb eo b t a i n e db yo t h e rc a s t i n g m e t h o d ，c a nb eo b t a i n e db yu s i n gd i e c a s t i n g ，f o rh i g h - q u a l i t yc a s t i n g t h e r ea r ea b u n d a n tr e s o u r c e so fm a g n e s i u mi no u rc o u n t r y , c o m p a r e dw i t h o t h e rl i g h ta l l o ym a t e r i a l ss u c ha sa l u m i n i u ma l l o y , m a g n e s i u ma l l o yh a s i n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s ，s o i ti sc o n s i d e r e dt ob et h e l i g h t w e i g h ts t r u c t u r a l m a t e r i a l sw h i c hh a st h em o s td e v e l o p m e n tp r o s p e c ti n21t hc e n t u r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，e n e r g ys a v i n g ，c o n s u m p t i o nr e d u c t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v eb e e nt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni n c r e a s i n g l y e s p e c i a l l y , s i n c et h ey e a r2 0 0 1w h e nt h el a wo fh o u s e h o l da p p l i a n c e sr e c y c l i n g e n f o r c e d ，t h ep a c et h a tt h em a g n e s i u ma l l o y , w h i c hh a ss u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i co f r e c y c l i n g ，r e p l a c e st h em a t e r i a l si nt h ep a s ti ss p e e d i n gu p a sar e s u l t ，t h e t h o r o u g hr e s e a r c ho ft h ed e f e c t st h a to c c u r r e dd u r i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o ni na z l10 2a l u m i n i u ma l l o ye n t i t yp a r tw a sd o n ei nt h i st a s k a c c o r d i n gt ot h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e n - m e t a lf i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sc a r r i e di nt h ew a yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) o nt h eb a s i s o fr e l a t e dt h e o r i e so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s s t h er e a s o no fd e f e c t s a p p e a r i n gw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ev i s u a l i z a t i o no ft h em o l df i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o n a n dt h eg a t i n gs y s t e mw a so p t i m i z e do nt h i sb a s i s a f t e rr e p l a c e d a l u m i n i u ma l l o yp a r t sb ym a g n e s i u mo n e s ，t h ep r o c e s so ft h e i rm o l df i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h eg a t i n gs y s t e mw a so p t i m i z e da sw e l lb e o b t a i n e dp r o f e s s i o n a lp r o c e s sd a t al i b r a r y w i t ht h e3dm o d e io fz l10 2s h e l lp a r tw h i c hw a sb u i l tw i t hp r o e ，t h e 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 s u r f a c em e s hf i l ew a sp r e p a r e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a f t e rt h ed i e c a s t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e d ，t h ef i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i n gp r o c e s s e so ft h e z l10 2s h e l lp a r tu n d e rt w ok i n d so fc a s t i n gs y s t e m s ，w h i c hw e r ec e n t e rc a s t i n g s y s t e ma n ds i d ec a s t i n gs y s t e m ，w e r es t u d i e dw i t hn u m e r i c a ls o f t w a r ep r o c a s t , e v e n t u a l l yt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dp o t e n t i a ld e f e c tl o c a t i o no ft h e p a r tw e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h ep a r tw i t hc e n t e rc a s t i n gs y s t e m w a sb e t t e rt h a nt h a to fs i d ec a s t i n gs y s t e mw h e nt h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ea n d p l u n g e ri n j e c t i o ns p e e dw e r e7 0 0 。ca n d2 m sr e s p e c t i v e l y t h e nan e wn u m e r i c a lm o d e lw a sb u i l tw i t ha z 91d m a g n e s i u ma l l o y , a n d i t s f i l l i n g a n d s o l i d i f i c a t i n gp r o c e s s e sw e r es i m u l a t e da l s ow i t hp r o c a s t m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c eo fd i e c a s t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ec a s t i n g p r o p e r t i e so fa z 9 1dm a g n e s i u ma l l o y , f i n a l l yi t sp r o p e r t i e sd a t e b a s ea n dp r o c e s s p a r a m e t e r sd a t e b a s ew e r ee s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o n a lr e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e r t h ec o n d i t o no fp o u r i n gt e m p e r a t u r e6 8 0 * ( 2 ，p l u n g e ri n j e c t i o ns p e e d2 m s ，t h e a z 91dm a g n e s i u ma l l o yg a i n e dm o r ef l o w i n ga n df i l l i n ga d v a n t a g ew h e nt h e c e n t e rc a s t i n gs y s t e mw a sa p p l i e d k e y w o r d s a l u m i n u ma n dm a g n e s i u ma l l o y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e c h n o l o g y a n a l y s i s ，o p t i m i z i n gp o u r i n gs y s t e m 1 1 i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a e 的铝及镁合金壳形件 压铸工艺分析与优化，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 秘毵 同期：2 0 0 9 年3 月1 5 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c a e 的铝及镁合金壳形件压铸工艺分析与优化系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：幽先跣 同期：2 0 0 9 年3 月1 5 同 刷帷轹私砖 嗍：2 0 0 9 年3 1 5r 哈尔滨理t 人学丁学顶 j 学位论文 第1 章绪论 随着节能、环保意识的不断提高，轻合金的用途正在不断的扩大，除应用 于航空航天领域和汽车工业外，还广泛应用于电子产品、电动工具、家用电 器、医疗和运动器械、休闲用品等领域【1 1 。并且，以质轻和可回收利用为应用 特点的镁合金结构材料的丌发和应用已经得到越来越多的研究和关注，许多铝 合金零件正在被镁合金所代替，镁合会的使用量也呈现出逐年增加的趋势。镁 合金正在被誉为是2 l 世纪最具丌发前景的绿色轻质结构材料 2 1 。 1 1 轻合金概述 1 1 1 铝合金概述 铝及铝合会具有密度小、耐蚀性和成型性好等一系列优点，在航天、航 空、船舶、核工业及兵器工业等有着广泛的应用前景和重要的地位，因而铝和 铝合金的研制技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。 1 1 2 铝及铝合金的性能特点 1 铝合会密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝的密度 2 7 2 9 c m 3 ，仅为铁的l 3 ，熔点为6 6 0 4 c ，导电性仅次于c u 、a u 、a g 。铝合 金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率 极低，属于非铁磁材料。 2 抗大气腐蚀性能好。铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合舍 表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液 中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合会制作的容器盛放盐和碱溶液。 3 加工性能好，比强度高，纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具 有较高的塑性( 6 = 3 0 - 5 0 ，1 l ，= 8 0 ) ，易于压力加工成型，并有良好的低温 性能，纯铝的强度低，on = 7 0 m p a ，虽经冷变形强化，强度可提高到1 5 0 - - 2 5 0 m p a ，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理， 其抗拉强度可达到5 0 0 - - 6 0 0 m p a ，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞 机的主要结构材料。铝合盒按生产工艺可分为铸造铝合金和变形铝合会两大 类。铸造铝合金又可分为a 1 s i 系铸造铝合金、a 1 c u 系铸造铝合金、a i m g 哈尔滨珲t 人学t 学硕l j 学位论文 系铸造铝合金。变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝四类。防锈铝 包括a 1 m n 及a 1 - m g 系合金，抗腐蚀性好，机械强度高于工业纯铝，同时具 有良好的焊接性能，但不能进行热处理强化。硬铝属a 1 c u m g 合金系，具有 很强的时效硬化能力，可热处理强化。铜是硬铝中的主要合金元素，为了提高 强度，铜含量控制在4 0 4 8 的范围内。锻铝合金有a i m g s i 和a i m g s i c u 系普通锻用铝会及a 1 c u m g f e n i 系耐热锻铝合金三种。该类合金的主 要特点是有良好的热塑性，适用于生产锻件。超硬铝属a 1 z n m g c u 系，是铝 合金中强度最高的一类。通过控制镁、锌总量，添加适量的铜、铬及锰，可改 善合金的抗应力和抗腐蚀能力1 3 i 。 1 1 3 镁合金的概述 在各种压铸用的合金中，镁合会的密度最小，具有很好的力学性能，是一 种非常优良的轻质合金材料，镁合金又具有熔点低、凝固快、凝固收缩小不腐 蚀钢质模具等特点，这决定了其良好的压铸性能，镁合金的压铸件正逐渐扩 大。镁合金被誉为是2 1 世纪最具开发前景的绿色轻质结构材料【4 】。 1 1 4 镁合金的性能特点 1 镁合金重量轻，密度为1 7 5 1 9 0 9 c m 3 ，约为铝合金的6 4 ，锌合金的 2 7 ，钢的2 3 ，是轻型的会属结构材料之一。 2 镁合金具有很高的比强度、比刚度和比弹性模量，比刚度接近铝合金 和钢，远远高于工程塑料，在铸造材料中仅次于铸造钛合金和高强结构钢。 3 镁合金具有良好的阻尼减震性，受力时能产生较大的弹性变形，因而 在受冲击载荷和振动时能吸收较大的能量。镁合金的弹性模量低，约为 4 5 0 0 0 m p a ，因此具有良好的能量吸收能力。在弹性范围内，镁合会件受到冲 击载荷时吸收的能量比铝合金件大l 倍，所以镁合会具有良好的抗震减噪性。 4 镁合金具有良好的压铸性能，抗拉强度和铝合金相当，一般可达到 2 5 0 m p a ，最高可达到6 0 0 m p a 以上。镁合会的屈服强度、延伸率也和铝合金 接近。 5 镁合金件具有良好的机械加工性能，镁合金可以应用很高的速度进行 切削加工，但其相对能耗低于其他会属。镁合金件的切削速度可以比铝合金件 提高5 0 ，加工能耗比铝合合件低5 0 。 6 镁合会具有良好的电磁屏蔽性、防辐射性能。 7 镁合金具有良好的尺寸稳定性。镁合金件突出的特性是不需要退火和 哈尔滨理t 人学丁学顾f j 学位论文 消除应力就具有很好的尺寸稳定性，且在负载下具有较高的抗蠕变强度。 8 镁合金可做到1 0 0 的叫收重复利用，因此被称为2 1 世纪的绿色金属 材料。 9 镁与氧的化学亲和力很强，且表面生成的氧化膜是不致密的，液态下 该表面更疏松，故氧化剧烈，很容易燃烧。氧化膜致密与否是由它的致密度系 数决定的，镁的值是0 7 9 ，远小于l ，故氧化膜是疏松的。疏松且导热性能差 的氧化膜的包覆不能阻碍镁和氧气的结合，因此镁合金的熔炼和铸造均需要采 用专门的防护措旌。熔炼通常在熔剂覆盖下进行，但易引起铸件中有氧化夹杂 和熔剂夹杂。用气体保护熔炼，可避免夹杂缺陷。 1 0 镁的标准电极电位比铝低，并且它的表面氧化膜不致密，所以抗蚀性 差，镁在潮湿大气、海水、无机酸及盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧 烈腐蚀，所以镁铸件均需要进行表面氧化处理和涂漆保护。镁铸件在装配或镶 铸中应避免与铜、含镍钢等零件直接接触，否则会引起电化学腐蚀，所以一般 要用绝缘物隔开【5 8 1 。 1 2 合金压铸的工艺特点 1 2 1 铝合金压铸的工艺特点 铝合金的压铸工艺是汽车用铝合金成形工艺中应用最广泛的工艺之一， 压铸铝合金按性能分为中低强度( 如中国的v 1 0 2 ) 和高强度( 如中国的y 1 1 2 ) 两 种。压铸铝合金力学性能的提高往往伴随着铸造工艺性能的降低，压力铸造因 其高压快速凝固的特点使这种矛盾在某些方面更加突出，因此一般压铸件难于 进行固溶热处理，这就制约了压铸铝合金力学性能的提高，所以新型压铸合金 的开发研制一直在进行。 1 2 2 镁合金压铸的工艺特点 镁合金虽然具有很好的压铸性能，但压铸镁合金铸件时，具有一定的难 度，镁的化学性质很活泼，它与氧的亲和力很大，常温下反应速度缓慢，一般 不会燃烧。但在较高的温度下，镁及其合金与氧发生激烈的反应： 2 m g + 0 2 2 2 m g o + 6 11 5 8 2 k j( 1 1 ) 镁与水的作用，常温下反应缓慢： m g + h 2 0 = m g o + h 2( 1 2 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 m g + 2 h 2 0 = m g ( o h ) 2 + h 2( 1 3 ) 在高温下反应剧烈： m g + h 2 0 。m g o + h 2 + 3 2 4 。4 19 k j ( 1 4 ) 这一反应释放出的热量使水受热汽化，其体积膨胀几千倍，同时所生成的 游离态的氢再次与空气中的氧结合释放热量，因而会导致猛烈的爆炸。 液态镁与空气中的n 2 反应如下： 3 m g + n 2 = m 9 3 n 2 + 4 8 5 5 1 2 k j ( 1 5 ) 液态镁与空气中的s i 0 2 反应如下： 3 m g + s i 0 2 = 2 m g o + m g s i + q( 1 - 6 ) 上述反应生成氧化镁、镁的氮化物、镁的硅化物和游离的氢，会同时都放 出大量的热。由于覆盖在液态会属表面的氧化镁致密度很低，导热性能很差， 因此，反应时释放出来的大量热量不能迅速的散发出去，使得反应界面上的温 度迅速提高。温度的提高又加速了镁的气化，使镁的燃烧加剧。如此恶性循 环，反应界面上的温度越来越高，最高可达2 8 5 0 ，并发出耀眼白光的浓烟。 由于镁具有的上述特性，所以镁合金在熔炼和浇注过程中都需要保护。常 用的保护措施有以下两种。 1 溶剂保护，为了防止镁液的氧化燃烧，生产中一直采用在熔剂层的保 护下熔炼。其作用有两方面：第一，覆盖作用。熔融的熔剂借助表面张力的作 用，在镁液表面形成一层连续、完整的覆盖层，隔绝空气，阻止m g 和0 2 、 h 2 0 反应，防止了镁的氧化和燃烧。第二，精炼作用。熔融的熔剂对非金属夹 杂物有良好的润湿、吸附、聚合造渣能力，并利用熔剂与会属的密度差，把金 属央杂物随同熔剂从熔体中排除。镁合金熔剂主要由m g c l 2 、k c l 、c a f 2 、 b e c l 2 等氯盐、氟盐混合物组成。 2 气体保护，由于熔剂保护容易引进非金属央杂使镁合金的性能和耐蚀 性下降，所以目前多使用气体保护。常用的保护气体有s f 6 、c 0 2 、s 0 2 以及惰 性气体。气体保护是在镁液表面覆盖惰性气体或与镁夜反应生成致密保护膜的 气体，从而隔离空气中的氧，达到保护的目的。s f 6 混合气体保护气氛在当前 的镁合金熔炼和生产过程中被广泛采用。它几乎是一种无毒的保护方法，同时 不含熔剂夹杂，极大的提高了合金的抗蚀性。那主要是因为s f 6 和空气混合气 体与镁液接触后发生如下反应： 2 m g ( l ) + 0 2 = 2 m g o ( s )( 1 - 7 ) 2 m g ( l ) + 0 2 + s f 6 = 2 m g f 2 ( s ) + s 0 2 f 2 ( s )( 1 - 8 ) 2 m g o ( s ) + s f 6 = 2 m g f 2 ( s ) + s 0 2 f 2 ( 1 )( 1 9 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 其中主要产物是m g o ，也含少量致密系数1 6 的m g f 2 ，它们一起可形成 连续致密的保护膜，对熔体起到良好的保护作用。表l - 1 为s f 6 混合气体在不 同情况、不同配比下的适应情况9 1 2 l 。 表1 1 混合气体在不同情况、不同配比下的适戍情况 t a b l e1 - 1a p p l i c a t i o nc a s eo fp r o t e c t i v ea t m o s p h e r eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 镁合金的压铸技术正在随着市场需求的不断扩大而逐步展丌深入的研究。 1 3 压铸技术的概述 1 3 1 薄壁铸件及其压铸的技术特点 铝、镁合会具有许多优于其他余属材料的性能，从而使其在航空、航天、 汽车、电子等领域具有广阔的应用前景，而这些领域铸件结构的薄壁化和性能 强化是产品轻量化发展的前提1 1 3 1 。 薄壁铸件一般具有如下特征： 1 在薄壁铸件的浇注过程中，由液态金属表面张力引起的拉普拉斯力占 主要作用。拉普拉斯力的计算公式如式( 1 1 0 ) - 尸- 2 盯c 去+ 古， m 【，。 c ， 式中：盯为液态金属的表面张力；艿。、彦为铸件在x 、y 方向的壁厚。 2 薄壁铸件具有精密铸件的含义。 3 传热学因素在充型过程中起重要作用。铸件的温度场以及缩孔、疏 松、欠铸、冷隔、氧化央杂等铸造缺陷的形成有流动学因素和传热学因素共同 确定。 i l l l j - , 演理t 人学丁学硕i j 学位论文 除了拉普拉斯力的影响外，会属液的粘滞力也是影响薄壁件充型的重要因 素。考虑到拉普拉斯力和粘滞力对充型能力的影响，对于不同类型的铸件，薄 壁铸件的壁厚一般在小于3 m r a ，这样采用传统铸造技术就很难生产。薄壁铸件 能否顺利生产的关键在于金属液能否顺利充型。金属液只有完全充满型腔才能 够获得形状完整轮廓清晰的铸件。 为了实现金属液对型腔的顺利充填，人们常常采用提高金属液的浇注温度 或对铸型进行预热的方法。采用这两种方法的目的在于改善金属液的流动性， 延长金属液的流动时问，从而在一定程度上能够达到顺利充型。但是，这样做 必然会引入过多的热量，使得会属液冷却速率减小，温度梯度和凝固速度降 低，导致铸件凝固后晶粒粗大，缩孔缩松缺陷增多，恶化了铸件性能。另外， 由于金属液与铸型的润湿角很小，所以当铸件壁厚小到某一临界值时，金属液 本身的压力与薄壁处金属液毛细效应形成的拉普拉斯力相当，从而也不能顺利 充满型腔。所以这不是一种理想的解决薄壁件充型的办法。 人们在不断改进薄壁铸件铸造工艺的过程中发现，当金属液的自重无法提 供充型顺利进行的压力时可以通过对金属液施加压力来实现顺利充型。压铸就 是基于这样的考虑而形成的一种铸造工艺。 1 3 2 压铸技术简介 压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的少、无切削的特种铸造 方法。它是将熔融合属在高压高速下填充铸型，并在高压下结晶形成铸件的过 程。 高压和高速充填压铸型是压力铸造的两大特点。在压力铸造中，一般作用 在金属上的压力在2 0 m p a 2 0 0 m p a 范围，填充的初始速度为1 5 r n s - 7 0 r n s ，充型 时间仅为0 0 1 阳2 s 。与其他铸造方法相比，压力铸造有以下特点。 1 产品质量好。铸件尺寸精度高，一般相当于6 7 级；表面光洁度好，表 面粗糙度在r a 3 2 以下；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高2 5 3 毗， 但延伸率降低为7 0 ；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件，通常铸 件壁厚是2 6 m m ，小铸件可以做得更薄，大铸件可以更厚。 2 生产效率高。压力铸造的生产周期短，一次操作的循环时间约 5 s 3 m i n ，这种方法适用于大批量生产。 3 经济效果优良。由于压铸件尺寸精确，表面光洁。一般不再进行机械 加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了会属利用率，又减少了大量的 加工设备和工时；可以采用组合压铸，既节省装配工时又节省金属【1 4 】。 呛尔滨理t 人学t 学何! f j 学位论文 1 4 合金压铸的应用现状 1 4 1 铝合金压铸现状 压铸铝合金自1 9 1 4 年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发展和冷室 压铸机的发明，其压铸合金种类得到快速发展。中国现有的压铸企业3 0 0 0 家 左右。压铸件的产量从1 9 9 5 年的2 6 6 力吨上升到2 0 0 5 年的8 7 万吨，年增长 率保持在2 0 以上，其中铝合金压铸件占所有压铸产量的3 4 以上。目前工业 上应用的压铸铝合金主要有以下几大系列：a 1 s i 、a i m g 、a i s i c u 、a 1 s i m g 、a 1 s i - c u - m g 、a i z n 等。铝合金压铸工艺也是汽车用铝合金成形工艺中 应用比较广泛的工艺之一，在各种汽车成型工艺方法中占4 9 。 1 4 2 镁合金压铸现状 镁合会材料从1 8 0 8 年面世以来，1 8 8 6 年开始用于工业生产，并于1 9 1 6 年 就成功地将镁合金用于压铸件。从1 9 2 7 年推出高强度m g a l 9 z n l 开始，镁合 金的工业应用已获得了实质性的进展。 1 9 3 6 年德国大众汽车公司开始用压铸镁合会生产“甲壳虫”汽车的发动机 传动系统零件，1 9 4 6 年单车使用镁合会量达1 8 k g 左右。美国在1 9 4 8 - - 一1 9 6 2 年 间用热室压铸机生产的汽车用镁合会压铸件达数百万件1 1 5 - 1 7 i 。 在所有的压铸合金中，镁合会是目前最轻的结构金属材料，具有很高的比 强度、比刚度、比弹性模量、导热性、优良的流动性、切削加工性、抗电磁干 扰及屏蔽性能、可回收性和良好的阻尼性等一系列优良性能。而且随着镁冶炼 技术的不断提高，镁及镁合会的价格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成 熟，高纯镁合金材料耐蚀性的大幅提高以及人们对能源和环境保护的高度重 视，镁合金已经具备了铝等其他轻合会材料无可比拟的巨大优势，并且随着科 学技术的同益进步，在一些特殊行业对压铸产品的要求也越来越严格，一些铝 合金的压铸件正在被镁合会所取代，尤其是在航天、航空、汽车和3 c 产品等 领域正在得到广泛的应用。 目前许多手机厂商用镁铸材料手机外壳替换塑料外壳；用外部处理技术将 镁铸材料处理成不同颜色、不同质地的材料，用于高档电信和电脑产品。日本 及欧美有越来越多的厂家丌始采用镁合会制造家电产品机壳。如美国w h i t e m e t a lc a s t i n g 公司生产的外壳尺寸为6 1 0 m m 6 1 0 m m 的计算机外壳，就是 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 用镁合金压铸而成的。同本国内笔记本电脑、电视机、摄录器材、移动电话外 壳已大量采用镁合金，韩国l g 集团也在关注镁合金部件的开发，所属元佑精 密仪器厂引进热压机1 0 0 台，已开始批量生产移动电话部件1 1 8 , 1 9 1 。 为适应汽车轻量化及电子通讯产品抗干扰及屏蔽等的需要，有关镁合会应 用的研究正在兴起。国家已将镁合金定为“十五”计划重点发展的材料，有关 镁和镁合金开发、应用与产业化也列入了国家科技攻关计划和“8 6 3 计划， 并成立了国家“十五”重大科技攻关项目“镁合金开发应用及产业化 专家 组。国内各高等院校、研究所也投入大量的人力、物力及财力进行专门研究。 这显示着中国镁的开发与应用已经步入了一个崭新的发展时期。镁合金被誉为 是2 1 世纪最具开发前景绿色的轻质结构材料1 2 0 - 2 3 1 。 1 5c a d c a e 在压铸的应用现状 虽然一些合金具有良好的压铸工艺性能，但在实际生产中还存在着许多问 题，例如：镁合金液的氧化燃烧，镁合金铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔 化、浇注及压铸型温控制等方面都比铝合会压铸复杂。镁合金充型时间短，排 气问题尤为突出，镁合金的比热容和相变潜热均比铝合金低，因而压铸过程中 容易发生局部( 薄截面部位) 提前结晶现象，导致补缩通道堵塞，产生浇不足的 缺陷。因此镁合金压铸型设计、工艺参数设计不能照搬铝合金压铸，必须深入 地开展镁合金充型及凝固过程的研究。借助数值模拟的仿真过程，可以直接的 观察到熔化金属充填铸件型腔的流动1 2 4 1 。 目前，数值模拟被广泛认为是优化工艺设计的最佳途径。美国、德国、r 本等国的镁合金压铸企业十分重视镁合会c a d c a e 技术在产品生产工艺设计 上的应用，并取得了一定成果。如美国芝加哥w h i t em e t a l 铸造公司采用c a e 软 件获取薄壁家电产品机壳流场、温度场的各种信息，据此进行浇道、溢流槽和 冷却系统优化设计。利用模拟结果绘制p q 2 图，综合考虑多种因素的影响，最 终确定生产工艺中采用的最佳工艺参数值【2 5 1 。德国大众公司在开发奥迪5 倍速 镁合会变速箱体时采用m a g m a s o f i 软件成功分析了模具的可填充性、铸件凝固 过程以及包括复杂冷却系统的模具热平衡。基于流动分析，流道系统也得到了 优化，目前，这种产品己应用于p a s s a t 及奥迪a 4 、a 6 轿车上。同样，福特汽车 公司在开发5 4 升t r i t o n 发动机壳体时，采用p r o c a s t 进行了流动场与温度场的 耦合分析，优化了产品结构并缩短了开发周期。新加坡g i n t i c $ i j 造技术学院采 用热室压铸机对镁合金手机外壳进行生产，利用计算机辅助设计和模拟分析一 哈尔演理t 人学t 学硕l ：学位论文 体化技术，通过计算机展示镁合会充型、凝固的全过程，并分析缺陷产生的原 因，改进不合理的浇注系统工艺设计方案，有效地保证了产品质量。同时，我 国在铝、锌合金压铸的数值模拟方面己经丌展了大量的工作，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。如沈阳铸造研究所和香港理工学院研究了压铸计算机模拟浇口位 置对会属液充型过程的影响。王贵等利用p r o c a s t 对铝合金压铸件充型和凝固 过程进行了数值模拟。清华大学的李朝霞通过利用清华大学c i f t 研究室开发的 有限元有限差分集成应力分析系统，模拟了镁合金压铸用模具在压铸过程承 受的应力场和变形1 2 6 1 。 1 6 课题的研究内容和意义 随着节能与环保观念的r 益增强，轻合金的用途正在不断扩大，除应用于 航空航天领域和汽车工业外，还广泛应用于电子产品、电动工具、家用电器、 医疗和运动器械、休闲用品等领域。而使用镁合金制造的零部件，不仅能够减 轻自身重量、降低运输的油耗，并有助于质量的优化分布使产品更优。镁冶炼 技术也正不断提高，镁及镁合会的价格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成 熟。我国又具有丰富镁资源，所以镁合金已经具备了铝等其他轻合金材料无可 比拟的巨大优势。 基于合金铸件的应用领域日趋扩大，对压铸合金的充型和凝固性能提出了 更高的要求。而目前对镁合会压铸的充型和凝固规律、充型和凝固性能与压铸 工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，有待进行深入的研究。基于这种 发展形势，本课题针是对一个原始材料为铝合会的实体零件在实际生产中所存 在的缺陷，进行数值模拟，将其实际充型和凝固过程可示化，分析产生缺陷的 原因，并在此基础上进行浇注系统的优化。继而把传统用的铝合会材料替换为 镁合金，并研究a z 9 1 d 镁合金材料的充型和凝固过程及相关工艺参数对它的 影响，优化其浇注系统，建立镁合金性能和工艺的数据库。 计算机数值模拟压铸过程，可以帮助工程技术人员在计算机上进行模拟计 算。通过模拟计算，可在实际生产前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小， 部位和发生的时间进行有效的预测。以便于不断改进工艺，有效控制充型及凝 固过程，达到缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量的目的，使铸 造生产由单凭经验的生产转变为科学理论指导下的生产。应用铸造过程数值模 拟技术来改造和提升传统铸造技术，对于提高企业竞争力，提高企业经济效益 哈尔滨理下人学t 学顺i j 学位论文 具有重要的现实意义。 本课题以发展镁合金压铸为远景目标，致力于解决镁合会替代铝合金材料 的实际问题，用z l l 0 2 铝合金、a z 9 1 d 镁合金为研究对象，进行以下几方面 的研究工作。 1 利用p r o f e 软件对原始材料z l l 0 2 铝合金实体铸件进行三维实体造 型，同时对铸件进行浇注系统的设计，并建立有限元分析模型。 2 将建好的有限元分析模型导入专业的压铸模拟软件p r o c a s t ，确定 z l l 0 2 铝合金实体铸件的压铸参数，利用p r 0 c a s t 模拟软件对其进行充型和 凝固过程的数值模拟。 3 根据p r o c a s t 的模拟结果，和实际生产的比较，分析原始材料z l l 0 2 铝合金实体铸件缺陷产生的原因，在此基础上优化原始的浇注系统。 4 在优化浇注系统的基础上，将原始的z l l 0 2 铝合金材料替换为a z 9 1 d 镁合金，在相同的条件下，研究镁合金的充型和凝固过程。 5 得出壳形件a z 9 1 d 镁合金的充型和凝固过程，工艺参数对a z 9 1 d 镁 合金压铸性能的影响，最后建立a z 9 1 d 镁合会性能和工艺数据库，以指导镁 合会压铸工艺的制定、压铸型设计、压铸件质量控制，提高镁合金压铸件的合 格率及压铸型的使用寿命。 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 第2 章压铸模拟过程的理论基础 压铸生产的实质就是在高速高压下直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝 固和冷却，进而得到铸件。液态会属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许 多铸造缺陷都是在充型不利的情况下产生的。因此了解并控制充型过程是获得 优质铸件的重要条件。但是由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程 的把握和控制主要是建立在大量实验基础上的经验准则。随着计算机技术的发 展，铸件充型和凝固过程数值模拟受到了国内、外研究工作者的广泛重视，从 8 0 年代开始，在此领域进行了大量的试验研究，在数学模型的建立、算法的时 限、计算效率的提高以及工程实用化方面取得了重大突破【2 7 i 。 针对压铸充型与凝固过程的基本方程，常用的数值计算方法有：有限差分 法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、边界元法 ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 等。有限元法在节点的配置上比较任意，对于具有 复杂形体的铸件，可以使边界节点完全落在区域边界上，在边界上给出较好的 逼近，同时根据需要在一部分求解区域中配置较密集的节点，而在另一部分求 解区域中配置较稀疏的节点，对于本课题的铸件，将采用有限元法进行数值模 拟。 2 1 充型过程流场模拟数学模型 铸件充型过程是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算流体力学、传 热学、计算机图形学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。 铸件充型过程的流场温度场模拟包括很多内容，如几何实体造型、计算域的网 格划分、充型过程中自由表面的处理、流场中速度和压力的求解、充型过程紊 流的模拟、充型过程对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及 计算结果的可视化等。 压力铸造条件下，金属液在数力r 斟m 2 的高压下以1 0 3 0 m s 的速度充填 型腔，这使得金属液以喷射紊流状态进入并充填型腔；又由于压铸件通常具有 结构复杂和薄壁的特点，使得建立压铸过程分析模型较为困难。压铸的这种工 艺和结构上的特点，使得压铸过程数值模拟比普通重力铸造条件下的数值模拟 更为困难。为此针对压铸过程的数值模拟，软件必须能够处理如下问题。 1 方便的处理复杂结构的实体建模。 哈尔滨理丁人学下学颀i j 学位论文 2 较为准确的处理紊流流动，充型中气体及其和液体相互作用对流动过 程的影响问题。 3 处理好包括铸件、铸型和冷却通道等在内的复杂传热问题。 由于压铸过程数值模拟技术对提高压铸生产率具有重要意义，国内外围绕 上述3 方面内容丌展了大量的研究工作，一些数值模拟系统己丌始应用于实际 生产中。 在铸件充型过程中，会属液的流动绝大多数是紊流。紊流是一种高度复杂 的非稳态三维流动，流体的各种物理参数( 如速度、温度、压力等) 都随时间与 空间发生随机变化。从物理结构上说，可以把紊流看成是由各种不同尺寸的涡 旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向是随机的。紊流模拟的数 值计算方法采用r e y n o d s 时均方程法，在这类方法中，将非稳态的控制方程对 时间作平均，在关于时均物理量的控制方程中包含