（材料加工工程专业论文）基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究.pdf

：hb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na l u m i n u ma l l o yh o o db o a r d o fs a n dc a s t i n g b y q i a ns i y u a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f c o l l e g et e a c h e r so fe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl il u o x i n g m a r c h ，2 0 1 1 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 摘要 凝固过程温度场数值模拟是铸造c a e 技术的核心内容之一，是预测铸件缩 孔、缩松、裂纹和偏析等缺陷的基本。温度场数值模拟所必需的材料热物性参数、 初始条件以及边界条件等等都直接影响模拟精度，影响铸造c a e 技术推广应用。 在铸造过程中，铸件铸型界面换热行为决定着铸件的凝固过程，因而直接影 响着铸件内部组织的形成和演化、相关缺陷的产生和分布以及最终的力学性能等。 界面换热系数是一个表征铸件铸型界面换热行为的重要参数，由于其特殊的重要 性，精确地求解该参数就成为了研究工作者广泛关注的课题。 本文进行了系统的砂型铸造实验，建立了求解界面换热系数的反算模型，通 过使用p r o c a s t 铸造c a e 软件，采用以实验测得的温度为基础，结合数值模拟 方法和优化方法的反分析方法计算求解了a 3 5 6 铝合金铸件冷却凝固过程中铸件 与砂型之间的界面换热系数，分析了铸件与铸型问界面换热系数随界面温度变化 的关系，最终反求获得界面传热系数；然后采用此反求获得的界面传热系数建立 了铝合金发动机罩板砂型铸造模型，通过此模型对比优化确定了发动机罩板浇注 系统；采用有限元模拟技术，对不同浇注方式下a 3 5 6 铝合金大型薄壁件的充型、 凝固过程进行仿真，预测了不同浇注方式下薄壁件可能出现缺陷的位置，对比分 析了各种浇注系统的优缺点。仿真结果表明，雨淋式浇注系统有利于铝合金大型 薄壁件的充型，其充型过程平稳，凝固有序，卷气、缩孔缩松现象较少。选用雨 淋式浇注系统，通过实验最终获得充型完整，轮廓清晰，表面粗糙度较小，且铸 件表面的粘砂现象不多，无表面裂纹的汽车前盖板铸件。验证了通过反分析方法 求解的换热系数的有效性和正确性。 关键词：数值模拟；砂型铸造；铝合金；界面换热系数；p r o c a s t q 。 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：孱吲力日期：加1 ) 年华月f 影日 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。本人授权湖南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 、不保密酊。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： e l 期：加，f 年印月，矿e 1 日期：汐d 1 年印月r 多日0 气 m 长众喜 a b s t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s si so n e k e yp o i n to ft h ec a s t i n gc a et e c h n o l o g y , a n di ti sa l s ot h eb a s i so fp r e d i c t i n gt h e s h r i n k h o l e s ，s h r i n k sf l a w , c r a c ka n ds e g r e g a t i o ni n c a s t i n g s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l ds h o u l di n c l u d et h ef o l l o w i n g f a c t o r s ：m a t e r i a lt h e r m a l p r o p e r t i e s ，i n i t i a lc o n d i t i o n s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n ds oo n ，w h i c hw i l li n f l u e n c et h e p r e c i s i o n so fs i m u l a t i o nd i r e c t l ya n da f f e c tt h ea p p l i c a t i o no ft h e c a s t i n gc a e t e c h n o l o g yi nm o r ef i e l d s i nt h ec a s t i n gp r o c e s s ，t h ec a s t i n g - c a s ti n t e r f a c i a lh e a tt r a n s f e rb e h a v i o rd e c i d e s t h ep r o c e s so ft h es o l i d i f i c a t i o no fc a s t i n g ，f u r t h e ra f f e c t st h ef o r m a t i o na n d e v o l u t i o n o ft h ei n n e rc o n s t r u c t i o no ft h ec a s t i n g ，t h e g e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fr e l a t e d d e f i c i t sa n df i n a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a sw e l l t h ei n t e r f a c i a lh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ( i h t c ) i so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ec a s t i n g c a s ti n t e r f a c i a l h e a tt r a n s f e rb e h a v i o r i h t ci ss o i m p o r t a n tt h a th o wt os o l v et h i sp a r a m e t e r p r e c i s e l yh a sb e c o m eo n eo ft h ep o p u l a rs u b j e c t sw h i c hw e r ew i d e l yc o n c e r n e db yt h e r e s e a r c h e r s w eh a v ec a r r i e do no n es y s t e m i ce x p e r i m e n to fs a n d c a s t i n g ，e s t a b l i s h e dt h e a n a l o go fi h t c b yp r o c a s t , o n ec a s t i n gc a es o f t w a r e ，b a s i so nt h et e m p r a t u r e m e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t ，u s i n g t h eb a c k a n a l y s i sc o m b i n i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n aa n do p t i m i z a t i o nw h i c hs o l v et h e i h t cb e t w e e nt h e c a s t i n g a n d s a n d m o d e li nt h et h e p r o c e s s o ft h es o l i d i f i c a t i o n o fa 3 5 6a l u m i n i u ma l l o v c a s t i n g ，a l s oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i po ft h ei h t cb e t w e e nt h ec a s t i n ga n ds a n d m o d e l a n dt h ei n t e r f a c i a lt e m p r a t u r e w eg o tt h ei h t c ，w i t hw h i c hw ea l s oc o n s t r u c t e dt h e s a n d 。c a s t i n gm o d e lo fa l u m i n u m a l l o ye n g i n eb o a r d w eo p t i m i z et h ec a s t i n gs y s t e m b yc o n t r a s t i n gt h em o d e l s ，a p p l y i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，b ys i m u l a t i n gt h e p r o c e s so ff i l l i n ga n dc o n s o l i d a t i o no ft h el a r g et h i na 3 5 6a l u m i n i m u ma l l o yc a s t i n g i nd i f f e r e n tp o u r i n gm e t h o d ，p r e d i c i t i n gt h ep o s i t i o nw h e r et h ed e f e c t sm a y a p p e a r , w e a l s oa n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tk i n d so fp o u r i n gs y s t e m b yc o n t r a s t a n dt h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o w st h a tr a i n s t y l ep o u r i n gs y s t e mw i l l b e n e f i tt h ef i l l i n go ft h el a r g et h i na l u m i n i m u ma l l o yc a s t i n g t h ep r o c e s so ff i l l i n gi s s t e a d y , a n dt h ec o n s o l i d a t i o ni so r d e r l y , w h i l et h eg a se n t r a p m e n ta n ds h r i n kh o l e s ， s h r i n k sf l a w sa r ea l s o s e l d o m b ya p p l y i n gt h er a i n s t y l ep o u r i n gs y s t e m ，t h e h i 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 e x p e r i m e n tp r o v e dt oo b t a i nc o m p l e t ef i l l i n gm o l d ，t h eo u t l i n ei sc l e a r , t h es u r f a c e r o u g h n e s si sl e s s e r , a n dt h ec a s t i n gs u r f a c ea d h e r i n gs a n dp h e n o m e n o ni sn o tm u c h ， n os u r f a c ec r a c kc a s t i n gp r o d u c t s w ev e r i f i e dt h eb a c ka n a l y s i sm e t h o dw h i c hs o l v e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n te v e n t u a l l y k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s a n d - c a s t i n g ；a l u m i n u ma l l o y ；i n t e r f a c i a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；p r o c a s t i v 高校教师硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘j 要i l a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 附表索引x 第1 章绪论1 1 1 课题背景l 1 1 1 汽车产业的节能减排。1 1 1 2 铝合金在汽车中的应用1 1 1 3 铸造汽车用铝合金薄壁件的优势2 1 2 砂型铸造概况。3 1 2 1 砂型铸造的概念和原理3 1 2 2 砂型铸造工艺特点3 1 3 浇铸设计介绍3 1 3 1 浇铸位置设计。3 1 3 2 浇铸系统类型设计4 1 4 铸造数值模拟6 1 4 1 传统铸造实验的不足6 1 4 2 铸造数值模拟发展和优势6 1 4 3 铸造数值模拟的缺点7 1 5 铸造过程中的界面传热8 1 5 1 界面换热系数的定义8 1 5 2 界面换热系数的求解9 1 5 3 界面传热过程的变化阶段1 0 1 6 课题目的1 0 第2 章砂型铸造中传热系数的反求1 2 2 1p r o c a s t 简介1 2 2 1 1 软件介绍1 2 2 1 2 软件的模块组成1 3 2 1 3 软件的模拟分析流程1 4 2 1 4 软件的特点1 4 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 2 1 5 软件的适用范围1 6 2 2p r o c a s t 反求的数学模型及算法1 6 2 2 1 换热系数反求的数字模型1 6 2 2 2 换热系数反分析求解的计算流程1 7 2 3 实验方案以及模型的建立1 8 2 3 1 实验方案1 8 2 3 2 实验模型1 9 2 4 反求过程2 0 2 4 1 实验结果：。2 0 2 4 2 模拟实验2 0 2 4 3 结论2 6 第3 章浇铸系统理论设计2 7 3 1 浇铸系统设计2 7 3 1 1 铸件分析2 7 3 1 2 三种浇铸方案的确定2 8 3 1 3 三种浇铸方案的铸件几何模型2 9 3 2 三种浇铸系统方案计算机模拟仿真。3 0 3 2 1 模拟仿真的基本参数3 0 3 2 2 模拟仿真的其他注意事项3 l 3 2 3 模拟仿真结果3 1 3 2 4 模拟仿真结果对比。3 4 第4 章砂型铸造实验3 6 4 1a 3 5 6 铝合金化学成份分析。3 6 4 2 合金元素以及杂质元素对a 3 5 6 合金组织和性能的影响3 6 4 3a 3 5 6 合金成份配比3 7 4 4a 3 5 6 铝合金的熔炼以及质量控制3 7 4 4 1 合金原料及其质量3 7 4 4 2 合金熔炼的质量控制3 7 4 5 浇铸实验结果以及分析3 8 4 6 铸件的性能分析4 1 4 6 1 性能研究方法4 1 4 6 2 试样制备4 1 4 6 3 拉伸试验及结果4 2 结论4 4 参考文献4 5 v l 高校教师硕上学位论文 致谢4 8 v 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 插图索引 图1 1 顶浇雨淋式浇注系统以及阶梯式浇注系统6 图1 2 界面换热系数的影响因素示意图8 图1 3 热传导正向求解及反向求解流程图9 图2 1p r o c a s t2 0 0 8 0 的工作界面1 2 图2 2p r o c a s t 仿真模拟流程图。：1 4 图2 3 换热系数求解流程图1 7 图2 4 实验模型示意图1 9 图2 5 六分之一建模示意图1 9 图2 6 测得实验数据曲线2 0 图2 7m e s h c a s t - 3 d 网格划分2 1 图2 8 简单界面换热系数下铸件铸型冷却图2 3 图2 9 铸件液态时试验温度和模拟温度对比图2 4 图2 1 0 铸件的液态界面换热系数反求结果2 4 图2 1 1 铸件的固态界面换热系数反求结果2 5 图2 1 2 界面换热系数随温度变化图2 5 图3 1 铝合金发动机盖板薄壁件主视图2 7 图3 2 铝合金发动机盖板薄壁件三维图2 7 图3 3 方案一铸模几何模型2 9 图3 4 方案二铸模几何模型2 9 图3 5 方案三铸模几何模型3 0 图3 6 界面换热系数在p r o c a s t 软件中的设置3 0 图3 7 顶注式浇注系统不同充型时刻的充型状态3 1 图3 8 雨淋式浇注系统不同充型时刻的充型状态。3 2 图3 9 阶梯式浇注系统不同充型时刻的充型状态3 2 图3 1 0 充型完成时刻温度场3 2 图3 1 1 方案一最终模拟结果3 3 图3 1 2 方案二最终模拟结果3 4 图3 1 3 方案三最终模拟结果3 4 图4 1 第一次实验产品实物照片3 9 图4 2 方案二的充型模拟图4 0 图4 3 第二次实验产品实物照片4 l v 高校教师硕士学位论文 图4 4a 3 6 5 铝合金铸件拉伸试样图4 2 i x k 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 附表索引 表1 1 铝合金汽车零部件种类2 表3 1 三种浇铸方案对比表二2 8 表3 2 三种方案对比结果。3 4 表4 1a 3 5 6 系列铝合金主要合金元素3 6 表4 2a 3 5 6 铝合金溶液具体合金配比表3 7 表4 3a 3 5 6 铝合金原料质量表。3 7 表4 4 铸件力学性能简表4 2 x 高校教师硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 汽车产业的节能减排 汽车产业是国家重点扶植的产业，同时也是大气环境的主要污染源。有数据 表明，当我国汽车拥有量在2 0 2 0 年突破1 5 亿辆时，年耗油量将突破2 5 亿饨。 降低汽车的碳排放已经成为中国实现节能减排目标的关键。因此，国内许多汽车 企业已经开始集中力量探索汽车的“低碳”之路。 车体结构采用铝来替代钢，是实现汽车重量减轻的最成本最有效的方法之二。 铝的密度是钢的三分之一，并且有着较好的强度，欧洲铝协得出结论：车重每减 少l o o k g ，油耗可减少o 7 l l o o k m 。因此，车身轻量化对于整车的燃油经济性、 车辆控制稳定性、碰撞安全性都有诸多优势。而铝合金是最佳的汽车轻量化用材。 降低油耗相当于减少碳排放，而碳排放标准有望成为全球汽车行业统一的标准， 引领全球汽车产业的发展。 综上所述，以提高总体燃油经济性和保护人类生存环境为目的的汽车轻量化， 促进了铝合金件在汽车上的应用。轻量化对于汽车业的发展具有重要意义。汽车 油耗主要取决于发动机的排量以及汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和 造价不变甚至优化的前提下，通过降低汽车自身重量来提高输出功率、降噪、提 升操纵可靠性，降低油耗、减少废气排放量、提升安全性能是汽车轻量化的最终 目标。 1 1 2 铝合金在汽车中的应用 铝合金与钢材对比，主要特点有密度低、耐蚀性高、导热导电性能高、铸造 性好、易于加工以及耐磨、耐腐蚀性好1 1 】。 自从上世纪七十年代石油危机以来，铝铸件在汽车上的用量也正在逐年增加， 应用范围也在不断扩大。一般来说，铝铸件在汽车上的运用主要可分为三个方面， 首先是壳体类零件，譬如离合器壳，变速箱壳等等，此类整体比较笨重的总成件； 此外是发动机部件，包括发动机内部的活塞、活塞缸、曲轴等等；再有其他发非 发动机部件，譬如一些电器元件的壳体等等。现在的车架也铸件被铝材所替代， 更有甚着，一些国家已经开始开发全铝车型。目前，汽车所使用的铝铸件种类基 本如表1 1 所示： 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 为减轻重量，铝在汽车制造中的应用范围正不断地增长。除结构件、行走机 构和发动机附件外，铝在外覆件范围也获得重要的应用。比塑料更具吸能性并同 时可再塑特性，这就给予铝在未来提供更加好的机会。即使铝的成本明显高于钢， 且加工工艺更为复杂，也阻挡不了这种趋势。铝经合金化可使抗拉强度提高到4 5 号钢水平。譬如，从1 9 6 4 年美国就开始使用铝合金来加工汽车轮辋，铝合金车轮 以其质量轻、平衡度好，造型美观，形式多样、以及较好的强度，节约燃料等优 点，正在逐步的取代钢制车轮，我国也在2 0 世纪8 0 年代开始生产并推广使用铝 合金车轮。 1 1 3 铸造汽车用铝合金薄壁件的优势 近年来，大型薄壁铸件在航空航天和汽车行业的广泛应用1 3 】，并促进了铸造 技术的发展，同时也带来了挑战。其中，浇注系统的设计是铸造技术中的重点和 难点，浇注系统设计的和合理与否对铸件的充型完整和质量有很大影响。传统的 浇注系统的设计在很大程度上依赖于设计师们的经验，而浇注系统的合理性需要 通过实验来检验，导致设计周期长、成本高，从而严重制约了铸造技术的发展。 汽车结构件用铝合金材料的成形工艺尚不成熟，加上生产成本较高，目前只 在少数运动和豪华车型上得到应用。因此世界各国都在探索和开发铝合金新的高 效短流程加工工艺，在满足车辆设计对材料的特殊要求的同时降低制造成本，以 推广其在汽车上的更大规模应用。其中铝合金薄壁件铸造工艺便是一个研究热点。 铸造铝合金主要用在轮毂等的制造上，由于工艺复杂，在车身等复杂零件的生产 上应用较少，采用薄壁铸造工艺能减少焊接，减少工艺，提高生产效率，降低成 本，具有一定的实用价值。 铝合金薄壁件铸造的方法有很多，相对于金属型铸造、低压铸造等特种铸造， 高校教师硕士学位论文 砂型铸造作为铸造的一种最基本最简单的形式，具有独特的成本优势，当然也更 难得到达到满足标准的铸件。日本有一家名为“k y o e iw o o d e np a t t e r n f o u n d r y c o l t d 的铝及不锈钢铸造厂开发出了一种铝合金超薄铸件砂型铸造新工艺并在 日本申请了专利。利用该工艺生产的铸件，其截面最薄处的壁厚仅为l m m ，这是 原来的砂型铸造工艺所无法达到的。该工艺的独特之处在于将砂模加热到很高的 温度，适用于不锈钢、铝、铜等合金的铸造，可以取代机械加工、焊接、熔模铸 造等工艺一次铸造出薄壁、形状复杂的铸件，极大限度降低了加工成本。 然而，迄今为止，铝合金薄壁铸造工艺设计的难确定性仍是限制这种技术发 展的重要因素之一；在国外这种工艺研究已经研发出来，但是在我国还处于研究 阶段。当解决工艺上的难题后，很可能成为生产汽车铝合金部件的主要方法之一。 1 2 砂型铸造概况 1 2 1 砂型铸造的概念和原理 以型砂和芯体为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填砂型来生产铸件 的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型 铸造所用的造型材料价廉易得，砂型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和 大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量， 常在砂型和型芯表面刷一层涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性 好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体( 水或其他溶剂) 和各种附 加物。 1 2 2 砂型铸造工艺特点 砂型铸造作为一种最为传统的铸造方法，相比其他各种特种铸造，其工艺有 如下特点： ( 1 ) 可以铸造外形和内腔十分复杂的毛坯。如：各种箱体、床身、机架等。 ( 2 ) 适用性广泛，从几克到几百吨的铸件都可以。 ( 3 ) 原材料来源广泛，成本低廉。 ( 4 ) 铸件形状与零件尺寸比较接近，减少切削加工余量。 1 3 浇铸设计介绍 1 3 1 浇铸位置设计 铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的位置和状态。浇注位置的确定 是铸造设计中重要的一步，因此，通常制定出几种方案加以分析、对比，择优选 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 用。铸件浇注位置正确与否是关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度以及液态 金属能否顺利充型，并将气化产物及浮渣排除到冒口，以获得优质铸件的主要问 题。 根据对合金凝固理论的研究和生产经验，在选择浇注位置时，应注意以下几 点： ( 1 ) 重要加工平面应朝下或垂直放置； ( 2 ) 模样的大平面应垂直或倾斜放置； ( 3 ) 尽量将气化模截面面积f 与周长1 1 之比最小的面朝上安放； ( 4 ) 尽量将气化模上具有开口部分朝上安放，便于填砂紧实； ( 5 ) 便于开设浇、冒系统和除渣排气道； ( 6 ) 利于造型材料的填充，避免形成死角区。模样在砂箱内摆放的位置，应 保证造型材料的容易填充和紧实，防止型料填充不到或震实不紧的死角产生； ( 7 ) 凝固原则，就是使模样的横截面积自下而上逐渐增大。除非壁厚均匀的 铸件按同时凝固原则考虑外，一般尽可能按“顺序 原则考虑； ( 8 ) 浇注位置还应有利于多层铸件的排列，在涂料和干砂填充紧实的过程方 便支撑和搬运； ( 9 ) 模样在砂箱中的位置应有利于干砂填充，尽量避免水平面和水平向下的 盲孔。 实验所要得到的大型铝合金薄壁件有两种可能的浇注形式，一种是铝合金薄 壁件的大平面与地面平行放置进行浇注( 平浇) ，另一种是大平面与地面垂直放置 进行浇注( 立浇) ，按以上原则，两种浇法各有优势，因此选取了这两种浇注系统 位置，用计算机模拟分析对比。 1 3 2 浇铸系统类型设计 确定浇注系统的形式，这是浇注位置确定之后要考虑的另一个重要工艺。生 产实践证明，它比确定浇注系统各单元解面积尺寸大小还重要。浇注系统各单元 的截面尺寸可以在一个比较大的范围内变化，也不致引起铸件产生缺陷或塌箱， 而浇注系统形式( 和内浇道引入位置) 是否合理，对引起铸件缺陷非常敏感 在实际生产中应根据铸件的特点和金属材质的不同合理选用上述几种浇注形 式，具体可按以下二个方面来考虑： 1 浇注系统各基本组元截面积的比例设计 浇注系统各基本组元截面积通常指横浇道、直浇道、内浇道和阻流部分( 浇 注系统中的最小截面) 各组元的截面积，分别用s 直、s 横、s 内、s 阻表示，按 浇注系统各基本组元截面积的比例分类，可分为封闭式浇注系统和开放式浇注系 统及封闭开放式浇注系统： ( 1 ) 封闭式浇注系统 这种浇注系统各组元截面积最小的是内浇道，也就是说内浇道为阻流截面， 即s 直 s 横 s 内或部分扩展式( s 直 s 内) 。其主要优点是：封闭式浇注 系统具有较好的阻渣能力，可以防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。 主要缺点是：进入型腔的金属液流速高，易产生喷溅和冲砂，使金属氧化。 ( 2 ) 开放式浇注系统 这种浇注系统阻流截面在直浇道的下部或横浇道上，即s 直 s 横 s 横，这样具有较好的阻渣能力，可以 防止金属液卷入气体。横浇道与内浇道间为开放式，s 横 s 内保证金属液进入铸 型前，不发生涡流，飞溅和冲击现象，以近乎层流的方式充型，尽可能缩短充型 时间，提高撇渣能力，并有利于补缩，更有利于铝合金的充型，提高铸件的质量。 浇注系统整体为封闭式，即s 直 s 内以保证有足够的充型能力。 2 浇注系统在铸件浇注时的位置设计 按浇注系统在铸件浇注时的位置分类，浇注系统可分为如下种类： ( 1 ) 顶注式：以浇注位置为基准，内浇道设在铸件的顶部。 ( 2 ) 底注式：金属液从铸件底部注入，比较适宜于铸钢、铸铁厚大件。底注 的工艺出品率一般比较低。 ( 3 ) 侧注式：金属液从铸件侧面注入，工艺出品率较高，非常适合于中小型 铸件的串浇。 ( 4 ) 阶梯式：具有多层内浇道的浇注系统兼有顶注和底注的优点，适宜于形 状复杂的大中件，如箱体类零件。 ( 5 ) 缝隙式：金属液由下到上沿着整个铸件高度开设的垂直缝隙状内浇道平 稳地进入型腔。但这种浇注系统的结构较复杂，设置和制造也比较麻烦，所以在 生产上除特殊要求的铸件外一般是不多用的。 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 浇道 浇道 浇道 图1 1 顶浇雨淋式浇注系统以及阶梯式浇注系统 1 4 铸造数值模拟 1 4 1 传统铸造实验的不足 铸造大型薄壁铝合金件需要进行大量的试验摸索工作，才能提出确定的工艺 方案，其中主要包括浇注系统、冒口、浇注温度、模样密度、涂料、振动紧实等 参数的选择。如果采用传统的方式，靠工程技术人员的实际工作经验，生产中往 往要反复地修改铸件结构或铸造工艺方案来达到最终的技术要求，试验工作有时 需要几个月甚至更长时间。这种工艺方法，会导致铸件的研制周期漫长、成本过 高、质量不可靠等弊端。 低压铸造也会产生诸如浇不足、冷隔、裂纹、缩孔、缩松等铸造缺陷 4 - 8 l 。 这些缺陷的产生与低压铸造的充型、凝固冷却过程密切相关。零部件的铸件质量 直接影响整机的整体性能。从而消耗了大量的人力、物力和财力，且直接导致整 个产品的生产周期大大延长。在需要大量工艺参数的制定的过程中，往往因为一 个工艺参数的小范围变化会影起整个一系列的变化趋势。 因此，通过“实验+ 经验的工艺方法，已经不能满足现代工业发展。 1 4 2 铸造数值模拟发展和优势 材料成形数值模拟是计算机辅助( c a e ) 技术在材料成形领域的具体应用， 其基本含义是指：将一个成形过程( 或过程的某一方面) 定义为由一组控制方程 加上边界条件构成的定结问题，利用合适的数值方法求解该定解问题，从而获得 对成形过程的定量认识。简而言之，是指在计算机系统平台上利用数值模拟方法 仿真材料的成形过程( 或过程的某一方面) 。材料成形数值模拟的目的是帮助人们 认识与掌握材料特性、成形方案、工艺参数、产品形状、模面结构、浇注系统等 内在、外在因素对材料成形质量和工模具寿命的影响；同时，为缩短成形制品与 成形模具开发周期、减少物理试模次数、优化现场成形工艺、选用成形设备、控 高校教师硕十学位论文 制产品质量、降低生产成本提供定量或定性数据支持i9 - 。 随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造 ( c a m ) 等技术在铸造行业中迅速发展起来【1 0 , 1 1 】。用计算机求解铸造过程计算机 数值模拟称为铸造过程计算机数值模拟，其发展大概经历了三代发展过程：第一 代是运用简单的模数法和平均流量法进行铸件的冒口设计；第二代主要基于能量 守恒计算铸件和铸型的温度变化；第三代可对铸件的温度场、流动场、应力场、 浓度场进行模拟，进而达到预测铸件的各种缺陷的目的。目前铸造过程计算机数 值模拟正在处于第三阶段，流动场和温度场的模拟已经基本成熟。 应用铸造过程计算机仿真技术，采用数值模拟软件对铸件充型凝固过程进行 数值模拟，可以通过计算机直接观察金属充型和凝固过程，预测金属凝固过程中 可能出现的各种缺陷诸如缩孔、缩松、裂纹，分析工艺参数对工艺实施结果的影 响并提出有效的解决方法，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化， 以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合 理的工艺方案提供了有效的依据，避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定 的盲目性，节约试制成本，优化工艺方案、缩短研发周期、确保最终铸件的质量， 从而有效的提高了铸造过程的生产效率，给铸造行业带来极大的经济效益【1 2 1 6 1 。 1 4 3 铸造数值模拟的缺点 近些年来，计算机数值模拟技术在铸造行业中迅猛发展，模拟方向包括充型、 凝固、微观组织以及性能等等。在凝固模拟中，虽然已有了比较成熟的商业化软 件以及计算模块，但是随着该行业的发展，这些软件越来越不能满足实际的工作 需求，一个直接原因就是相关的计算结果并不能准确预测各种缺陷的产生和发展， 产生这种问题的一个主要的原因就是这些相关的计算模块不能准确地描述于实际 相符的边界以及初始条件，而铸件一铸型界面换热系数则是其中最感兴趣但是却 又是最难以精确测定的一个边界条件1 1 7 , 1 8 1 。 凝固过程数值模拟的准确性决定了后续各种模拟计算的精确性，这些模拟包 括非常重要的铸件内部微观组织模拟和铸件内部缺陷的形成和发展等，而这些模 拟则决定了最终的铸件性能预测的可靠性【1 9 , 2 0 】。在低温铸造过程中，气孔形成的 主要原因是因为浇注过程中卷入了气体，随着充型的不断进行，这些气体逐渐演 变成为各种分布的气孔。即液态金属在浇注过程中的卷气形成了气孑l 的源，充型 过程的流动决定了气孔的分布。但是一个很重要但却又是被忽略的问题就是在随 后的凝固过程中，新的气孔会形核和生长( 如铝合金凝固中的析氢问题) ，伴随着 已经形成的气孔一起决定了最终的气孔量和分布，同时由相变收缩而导致的缩孔、 缩松等缺陷以及由此产生应力以及裂纹等都是凝固过程决定的。因此，没有精确 的凝固过程模拟，后续的各种模拟，包括微观组织模拟、缺陷预测以及性能预测 基于数值模拟的铝合金发动机罩板砂型铸造的研究 等的准确性都是难以保证的。 1 5 铸造过程中的界面传热 1 5 1 界面换热系数的定义 在铸造领域中，随着计算机模拟技术的不断进步和完善，提升铸造相关过程 模拟的精确性就成为了诸多研究工作者需要解决的关键问题之一。而实现精确的 模拟，不可或缺的条件就是必须给定正确的初始条件和边界条件。作为边界条件 的一种，铸件铸型界面换热系数( h ) 被认为是边界条件中最至关重要的，同时 也是最难以测量的一个参数。铸件铸型界面换热系数为单位面积、单位时间以及 单位温差下通过铸件铸型界面的热量大j 、 2 1 , 2 2 1 ，即： h = 忐= 旦a t ( 1 1 ) 其中，h 为界面换热系数，q 为通过界面的热量，a 为面积，t 为时间，t 为铸件表面与铸型表面的温差，q 为界面热流密度。可以看出，换热系数和面积 乘积的倒数即为界面热阻，其值决定了铸件、铸型之间的传热状况，从而决定了铸 件的内部组织以至铸件的最终性能。但由于换热系数常常是随着铸造过程的各种因 素如温度、压力、铸件、铸型材料、铸型温度以及界面涂料等的变化而变化的，这 些因素的相互作用和影响，使得准确测定或求解界面换热系数变得非常困难。 匝囹 l 厂一t 一_ 圃匝匦匝圃匝圃 一 “f “一+ f 一_ 1 国囱幽 图1 2 界面换热系数的影响因素示意图 铸造过程中，铸件一铸型的界面热交换行为对于铸件的内部组织、质量有很 大的影响，正确的认识铸造过程铸件一铸型界面换热行为，以此为基础来解释凝 固过程中组织结构的变化，对于正确的认识铸造过程、正确地指导铸造