（材料加工工程专业论文）大型镁合金压铸件工艺过程模拟分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着当今世界计算机技术的迅速发展，利用计算机技术改造并带动传统铸造 行业的发展已经成为铸造技术的重要发展趋势。 本文应用m a g m a 、p r o c a s t 铸造数值模拟分析软件，对冷室压铸生产镁合金变 速箱罩盖的压铸生产工艺过程中的充型流动和后继凝固过程进行了数值模拟，分 析了不同工艺设计方案下的铸造工艺特征，并择优进行了工艺优化设计。 在数值模拟过程中，首先预测镁合金溶液的流动充型情况，进行浇注系统的 初步设计，然后在合理的压铸工艺参数的范围内，对充型过程中的速度场、温度 场进行模拟，根据此模拟结果，对浇注系统进行优化设计。在合理的浇注系统下， 设定不同的充型速度，浇注温度、保压压力等参数，对镁合金罩盖生产过程进行 模拟，根据充型速度场、温度场以及缺陷预测等模拟结果比较分析，获得最佳的 工艺参数值，实现了镁合金罩盖压铸工艺的优化。 结果表明，对镁合金罩盖的生产过程进行数值模拟，根据最佳参数方案下的 罩盖温度场，速度场，压力场等技术参数，可以准确了解镁合金罩盖的充型凝固 过程，同时预测出生产中可能出现的缺陷及所在位置，实现镁合金罩盖压铸工艺 的优化，改善铸件质量，可为类似铸件的生产提供参考。而且，根据模拟结果可 以看出，采用压力铸造的工艺方法生产的镁合金罩盖，铸件质量优良，充分发挥 了压力铸造的技术优势。 关键词：压力铸造，数值模拟，镁合金，变速箱罩盖 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g yh a sa c c e l e r a t e d t h e i m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o no nf o u n d r yt e c h n o l o g y , m a k i n gu s eo fc o m p u t e r s t ov i r t u e r e c a s ta n db r i n g a l o n gt h ed e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a li n d u s t r yi sap r i m a r yt r e n do f t h e f o u n d r yt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , t h em a g m aa n dp r o c a s tc a s t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r a r eu s e dt o v i s u a l i z et h em o d d f i l l i n ga n ds e q u e n t i a ls o l i d i f i c a t i o np r o g r e s sd u r i n gc o l d - c h a m b e r d i e c a s t i n go f ag e a r - b o xc o v e r t h ee f f e c t so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dg a t i n g s y s t e m d e s i g nd u r i n gn o r m a ld i e - c a s t i n gc o n d i t i o n sh a v eb e e nv i s u a l i z e d ，f o l l o w e db yp r o c e s s o p t i m i z a t i o na c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f s i m u l a t i o n d u r i n gt h es i m u l a t i o n , f o r e c a s t i n gt h ef l o w i n gs i t u a t i o no fm e l ta n dd e s i g n i n gt h e g a t i n gs y s t e mp r e l i m i n a r i l ya l ec a r r i e df i r s t l y i no r d e rt o o b t a i nt h ev e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l d sb ym a k i n gt h ef i l l i n gs i m u l a t i o nw i t h i nt h er e a s o n a b l ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s ，t h eg a t i n gs y s t e mc a nb ei m p r o v e da 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 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e c i f i cp a r a m e t e r s ，s u c ha s f i l l i n gv e l o c i t y , g a t i n gt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ee t c ，t h ed i e c a s t i n go f m a g n e s i u mc o v l g t i so p t i m i z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i e - f 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 so fc o v e rc a nb e u n d e r s t o o dp r e c i s e l yt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e ro p t i m i z e dp a r a m e t e r s a t t h es a n l et i m e ，f o r e c a s t i n gt h ep o t e n t i a ld e f e c t sa n dm e i rp o s i t i o n s ，a n dt h e nt h ed i e c a s t i n gt e c h n o l o g yi so p t i m i z e d ，t h eq u a l i t yo ft h ec o v e ri si m p r o v e da sw e l la s e v i d e n c e db ym a s sp r o d u c t i o n t h er e s u l to f t h er e s e a r c hc a nb es e r v e da sr e f e r e n c e sf o r t h es i m i l a rc a s t i n g s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eq u a l i t yo f e a s t i n gm a d eb y d i e - c a s t i n gi ss u p e r i o r , a n dt h ea d v a n t a g eo f d i e - c a s t i n gi se x e r t e df u l l y , k e y w o r d ：d i ec a s t i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , m a g n e s i u ma l l o y , g e a r b o x c o v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导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注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽态堂 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：五涛够1签字日期：2 j 7 年嘲和日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖太堂有关保留、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 论文被查阅和借阅。本人授权重迭态堂可以将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、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、力。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：z 湾：够j 签字日期：习年年月弓口日 导师签名： 签字日期：年| i i 。月，0 日 窿订 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着工业科技的持续高速发展，资源和环境的问题曰益显现，可持续发展成 为了当今社会最为关注的问题。第一次工业革命以来，人类文明的发展便伴随着 各种资源的消耗。从某种意义上说，社会的进步是以资源的巨大耗费为代价的。 金属材料的消耗与日俱增，某些金属矿产资源逐渐趋于枯竭。因此，在这种情况 下，如何平衡资源的消耗和社会的发展成了世界关注的焦点，社会的可持续发展 问题紧迫的摆在人类面前。因此，如何利用本国的优势资源替代同益耗尽的资源， 发展本国经济成了世界各国的重要研究方向。 镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻，高比强度高比刚度，以及良好的 电磁屏蔽能力良好的铸造性能，易于再生利用以及优越的阻尼吸震降噪特性等 一系列独特优点，是一种极具利用价值的资源。但由于多种因素，其潜力尚未充 分挖掘出来，开发利用远不如钢铁，铜，铝等成熟。在很多传统金属矿产趋于枯 竭的今天，镁金属材料的大量开发是解决社会可持续发展的一个有效途径，因此， 如何充分利用该材料，使之大规模替代那些贫乏资源便成了当今的一项紧迫任务。 随着全球经济一体化进程的加速，如何降低能源消耗、提高能源利用率减 少环境污染以及节约地球有限资源是当今人类所面临的一个十分重要而紧迫的任 务。而产品的轻量化为该问题的解决提供了一个有效途径，特别是在制造加工业 中，产品的设计成为了实现轻量化的一个重要途径。将镁合金用于汽车，摩托车 的结构件上，能降低车辆的重量及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆 加减速的动力学特性，能较大幅度的改善车辆的驾乘舒适度和安全性。因此，我 国汽车，摩托车等交通行业的骨干企业，已经结合自身的产品和部件制订出了具 体的镁合金新产品研究开发计划。 2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展的要求使镁合金的应用领域得到了快速扩展， 已经引起了世界各国政府的普遍重视。加强了镁及镁合金在资源、加工，应用等 方面的研究开发，并着力扩大应用数量和范围。这些计划的共同点都是以产业化 为目标，以技术集成为特征，以汽车工业和电子信息工业为主要用户，由政府组 织协调，以研究单位与生产厂家联合开发为主要形式。因此，在世界范围内，镁 合金作为一种迅速崛起的新兴汽车结构材料，每年以1 5 的速率连续保持快速增 长，远远高于铝铜锌，镍以及钢铁的应用增长速度【1 】。 我国在很多传统矿产资源上，与其他国家相比具有很大的劣势，铜矿贫乏， 铁的储藏量也不丰富，铝土矿的品质不高，因此，随着工业的持续发展，可持续 重庆大学硕士学位论文1 绪论 发展问题在我国显得尤其突出。但我国也有其他国家无法比拟的优势资源一镁， 据勘测，我国的镁资源特别丰富，菱镁矿储量居世界首位，约2 7 亿吨，占全球储 量的2 2 5 ；此外，在青海盐湖还有储量巨大，为我国所独有的高品质镁资源。 2 0 0 0 年我国的原镁产量已居世界首位，占全球产量的4 0 。但是由于国内还没有 形成镁加工产业体系，对镁应用领域的开拓非常滞后，2 0 0 0 年全国原镁产量的8 0 以上作为初级原料低价出口。在国内消费的2 0 原料中，只有很少一部分以镁 合金压铸件形式用于桑塔纳轿车变速箱壳体，其余均作为合金制备等普通用途， 产业结构极不合理，使镁产业成为了典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口 型产业。因此，如何利用镁合金的诸多优良特性，推动镁合金在我国交通工具上 的应用及产业化，是将我国的镁合金资源优势转化为产品和技术优势的必然途径。 由于我国的镁资源的天然优势，世界发达国家和地区的镁合金产品生产已逐 渐向我国转移，现在应是形成镁合金产品生产应用能力，提升镁合金产品出口附 加值的最好时机。国家应从镁合金在交通上应用及产业化急需的关键共性技术入 手，实施科技攻关，尽快形成具有独立知识产权的镁合金应用技术，促进传统制 造业的改造，形成一批新兴的高新技术镁合金加工产业，加快在交通领域的应用， 提高我国镁产品的国际竞争力。 、 1 2 镁合金应用及其压铸成型工艺现状 1 2 1 镁及镁合金 纯镁的优点很多，但是力学性能较低，其应用范围受到很大限制。通过在纯 镁中添加合金元素，可以显著改善镁的物理、化学和力学性能。根据实际需要， 人们已经开发出为数众多的镁合金体系，大多具有如下的特点： 镁合金的密度比纯镁的( 1 7 3 8 9 c m j ) 稍高，在1 7 5 1 8 5g g i n o 之间， 其比强度、比刚度均很高，比弹性模量与高强铝合金、合金钢的大致相同。 弹性模量较低，当受到外力作用时，应力分布将更为均匀，可以避免过高 的应力集中。在弹性范围内承受冲击载荷时，所吸收的能量比铝高5 0 左右。因 此镁合金适宜于制造承受猛烈冲击的零部件。 阻尼性能好，适合于制备抗振零部件。 切削加工性能优良，其切削速度大大高于其他金属。不需要磨削、抛光处 理，不使用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。 镁合金在受到冲击或摩擦时，表面不会产生火花。 镁合金的铸造性能优良，可以用几乎所有的铸造工艺来铸造成形。 由于镁在液态下容易剧烈氧化、燃烧，所以镁合金必须在熔剂覆盖下或在 保护气氛中熔炼。镁合金铸件的固溶处理也要在s 0 2 、c 0 2 或s f 6 气体保护下进行， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 或在真空下进行。镁合金的固溶处理和时效处理时间均较长【l 】。 镁合金分铸造镁合金和变形镁合金。 镁合金按合金化组元数目可分为二元、三元和多元合金体系，常见的镁合金 体系一般都含有不止一种合金元素，但为了简化和突出合金中主合金元素的作用， 可以把镁合金分为m g - m n 、m g - a 1 、m g - z n 、m g - r e 、m g t h 、m g - a g 和m g - l i 等合金系列。在这些合金系中一些合金是适合采用铸造的方式进行制备和生产出 铸件直接使用，称为铸造镁合金。 铸造镁合金根据合金成分中变质剂的不同，即是否含锆元素作为合金晶粒细 化剂，划分为两大主要镁合金系，即不含锆镁合金和含锆镁合金。前者主要以m g a 1 系合金为代表，这是因为锆在镁合金中容易和m 形成高熔点固态化合物a 1 3 z r 而 下沉，会造成锆和铝的损失。后者则以m g z n 、m g - r e 系合金为代表，锆可以作 为合金的有效晶粒细化剂。铸造合金应用广泛，种类较多，根据铸造方法的不同， 同一系列的合金中成分会有少量区别。 变形镁合金材料的生产主要通过挤压、c l n 、锻造等工艺手段在2 0 0 - - 5 0 0 0 c 实现，工业上变形镁合金产品的压力加工都是在较高温度下进行。由于镁在压力 加工过程中对设备能力、生产条件的要求基本上与变形铝合金相同，因此变形镁 合金的生产可以采用变形铝合金的压力加工设备。根据镁合金自身的性质和变形 的特点，变形镁合金还具有以下一些特点： 由于镁的密排六方晶体结构对称性的特点，塑性变形后，变形镁合金的很 多性质会出现择优取向，但变形镁合金的弹性模量对择优取向不敏感，因此在不 同变形方向上( 如轧制板材的平行轧向与垂直轧向方向上) ，弹性模量的变化不明 显： 变形镁合金在压缩时，当压应力平行于基面时容易发生孪生，因而造成纵 向压缩屈服应力低于其拉伸屈服应力的缺点，a 。：a 。卸5 0 7 ，当材料的结构设计 涉及到如弯曲等受理不均匀的塑性变形情况时需特别注意，以防止材料在低的压 缩应力状态下就会破断，因此这个比值是变形镁合金的重要特征。不同的合金这 个比值是不一样的，晶粒细小时这个比值会增加，这是因为晶界对整体强度的作 用相应增大的原因； 在比较低的温度挤压时会使基面以及 方向近似地平行挤压方向。进 行轧制时会使基面平行于薄板表面，且使 方向平行于轧制方向。 发生交替拉压的冷卷曲会引起变形产品的强化，在压缩过程中会产生大量 孪晶，导致拉伸性能明显下斛“。 1 2 2 镁合金应用现状- 9 1 世界交通运输工具的总趋势是向轻量化发展，以此达到节能降耗、改善动力 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 性能的目的。其中最有效方法就是选用轻质材料代替钢铁，以此减轻交通工具自 身重量。目前，用于汽车减重的结构材料有高性能比的铝合金，工程塑料，镁合 金，复合材料等，但复合材料工艺较复杂，制各成本很高，因此，只有在特殊要 求的场合才使用复合材料的零部件。镁是最轻的商用金属结构材料，在地球上的 储量极为丰富，在金属中仅次于铝和铁居第三位。菱镁矿石、自云石矿、海洋及盐 湖中都含有丰富的镁资源。镁合金具有密度小、比强度及比刚度高、阻尼性高及 及减振性好、电磁屏蔽能力强、成型加工性好及易于回收等优点，被誉为“2 l 世纪 的绿色结构材料”。它作为替代工程塑料，铝和钢铁的新型材料，已经引起了广泛 关注。它能较好地满足了国防军工、航空航天、交通工具、3 c 产品及手动工具等 对轻量化、节能、减震吸噪的要求，具有广阔的应用前景。 2 0 世纪7 0 年代以来，很多国家对汽车的油耗和尾气排放提出了越来越严格的 限制。不但要求油耗尽可能的降低，而且还要求整车部件尽可能的回收利用，这 就迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新 一代汽车。据测算，汽车自重减轻1 0 ，其燃油效率可提高5 5 。如果每辆汽车 能使用7 0 公斤镁，c 0 2 的年排放量就能减少3 0 以上。镁合金在汽车、摩托车等 交通工具上的应用除了能明显降低汽车重量、改善车辆动力性能和降低能耗外， 还能显著改善车辆结构和减少车辆行驶振动和噪声。因此，镁作为实际应用中最 轻的金属结构材料，在车辆的减重和性能改善以及环境保护等方面均得到了迅速 的发展。 到目前为止，在汽车上有6 0 多个零部件采用了镁合金，综合看来，有7 种部 件镁合金的使用普及率最高，它们是仪表盘基座、座位基座、方向盘轴、发动机 阀盖、变速箱壳、汽车车身。 仪表盘基座仪表盘基座材料一般要求变形性能好、质量轻、尺寸精度 高、能简化零件结构等。德国大众汽车公司率先采用a m 系镁合金制作了仪表盘 基座，代替以往使用的钢制部件，起到了显著的减重效果，并简化了结构。a m 系 镁合金塑性较好，伸长率可达到6 以上，这种合金的零部件在承受冲击时仅会产 生变形而不容易断裂。这种采用镁合金整体压铸件的设计思想为汽车内部结构的 设计带来了很大的方便。 座椅框架采用镁合金制作座椅框架主要是因为其具有成形性好、密度 小、减重和简化结果效果好等优点。同时，采用压铸法制造镁合金座椅容易实现 零件一体化，提高抗震性能。福特汽车公司将镁合金a m 6 0 车架安装在微型货车 上，取代了钢质支架。镁合金的此项应用已经获得了很大的发展，特别是高塑性 镁合金的应用大大提高了汽车的耐冲撞性能。 驾驶杆元件在驾驶杆中加入气袋后会增加驾驶杆部分的质量，从而影响 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 到汽车的操纵和驾驶特性，以往的驾驶杆元件一般采用锌、铜或铝与铜的组合件， 为了减轻驾驶杆的质量，日本t o y o t a m o t o r c o r p 及其附属公司率先使用镁合金制 造方向盘芯、键、制动器壳体、倾倒装置和其他驾驶杆元件，其中方向盘芯采用 的是a m 系合金( 一般为a m 5 0 或a m 6 0 ) ，其他几个小部件则采用a m 9 1 合金。 发动机阀盖用于制造发动机阀盖的材料有镁、铝、塑料和钢等。为了进 一步减重和降低漏油量，众多大型汽车公司均采用了镁合金阀盖，具有以下优点： 可以直接铸造成形，不需很多的后续加工、装配、止动螺钉、金属挡油板和油漆， 因而可以降低部件的成本；可以回收利用；高温蠕变性能很好，有助于克服漏油 问题。 手动变速箱镁合金用于变速箱可以起到很好的减重、吸振作用。目前， 平均每天用于p a s s a t 和a u d ia 4 及a 6 车型的齿轮箱近6 0 0 个。a z 9 1 镁合金力学 性能优异，特别是可以提高变速箱整体件的高温蠕变性能，从而被广泛应用于此 部件。 汽车车身一般汽车车身采用铝的高压铸造件及挤压件，为了进一步减 重，德国m e r c e d e s 和b e n z 公司开发出了镁合金汽车车身结构件，也采用高压铸 造法生产，壁厚仅2 o 2 5 m m 。还采用镁合金高压铸造件制造了汽车车门部件；采 用镁合金整体铸造件制造了轿车遮阳篷，代替原来的钢结构框架，减重达5 0 。 其他零部件汽车轮毂、膝垫加强板也可以采用镁合金制造，材质一般为 a m 6 0 合金【l 】。 近年来，世界各国越来越重视镁合金的研究开发和应用，将镁资源作为2 1 世 纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用 开发研究，镁合金已成为令人瞩目的优质绿色环保工程材料。 目前，普通镁合金压铸件已在很多汽车公司的产品上获得规模应用( 如图1 1 ) ， 有的新车型单车用镁合金量己高达2 0 - 4 0 公斤。研究表明，用镁合金替代铝合金生 产的轮毂不仅能大大提高其疲劳性能，而且还节约重量2 5 以上。除了航空航天 工业和汽车摩托车工业外，镁合金也广泛应用于电子产品、移动电话、电动工具、 医疗和运动器械等领域。随着镁合金加工技术与设备的改进与完善，镁合金的应 用领域将不断扩展，需求量稳步增长【1 0 2 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，各国( 尤其是发达国家) 对汽车的油耗和尾气排放提出了 越来越严格的限制。1 9 9 4 年欧洲明确提出开发“3 公升百公里油耗轿车”的要求， 美国提出了“p n g v ( 新一代交通工具) 的研究计划，其目标是生产出每百公里耗油 3 公升的轿车，整车8 0 以上的部件可以回收，这迫使汽车制造商采用更多高新 技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减 轻1 0 ，其燃油效率可提高5 5 。镁合金在汽车、摩托车上应用除明显降低汽车 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 重量、改善车辆动力性能和降低能耗外，还显著改善车辆结构和减少车辆行驶振 动和噪声。因此，世界各国近年来高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为 2 1 世纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车上应用开发研究，镁合金已成为世 界最令人瞩目的绿色环保工程材料。目前，普通镁合金压铸件已在众多( 如：通用、 奔驰、福特、大众、克莱斯勒、菲亚特一阿尔法等) 汽车公司的产品上获得规模应 用，新车型单车用镁合金量已高达2 0 4 0 公斤。意大利的研究表明，用镁合金替代 铝合金生产的轮毂不仅能提高其疲劳性能，还节约重量2 5 以上。瑞典最新推出 的v o l v ol c p 2 0 0 0 轿车是高科技设计及新材料开发应用的结晶，仅重7 0 0 k g ，共用 轮毂等5 0 k g 镁合金( 占毛重的7 ) 铸件。俄罗斯目前已经能够用模锻方法批量生产 和供应镁合金轮毂，但售价高达每只轮毂5 0 0 美金。鉴于其高昂的价格，目前镁 合金轮毂的应用和市场仅限于赛车、跑车等追求高动力学性能的车辆。除了航空 航天工业和汽车摩托车工业外，镁合金也广泛应用于电子产品、移动电话、电动 工具、医疗和运动器械等产品的造型领域。随着镁合金加工技术与设备的改进与 完善，镁合金的应用领域将不断扩展，需求量稳步增长。 随着我国加入w t o ，我国汽车、摩托车、列车等行业参与全球经济一体化的 进程正在加速。我国汽摩企业必将提高自主开发能力，迫切需要利用和发挥我国 的各种资源优势，加强和扩大镁合金、复合材料等新材料的应用，在进行产业结 构调整、新产品开发的同时，顺应产品轻量化、环保、提高驾乘舒适度的国际汽 摩发展趋势，通过提高产品技术含量来增强企业创新能力和国际竞争力。因此， 在我国交通领域推动镁合金应用及产业化具有坚实的产业结构和国内市场基础。 据专家预测，我国镁合金零部件在汽车上的应用量以年增长1 5 的速度增长。我 国加入w t o 后，充分利用我国制造业基础雄厚、劳动力价廉的优势，将我国的镁 资源优势转化为镁产品、镁技术优势，为我国制造业利用汽车等零部件全球采购 的渠道进入国际市场创造了得天独厚的机遇。因此，国际汽车零部件市场我国镁 合金应用及产业化事业提供了巨大的发展空间。 近年来，面对国外镁合金应用技术的飞速发展，我国的镁合金应用和产业化 技术的发展得到了相关政府部门的高度重视和支持，镁合金研究领域也越来越活 跃，我国镁合金零部件在汽车上的应用量以年增长1 5 的速度增长。在政府的支 持下，北京有色金属研究总院、上海交大、东南大学、重庆大学等单位在“九五” 期间已开展了“镁合金材料在轿车上的应用研究”、“阻燃镁合金的研制”、“耐热阻 燃镁合金研究”、“高品质牺牲镁阳极的研制”、“镁合金半固态铸造”、“镁合金铸造 复合材料”、“镁合金第二相的研究”等项目的研究开发；清华大学与力劲公司合作 创立了“清华一力劲压铸高新技术研究中心”，同时，国内许多大学也与科研部门进 行了新型镁合金的开发研究，取得了一系列卓有成效的科研成果，为我国造就了 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一大批镁合金研究开发及生产应用的优秀人才，为我国镁合金产业化的发展积累 了一定的经验，为我国镁合金研究开发的持续发展打下了良好的基础【1 3 】- 1 16 1 。 图1 1 镁合金件在汽车上的应用示意图i ” f i g 1 1t h eu s e dm a g n e s i u mp a r t s o f a u t o m o b i l e 1 2 3 国内、外压铸技术的发展 压铸的起源应该讲是从半永久型及永久型的发展中分支出来的。最早用泥范 制各青铜生活器具钱币等，以后发展了金属型制备简单的武器如青铜箭头。金 属型的大量使用是在印刷机械出现后制备铅字。由于生产规模的扩大，对金属型 的机械化操作提出了要求。 我国的压铸件的工业化生产始于2 0 世纪的5 0 年代，当时我国可自行设计及 制造全液压传动的卧室冷室压铸机，这个时期我国成批引进了原捷克斯洛伐克的 立式压铸机和原苏联的卧式压铸机；7 0 年代我国试制了j 1 1 2 5 、j 1 1 4 0 和j 1 1 6 3 全 液压卧式冷室压铸机；到8 0 年代，我国已能自行设计及制造成系列的性能性能良 好的压铸机，此外从国外引入大型压铸机，并且开始在压铸工艺中应用计算机技 术。 尽管我国的压铸业的发展势头十分喜人，但是与国际先进的压铸技术相比还 有差距。主要表现在一下几个方面： 一是对高新技术的应用较为迟滞，如在压铸柔性加工单元方面，压铸参数自 动检测显示系统方面，压铸机计算机控制和电液比例，电液控制方面还须加倍努 力。 二是在压铸机的总体设计方面如合型部分，压射部分，液压系统电控等均 存在较大差距。 三是国产机的可靠性还需要进一步提高，影响可靠性的因素有液压元件的质 量，加工制造的质量，设计的技术水平以及企业的组织管理水平。 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 因此，我国的压铸业需在以下几个方面努力：要进一步加强压铸理论的研究； 进一步提高压铸件的设计及制造水平；不断提高压型设计及制造的档次：继续开 展对压铸材料的研究和应用。 国外1 8 7 2 年出现了最简单的手动小型压铸机；1 9 0 5 年h e r m a nh d o e h l e r 注册 压铸机的专利，随后他又建立了著名的压铸公司；1 9 2 0 年，c r o e h r i 制造出了冷 室压铸机；立式冷室压铸机是j p o l a k 于1 9 2 7 年发明的；大型的压铸机的发展是在 2 0 世纪5 0 年代开始的。近1 0 年来，无论压铸机还是压铸技术均得到相当的发展， 压铸机械已朝自动化智能化发展。由近几年来国际压铸会议及相应的展览会看， 压铸技术表现出这样几个方向： 一是理论研究方面的工作更加深入，尤其是计算机模拟技术的发展，使金属 在填充型腔的流动形态金属在型腔中的凝固过程，型腔内金属液体的流动压 力、模具的温度场分布模具的温度梯度，模具的变形，压铸机拉杆系受力分析 等有不同程度的理论突破。 二是压铸机及其设备方面有了很大的发展，例如在生产管理和统计分析的配 置上有大幅度的增加，压铸机建立了安全标准，出现了多滑块式高速率压铸机， 压铸机配备了柔性单元配备装置，智能化机械手、分立的自动浇料、取件，喷涂 装置等，如日本的某公司最近开发成功新式压铸机，有效地提高了加工的效率， 该公司使用氮化硅陶瓷制作气缸及活塞解决了高温铝液腐蚀零部件的问题。 三是在压铸产品的检测方面特别是在内部缺陷的无损检测方面如x 射线、荧 光、超声波探测等得到发展。 四是在模型材料及其寿命方面加强了对优秀钢种的研究，如马氏体时效钢 高铬低碳高强度钢，对模具表面处理的加工方法如沉积方法( 气相，电弧触发等) 、 渗入元素法，溅射或喷射( 电子束或微粒) 等进行了改善，并且开展了对铺盖层 的研究。 五是快速成型设计及制造技术在压铸生产中得到应用，如压铸件的产品设计、 模型设计模型制造工艺分析，过程控制、零件加工等。 六是压铸材料得到进一步的发展，如镁合金及金属基复合材料【17 1 。 1 2 4 当前压铸镁合金的成型状况 由于镁合金密度小，易于压铸的优点，所以镁合金铸件的应用越来越广泛， 尤其是在汽车制造方面。工业上，镁合金压铸件一般采用冷室压铸，热室压铸和 触变成形，具体采用哪种方法要根据铸件的壁厚和尺寸来决定。汽车轻量化是当 前汽车工业发展的方向。镁合金具有高的比强度而日益受到重视，同样尺寸的镁 合金压铸件，其重量只有铝铸件的2 3 ，钢铸件的4 0 5 0 ，因此很有发展前途。 压力铸造工艺生产效率高( 每小时最高可压铸2 0 0 次，可进行连续的大量生 8 重庆大学硕士学位论文 产) ，产品质量好( 尺寸精度高，表面光洁度高，机械性能号好) ，经济效益高( 金 属利用率高，节省加工成本) 。压铸镁合金目前已广泛的用于移动电话、笔记本电 脑、c d 、摄像机等家电产品的外壳；摩托车汽缸体、曲轴箱体、曲轴箱盖、发动 机缸体、缸盖等摩托车零件；以及轿车方向盘、仪表面板、变速箱壳体等汽车零 件。 由于压力铸造使镁合金液高速充填铸模型腔，弥散状态的金属流与型腔内的 空气高度混合，最终在压铸件内形成弥散分布的气孔。因此，压铸件一般不能进 行热处理强化。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在质量，近年来美、日等国 相继研究开发出了金属半固态成形 i 引，真空压铸和充氧压铸等新工艺。 金属半固态成形工艺可分为半固态铸造成形和半固态压射成形两种工艺技 术。它具有充型平稳、无金属喷溅、金属氧化损失少、铸件组织致密、节能、操 作安全等优点，但目前该工艺尚不完全成熟，仅有国外少数厂家采用该工艺进行 生产。使用真空压铸和充氧压铸工艺生产的镁合金产品，虽然产品质量好，但所 需的生产设备复杂，生产成本高，效率低。而逐渐发展起来的挤压铸造技术，为 镁合金的成型提供了一种更为简单有效的方法。该技术工艺性能好，设备简单， 产品成型性能好，因此获得了广泛的关注。它是对浇入铸型型腔内的液态金属施 加较高的机械压力，并使其成形和凝固，从而获得铸件的一种工艺方法。目前主 要用于生产汽车、摩托车、空调、阀、泵等产品的配套零部件。 1 3 计算机数值模拟概述 随着科学技术的发展，计算机数值模拟技术越来越广泛深入的应用到了企业 的实际生产中。它是在实际铸造生产前，通过实际参数下的数值模拟，获得金属 液在型腔中的实际流动充型和凝固情况，通过对各种模拟结果的分析，对铸件可 能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生时间予以有效的预测，以便在浇注前采 取对策，确保铸件质量、缩短试制周期，降低生产成本。它为产品的开发生产提 供了可靠的技术保障，大大简化了劳动，提高了效率。 数值模拟是用控制方程来描述过程基本参数的变化关系，利用数值方法求解 来获得该过程的定量结果。随着计算机技术的发展，其运算速度越来越快，容量 越来越大，很多难以用分析方法求解的非线形问题都可以在计算机上用数值方法 求解。 通常数值模拟主要包括以下几个步骤【1 9 1 ； 建立能表达问题本质的数学模型，同时也建立起反应问题各量之间的微分 方程及相应的定解条件。 数学模型建立后，寻求准确高效的计算方法。该过程不仅包括微分方程的 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 离散及求解，还包括坐标的建立和边界条件的处理等方面。 根据实际情况，设定具体的工艺参数，用计算机进行模拟分析，根据模拟 结果，经比较得出最佳工艺方案。 铸造过程计算机数值模拟的主要内容包括充型速度场、温度场，凝固温度场， 应力场，组织分析以及缺陷预测等方面。温度场模拟是根据传热学原理建立数学 模型，其结果可以用于分析铸件的传热过程，凝固过程，预测缩孔缩松等缺陷； 流场模拟是根据流题力学原理建立数学模型，以此来分析铸件的充型过程。根据 其充型结果，可以优化浇注系统，预测卷气，夹杂，冲砂等缺陷。而且，由于流 动和传热是同时进行，在充型的同时计算传热，根据二者的耦合计算结果，可以 预测浇不足，冷隔等缺陷。而根据应力场的模拟结果，可以分析铸件的应力分布， 预测热裂，冷裂，变形等缺陷；组织模拟可分为宏观，微观模拟，它可以计算金 属的形核量，以及初晶类型，枝晶生长速度，组织转变和石墨形状大小等，以此 来预测铸件质量和性能。随着数值模拟技术的快速发展，其应用领域已从最初的 重力砂型铸造扩展到压铸，低压铸造，熔模铸造，电磁铸造等多种生产领域。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以材料为a m 6 0 b 的压力铸造摩托车手动变速箱罩盖为研究对象，针对 罩盖大型薄壁的结构特点，在合理的参数范围内，对该罩盖在采用不同的浇注系 统时压铸生产过程进行数值模拟，根据模拟结果的分析比较。得到最佳的生产工 艺方案，并根据缺陷预测，优化设计工艺，主要完成一下内容： 根据镁合金的压力铸造特点，选择恰当的传热，传质以及液相流动的统一 数学模型。 根据相应的数值模拟运算模型，设定相关边界条件的数值处理方法。 对压铸件的结构及使用条件进行分析，初步设计浇注系统，在合理的压力 铸造参数范围内，模拟罩盖充型过程的速度场、温度场，以验证此浇注系统设计 的合理性，根据模拟结果分析可能出现的缺陷及所在部位，对浇注系统进行优化 设计。 在确定了优化的浇注系统后，对主要的压铸工艺参数进行优化，确定最优 的压铸工艺参数，为实际生产的工艺设计提供参考。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 压力铸造理论 2 压力铸造理论 2 1 压力铸造工艺方法及特点 压力铸造是将液态或半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在压射冲头推 动下，以极快的速度充填型腔，并在压力下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。 压力铸造过程是一个涉及力学、流体动力学、热力学等方面的综合过程，压铸生 产过程如图2 1 所裂”。 压力铸造属于特种铸造的范畴，高速高压是压铸的两大特点，也是区别其他 铸造方法的基本特征。在压力铸造中，一般的作用于金属上的压力在2 0 m p 。 2 0 0 m p 。范围，充型速度在0 5 m s 7 0 m s ，充型时间很短，一般为0 0 1 s 0 2 s 。其 典型工艺程序可分为合金液准备，合型，浇注保压和开型取件四个步骤，该过程 一般在专用压铸机上完成。正是由于压力铸造过程的这种特殊充型方式及凝固方 式，导致这种方式具有自身的独特一些特点： 生产率极高，生产过程容易实现机械化和自动化。一般冷室压铸机每八小 时可压铸6 0 0 7 0 0 次，热室压铸机每a 4 , 时可压铸3 0 0 0 7 0 0 0 次。而且一副压 铸模中的型腔往往不止一个，这样生产的压铸件数也就成倍地增加了。 铸件的尺寸精度高，其尺寸稳定、一致性好、加工余量少而且有很好的装 配性。压铸件的精度可达i t l l i t l 3 级，有时可达i t 9 级。表面粗糙度值一般为 r a 0 8 3 2 a n ，最低达r a 0 4 t m 。一般压铸件只需对少数几个尺寸部位进行机械 加工，有的零件甚至不需机械加工就可直接装配使用。这样材料利用率高，可达 6 0 8 0 ，毛坯利用率达9 0 。 铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。由于压铸时金属液是在压力下凝 固的，又因高速充填，冷却速度极快，使铸件表面生成一层冷硬层( 约0 3 o 8 m m ) ， 该层的金属晶粒细小，组织致密。所以压铸件强度和硬度较高，坚实耐磨。当压 铸件壁厚适当且均匀时，其强度更高。 可以压铸形状复杂、轮廓清晰的薄壁深腔铸件，因为金属液在高压下能保 持高的流动性。压铸件最小壁厚锌合金可达到0 3 m m ，铝合金约为0 5 m m 。最小 铸出孔径为0 7 m m ，可铸螺纹的最小螺距为0 7 5 r a m 。 镶铸法可省去装配工序，简化制造工艺。在压铸件的特定部位上可以直接 嵌入所需的其他材料的制件，例如磁铁、铜套、绝缘材料等嵌件以满足特殊要求， 既省去了装配工序，又简化了制造工艺。 铸件内部有气孔存在，但一般仍能满足使用要求，由于金属液充填速度极 快，充填时卷入型腔中的空气很难完全排除，致使压铸件内常有气孔及氧化夹杂 重庆大学硕士学位论文2 压力铸造理论 物存在，从而降低了压铸件的质量。因此，一般压铸件不能进行热处理，也不宜 在高温下工作。同样。也不希望进行机械加工，以免铸件表层下的气孔露出来。 压铸机的压室和压铸模型腔的材料限制了压铸合金的种类，高熔点的黑色 金属因其压铸模使用寿命短而目前难以在实际生产中压铸。在同一种合金中，又 有牌号限制，这是因为压铸过程的特点，如激冷、收缩应力、成型时的充填条件 等造成的。 压铸件的尺寸受压铸机锁模力及装模尺寸的制约，故大型压铸件的生产收 到限制。目前大型压铸机有所发展，大型零件的压铸问题正铸件得到解决。 压铸工艺只适用于大批量生产。由于压铸机价格高，压铸模制造费用高、 工时长，维修费用也高，故生产总成本高，不宜小批量生产【2 1 1 。 2 2 压力铸造原理 了解压铸理论，目的是理解压铸过程中，金属液的运动方式，达到理想充填型 腔所需要的力学条件。为选择压铸机及压铸参数，设计浇注系统，提供科学的依 据和理论指导。 2 2 1 压力铸造的物理过程 压力铸造的三种热力学模型2 2 2 3 】 压力铸造是在高压下凝固成型，通过压力使金属内部组织和成型性得到改善， 这主要是高压使金属的热力学状态发生了变化。其力学模型为： 1 ) 绝热压缩型 r ：f 型k la t t ( 2 1 ) 式中，t 0 为高压下的凝固温度。 t - k a p ( 2 2 ) k 为比例常数。式( 2 2 ) 表明，凝固温度的变化与压强的变化为一固定的比率。 2 ) 等温压缩型 等温压缩下高压自由能变化： g ( r ，p ) = a g ( t , p = i ) + j ，拿v d p ( 2 3 1 式中， g - 凝固温度为t k 时，凝固前后的摩尔自由能差： v 金属凝固前后的摩尔体积差。 3 ) 混合压缩型 压力铸造中，由于硬壳的存在，封闭在硬壳中的待凝固的等静压是变化的； 1 2 重庆大学硕士学位论文2 压力铸造理论 铸件与模具界面热阻随着硬壳的增厚而上升， 能应是温度和压力的函数，即： 掰= ( 器 ，d p + ( 筹 ，打 热 ( 器) ，圯( 等) ，一s 最后可得 d t 卯 f 塑 l o p i 滔 r ( 上) p ( ) a g a p a g a r r “ _ _ 一 p o ， 因此，温度也不是恒定的。故自由 ( 2 4 ) 压力铸造下金属和合金的热物理参数 金属和合金的热物理参数主要包括：熔化温度、热导率、密度、比热容和结 晶潜热。由于压力的存在，将导致液态金属中的上述物理参数发生不同程度的变 化f 2 2 】。 熔化温度( t 。) 在压力作用下，合金的熔化温度有明显的变化，它可进行理论计算和试验测 定。 理论计算可利用绝热压缩力学模型推导的( 2 1 ) 式进行计算。其中v = v l - v s ， v l 、v s 分别为单位质量的液相占有容积；a h 为结晶潜热；t o 为常压下的熔化温 度。 热导率( 九) 加压时，由于结晶金属致密度提高，缩短了原子间的平均距离，热导率有所 提高。但这提高是有限的，并不能明显加快金属的凝固速度。 密度( p ) 在一定压力范围内，随着压力的增加，已结晶的金属密度值随着压力的增加 并不是一直递增的。压力较低时，由于补缩不良而形成微观缩松使金属密度下降， 增加压力到一定值时，由于宏观缺陷消除，使密度达到最高值，但继续增加压力 又使密度有少量下降，它是由于位错密度增加而引起的。 随着压力的增加，其结晶潜热有某些提高，而比热容与压力无关。 压力作用下金属凝固过冷度方程 压力铸造过程中压力作用是的为形核提供一部分形核功，使形核变得容易。 同时，压力又使扩散活性增加，导致原子扩散困难。在压力作用下，金属凝固的 相对过冷度方程为叫，2 5 】： 1 3 重庆大学硕士学位论文2 压力铸造理论 ( 舒s 旦d 心t , v c 一2 争c 阳 亿s ， 黼肚孚( 鑫) 肛筹伊骂盟 式中t 厂r 。为相对过冷度，o 为固液界