（材料加工工程专业论文）汽车减震器支撑件压铸成型工艺研究.pdf

合肥工业大学 删mfff|f|j|f|jfiif|fiii y 18 8 7 0 l = j i 。8 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) 甲氡文坼 教授合肥工业大学 刻似红 高级工程师安徽省模具工业协会 教授合肥工业大学 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g 垦工些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。 学位论文作者签字：奖p 鲁 l 签字日期踟f j 年侈月，厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金肥王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金起互些太堂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) 学位论文者签名：牙砖 签字日期：2 4 【1 年舻月f f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：参v 签字日期：z l1 年 电话： 邮编： 汽车减震器支撑件压铸成型工艺研究 摘要 与国外先进技术相比，国内在镁合金压铸零部件成型技术的研究方面存在 一定差距，具体体现在废品率高、试模成本高、创新能力差以及对汽车承载件 的研究开发不足等方面。因此，使用先进技术研究镁合金压铸产品成型过程和 控制产品缺陷具有重要的意义。 模具浇注系统和排溢系统及工艺参数对压铸件的成型缺陷有直接的影响， 本文以镁合金汽车减震器支撑件为研究对象，对压铸成型过程及成型缺陷进行 深入研究。首先使用p r o c a s t 软件对支撑件成型方案进行数值模拟，结合实验 预测分析成型缺陷，验证模拟软件的可靠性；其次为降低成型缺陷，分析原成 型方案的不足，对模具浇注和排溢系统进行重新设计；再次，分析了多个工艺 参数对成型缺陷的影响，综合正交试验、神经网络和遗传算法等方法优化工艺 参数，最大限度地减少压铸缺陷；最后，对比两种方案热裂纹倾向区域在准固 相区( 9 0 1 同时成立时，热裂纹倾向明显。 关键词：减震器支撑件；压铸成型；成型缺陷；工艺参数优化；热裂纹 r e s e a r c ho nd i ec a s t i n g s h o c ka b s o r b e r p r o c e s so fa u t o m o b i l e s u p p o r t p a r t s a b s t r a c t t h e r ei sag a pi nm a g n e s i u ma l l o y d i e c a s t i n gm o l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hi n d o m e s t i cc o m p a r e dw i t ha d v a n c e dp a r t sa n dc o m p o n e n t sv e h i c l em a n u f a c t u r e r s ， e m b o d i e di nt h eh i g hr e j e c t i o nr a t e ，t h eh i g hc o s to fm o d e t e s t ，p o o ri n n o v a t i o na s w e l la ss ol e s sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v eb e a r i n gp a r t s t h e r e f o r e ， t h eu s eo fa d v a n c e d t e c h n o l o g yr e s e a r c h i n go nm a g n e s i u ma l l o yd i e 。c a s t i n g p r o c e s sa n dd e f e c t sc o n t r o l l i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i n j 。e c t i o ns y s t e m ，d r a i no v e r f l o ws y s t e ma n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fd i e c a s t i n gh a v ead i r e c ti m p a c to nm o l d i n gd e f e c t s i nt h i sp a p e r ，m a g n e s i u ma l l o y a u t o m o t i v es h o c ka b s o r b e rs u p p o r tp a r t sa r ea d o p t e da st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h e p r o c e s so fc a s t i n ga n dm o l d i n gd e f e c t sa r ei n d e p t hs t u d i e d f i r s t ，t h eo r i g i n a l m o l d i n gp r o g r a mw a ss i m u l a t e db yt h es o f t w a r e ，p r o c a s t ，a n dt h em o l d i n gd e f e c t s w e r ep r e d i c t e dw i t he x p e r i m e n t s ，t h er e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o ns o f t w a r ew a s v e r i f i e d a sw e l l ；s e c o n d ，i no r d e rt or e d u c ef o r m i n gd e f e c t s ，t h ei n s u f f i c i e n to fo r i g i n a l f o r m i n gp r o g r a mw a sa n a l y z e d ，t h ei n j e c t i o ns y s t e ma n dt h eo v e r f l o ws y s t e mo f o r i g i n a lf o r m i n gp r o g r a mw e r er e d e s i g n e d ；a g a i n ，t h ei m p a c to ft h ep r o c e s s p a r a m e t e r so nf o r m i n gd e f e c t sw a sa l s oa n a l y z e d t h ec o m p o s i t eo r t h o g o n a lt e s t ， n e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n o f p r o c e s sp a r a m e t e r s m i n i m i z e dc a s t i n gd e f e c t se x c e l l e n t l y ；f i n a l l y , t h ec a u s e so fh o tc r a c k i n gc a s t i n g h a v es t u d i e db ya n a l y z i n gt h ev a r i a t i o no fm u l t i p h y s i c si nt h eq u a s i s o l i dp h a s e r e g i o n ( 9 0 1 ，t h e e s t a b l i s h m e n to fh o tc r a c k i n gt e n d e n c yi so b v i o u s k e yw o r d s ：s h o c ka b s o r b e rs u p p o r tp a r t s ；d i ec a s t i n g ；m o l d i n gd e f e c t s ；p r o c e s s p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ；h o tc r a c k i n g 致谢 时光飞逝，光阴如梭，值此论文完成之际，向我的导师刘全坤教授致以最 高的敬意和谢意。在近三年的研究生学习期间，导师无论是生活还是学习上都 给予我无私的关怀和培养。从我进实验室的那天起，导师宽广的胸怀和严谨的 治学态度以及忘我的工作精神就深深的影响了我。导师的治学、工作和生活的 态度以及思想都将是我这一生不断学习和最为宝贵的财富，他将永远激励着我 不断的进取和奋斗。恩师在三年的时间里给予我无私的关怀和教诲无法简单的 用语言进行诠释，只能在此衷心的祝福恩师，祝福恩师每天每时每刻都幸福和 快乐! 在此特别感谢在学习上给予我指导和帮助的王成勇老师，他使我对课题中 涉及到的许多问题有了更加深入的理解和认识，在此表示真挚的谢意。感谢广 东东莞宜安电器制品有限公司工程研发中心的技术人员对我课题研究的帮助， 在此表示感谢。 特别感谢陈文琳老师、陈忠家老师和翁洁等老师在我的研究生学习期间给 予学业和生活上的指导和帮助。感谢王强高级工程师和安徽建工学院的雷声老 师，他们为我的课题提供了相关实验验证机会和学习上的建议。 忠心感谢实验室的王可胜、陈丛升、刘俊松、唐凯、赵雅丽、张金宝、韩 豫、李亨、桂中祥、李奋强、马灿、李恩、梁卫抗、赵磊、王磊、王琬璐、朱 汝城、陈晨、王鸿基、林标华、钱凌云等在学习上和生活上给予我的关心和帮 助。 在此衷心感谢我的父母和姐姐，在近二十年的学习生涯中，无论在精神上 还是经济上他们始终给予我最大的鼓励和支持，在此表示深深的感谢，在今后 的人生道路中我将和他们分享我所有取得的成功和快乐! 感谢他们，感谢他们 给予我的这一生! 郑金星 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论o l 1 1 引言1 1 2 镁合金及压铸镁合金的应用1 1 2 1 镁合金及其压铸性能1 1 2 2 汽车用镁合金压铸件的发展一2 1 3 压铸成型工艺与技术特点3 1 4 镁合金压铸成型技术的国内外发展现状4 1 5 镁合金压铸成型数值模拟发展概况6 1 6 课题来源及研究内容一7 1 6 1 课题来源及研究目的意义7 1 6 2 课题主要研究内容7 第二章压铸成型有限元模拟理论基础9 2 1 充型过程的数学描述9 2 2 凝固过程数学描述1 0 2 3 压铸初始和传热边界条件”1 l 2 4 凝固潜热的处理1 1 2 5 压铸成型过程铸件缺陷预测1 2 2 5 1n i y a m a 法t 2 2 5 2 温度梯度法1 2 2 5 3 临界固相率法1 3 2 5 4 等固相线法l3 2 6 本章小结一1 3 第三章减震器支撑件压铸成型有限元模拟与缺陷预测1 4 3 1 支撑件几何信息与三维建模”1 4 3 2 压铸模具设计理论1 6 3 2 1 分型面设计原则与分类1 6 3 2 2 浇注系统结构与设计理论1 7 3 2 3 排溢系统设计1 8 3 2 原始成型方案数值模拟与缺陷预测1 8 3 3 1 模型有限元网格划分1 8 3 3 2 模拟参数的确定”1 9 3 3 3 压铸充型过程数值模拟1 9 3 3 4 数值模拟结果与分析2 1 3 3 4 1 温度场和凝固场分析2 1 3 3 4 2 缩松、缩孔缺陷模拟结果分析- 2 l 3 3 4 3 应力结果分析2 2 3 4 原始成型方案实验验证及结果分析2 4 3 5 本章小结一2 6 第四章减震器支撑件浇注系统的改进与优化2 7 4 1 原始方案浇注系统的不合理设计2 7 4 2 改进方案浇注系统理论设计一2 8 4 3 尸q2 图优化改进方案浇注系统设计3 0 4 4 正交试验优化工艺参数3 l 4 4 1 目标参数的建立分析3 1 4 4 2 正交表的建立和结果分析3 l 4 4 3 极差分析3 3 4 5 改进设计方案数值模拟与结果对比分析3 4 4 5 1 充型过程分析3 4 4 5 2 温度场和凝固场过程对比分析3 4 4 5 3 缩松、缩孔缺陷分析3 6 4 5 4 等效应力分析3 7 4 5 5 最大丰应力分析3 7 4 6 神经网络模型的建立3 8 4 6 1 神经网络建立3 8 4 6 2 优化目标确立和b p 网络设计3 9 4 6 3 样本参数的获取和b p 网络学习3 9 4 7 遗传算法模型的建立4 1 4 7 1 神经网络与遗传算法的结合4 1 4 7 2 遗传算法数学模型4 1 4 7 3 遗传算法编程4 2 4 8 优化结果的模拟验证及分析一4 3 4 9 本章小结4 3 第五章支撑件热裂成因理论分析”4 4 5 1 热裂形成机理4 4 5 2 压铸件成型过程中产生应力和变形机理4 5 5 3 模拟分析热力学模型及准固相区多物理场参数模型建立4 6 5 4 仿真与实验结果分析4 7 5 4 1 热裂纹数值模拟结果与实物验证分析4 7 5 4 2 两种方案热裂纹区域在准固相区的温度差对比分析4 8 5 4 3 两种方案热裂纹区域在准固相区的应力对比分析4 9 5 5 本章小结5 1 第六章工作总结与研究展望5 2 6 1 全文总结5 2 6 2 研究展望一5 3 参考文献一5 4 攻读硕士学位期间发表的论文和参与项目5 9 图1 1 图1 2 图1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 11 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 15 图3 16 图3 17 图3 18 图3 19 图3 2 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图4 1 l 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 17 插图清单 不同阶段压射比压与压射冲头速度变化示意图4 减震器支撑件实体造型一8 研究思路与组织结构”8 减震器支撑件三维图1 4 减震器支撑件平面设计图1 5 浇注系统的结构一16 浇注系统的分类一1 6 原始方案浇注系统和排溢系统1 8 原始方案有限元网格模型1 8 a m 6 0 b 的硬化曲线1 9 a m 6 0 b 的泊松比曲线19 原始成型方案的压铸充型过程2 0 温度场和凝固场分布云图“2 l 原始方案缩松缩孔云图2 2 原始方案热裂倾向云图2 2 原始方案等效应力分布云图一2 2 原始方案最大主应力云图一2 3 原始方案凝固时间云图2 3 原始方案最大主应力时间变化曲线图2 4 y i z u m i4 0 0 t 卧室压铸机”2 4 支撑件压铸模具( 定模) 2 4 x y 剖切面( 0 ，0 ，2 0 ) 实物缺陷分布一2 5 c 区螺栓孔x 光测试结果2 5 原始方案浇道系统2 7 原始方案合金液流粒子跟踪图2 7 圆弧状横浇道不合理设计2 8 横浇道位置形式一2 8 改进后模具浇注系统一2 9 p q 图样本示例3 0 p q 图优化浇注系统设计3 1 试验因素对平均冷却速率影响的趋势图3 3 改进方案压铸充型过程3 4 改进方案充型粒子跟踪图3 4 两种方案凝固过程温度场分布云图3 5 两种方案凝固过程温度一时间变化曲线3 6 两种方案凝固过程固相分数一时间变化曲线“3 6 改进方案的缩松、缩孔和热裂倾向云图3 7 改进方案等效应力云图3 7 改进方案最大主应力分布云图3 8 改进方案最大主应力时间变化曲线“3 8 图4 1 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 训练迭代误差曲线4 l 晶界搭桥理论定义的热裂纹形成过程4 5 压铸成型过程应力与变形4 5 弹塑性力学模型4 6 镁合金压铸成型准固相区多物理场参数模型4 7 原始设计和改进设计的热裂纹倾向云图“4 7 原始设计产品实物x - y 剖切面( 0 ，o ，15 ) 内部热裂纹4 8 两种方案固相分数一时间和温度一时间变化曲线4 8 a 区裂纹附近取样光学显微实验4 9 最大主应力一时间变化曲线一5 0 等效应力变化曲线5 0 表1 - 1 表1 - 2 表1 - 3 表3 - 1 表4 1 表4 - 2 表4 - 3 表4 - 4 表4 - 5 表4 - 6 表5 1 表格清单 镁合金的压铸工艺性能2 镁合金压铸零件在汽车上的应用分类2 压铸成型四个压射阶段4 a m 6 0 b 和h l3 的热物理性能1 9 充填速度推荐值2 9 充填时间推荐值2 9 p r o c a s t 软件对9 组试验方案的模拟结果3 2 正交试验表3 2 样本数据3 9 优化结果4 3 各区域仃。和万在准固相区的平均峰值5 0 第一章绪论 1 1引言 近年，随着世界各国对节能减排的日益重视，汽车轻量化的研究受到汽车 制造业以及科研机构的高度重视。在国务院决定加快培育七大战略性新兴产业 中，新材料和新能源汽车位列其中，汽车轻量化也因此成为国家节能减排战略 的紧迫需要。镁铝等合金是非常重要的汽车轻量化材料，其具有比强度高、密 度小、易切削加工、阻尼性好、导热和减震性好等优点【l2 1 。 与国外先进技术相比，国内在镁合金压铸零部件成型技术的研究方面存在 一定差距，具体体现在废品率高、试模成本高、创新能力差以及对汽车承载件 的研究开发不足等方面。因此，使用先进技术加快提高我国镁合金压铸产品质 量和自主研发水平成为当前重要热点课题。采用数值模拟的方法对镁合金汽车 零部件压铸成型工艺进行研究分析，可以有效地预测产品缺陷形式和位置，获 得工艺参数，降低试模成本，提高产品质量。同时，镁合金汽车压铸件的研究 开发，对促进传统汽车制造业的改造和汽车轻量化发展具有积极的现实和长远 意义。 减震器支架是汽车重要支撑零部件之一，发达国家在中小型汽车上已开始 使用压铸生产的镁合金减震器支架，相比铸钢和铝合金支架，不仅减重而且具 有良好的减震性能。目前国内的镁合金减震器支架虽然可以生产，但废品率较 高，存在较严重的铸造缺陷。 本文针对减震器支架的压铸成型工艺，使用p r o c a s t 软件仿真模拟，通过对 温度场、凝固场、以及应力场综合分析，预测缺陷的形式、位置和尺寸，并结 合后期的实验进行验证分析。通过正交试验考察工艺参数对镁合金支架压铸成 型的影响，在此基础上提出结构及工艺改进措施。同时通过多物理场在准固相 区的仿真结果对热裂纹成因进行理论分析，为热裂形成机理的进一步研究提供 参考。 1 2镁合金及压铸镁合金的应用 1 2 1镁合金及其压铸性能 镁合金是以镁为基元素加入其他的元素组成，目前运用最多的是镁铝合金， 其次是镁锌合金和镁锰合金。镁铝合金广泛运用于汽车、航空航天、化工和电 器等领域。镁合金的比重约为1 8 9 c m 3 ，比钢轻7 7 ，比锌合金轻7 3 ，比铝 合金轻3 6 ，具有相对高强度和高刚性，是实用金属中的最轻的合金，具有重 要的应用价值和广阔的应用前景【3 】。目前镁合金零件接近9 0 都是通过压铸生 产出来的，其中汽车领域使用的镁合金压铸件占全部镁合金压铸件8 5 左右。 与其它合金相比，镁合金压铸工艺性能的优缺点如表1 1 所示。 表l i 镁合金的压铸：【：艺性能 1 2 2 汽车用镁合金压铸件的发展 随着新能源汽车产业的加速发展，镁合金压铸零部件在新能源汽车的研发 过程中必将起着重要作用。其对实现汽车的轻量化、高速、节能等整体功能效 果明显，因此国内外汽车行业对镁合金压铸件的研发愈加重视，镁压铸件每年 以2 0 2 5 的速度增加1 5 】。目前使用或正处于研究状态的镁合金汽车压铸件 有六十多种。近十年来，代表性的汽车用镁合金压铸件可归纳为两大类，如表 1 2 所示： 表1 2镁合金压铸零件在汽车e 的应用分类 类别零件名称 壳体类 支架类 车门内板、阀盖、气缸盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、 发动机前盖、离合器壳体、空调机外壳等 轮毂、减震器支架、转向支架、刹车支架、座椅框架、 车镜支架、方向盘、分配支架等 镁合金压铸件总量的8 5 以上是用于汽车工业，中国是未来世界上最大的 汽车市场，汽车产量的增长率又是全世界最快的，所以镁合金压铸件的研究 和开发对于汽车产业的发展具有重要的意义。压铸镁合金除了有良好力学性能、 铸造性能和物理性能外，其表面还有一层结晶组织，一定程度上可以改善耐蚀 性能，经过钝化处理的压铸件，具有优良的抗盐雾腐蚀性能。这些性能特点决 定了镁合金压铸零部件在汽车产业领域的良好前景。 2 1 3 压铸成型工艺与技术特点 1 3 1 压铸成型技术概念 压铸是通过压射冲头，在高压作用下将液态或半固态合金以很高的速度压 射进入模具型腔，并在高压下使铸件凝固成型。压铸是近代金属成型工艺中发 展较快的一种高效率、少无切削、高精密的金属成型精密铸造方法【6 1 。压铸成 型的主要特点是高压和高速。压铸方法与其他铸造工艺对比，优缺点如下【7 8 】： 优点： ( 1 ) 可以加工复杂零件，对于其他工艺不易制造的深腔薄壁零件，可以通 过压铸成型，获得较好质量的零件。 ( 2 ) 加工出来的零件尺寸精度很高，最高可获得i t l3 级的压铸件。同时 压铸件的表面光洁度较高，粗糙度值约为兄0 8 , - - 3 2 。 ( 3 ) 在压铸件上可以嵌上其他材质，加工一些具有特殊镶嵌件的零部件， 减少装配，简化加工流程，节省成本。 ( 4 ) 压铸件的组织具有较好的致密性，强度和硬度均较高，同时成型零件 的耐蚀性和耐磨性相比其他方法成型铸件要好。 ( 5 ) 普通冷室压铸机工作效率是6 0 0 7 0 0 件天，小型热室压铸机效率为 3 0 0 0 - 7 0 0 0 件天，生产效率较高，生产周期短，模具的寿命较长，镁铝合金压 铸模具每副寿命约几十万次，最高可至一百万多次。 缺点： ( 1 ) 容易由于高速充填和凝固速度较快而卷入较多气体，产生缩松缩孔等 缺陷，影响压铸件的质量。 ( 2 ) 大尺寸的铸件不适宜压铸制造，目前主要原因是受到压铸机的装模尺 寸和锁模力的限制。 ( 3 ) 目前压铸的合金类型主要是锌合金、铝合金、镁合金和铜合金，除此 以外，其他合金不宜压铸成型。同时压铸模具由于长时间的高温循环，寿命较 低。 ( 4 ) 小批量生产成本较高。压铸机的批量生产效率较高，同时压铸模具材 料较贵，从经济角度来说小批量生产不合适。 1 3 2 压铸成型过程 液体金属在压室与压铸模中的运动基本可以分解为四个阶段，目前的压铸 机多为三级压射，第一、二压射阶段作为一级压射，三、四压射阶段分别作为 二、三级压射。如表1 3 和图1 1 所示【9 】： f 一压射的各个阶段p 一液态金属的压力( 压射比压) v 一压射冲头运动速度 图l - i 压铸不同阶段压射比压与压射冲头速度变化示意图 表i - 3压铸成型四个压射阶段 1 4国内外镁合金压铸成型技术的发展现状 压力铸造发展一般认为起源1 9 世纪，作为一种先进的精密零件成型技术， 压铸制造技术获得了广泛的应用和迅速发展【l0 1 。 在国外，镁合金压铸技术于2 0 世纪8 0 年代开始用于汽车行业零部件的制 造，为了达到减轻汽车的净重和降低平均燃油标准的要求，北美汽车制造公司 积极致力于镁铝合金零部件的开发研究，最终将研发成果应用于实际的生产中 4 j 。目前，镁合金压铸件已广泛运用于汽车、电动工具、计算机、通讯设备、 运动器材、电子设备等领域。近年来，国外在半固态压铸、真空压铸法和充氧 压铸法等方面取得了许多新的研究成果和新的成型技术。这些新技术在消除镁 合金压铸件的铸造缺陷，提高其力学性能及表面和内在质量上均取得良好的效 果l l 引。美国d o wc h e m i c a l 公司研发的镁合金半固态触变成形工艺与设备已投 入实际生产中；日本轻金属株式会社最近几年一直致力于镁合金磁头支架充氧 压铸法批量生产的研究；美国俄亥俄精密成形公司在镁合金压缩金属成形技术 ( m c f ) 方面取得较大成就，使得在整个压铸件表面加压的成形方法得到实际 运用【l 引。近年来，在新能源汽车轻量化和节能减排的国内国际大背景下，镁合 金压铸技术的应用范围逐渐扩大，在多领域的实际生产中呈增长趋势。 在国内，由于压力铸造技术在2 0 世纪5 0 年代才开始在工业上应用，所以 镁合金压铸技术发展相对滞后。但在最近的10 年中，随着科技部门和生产企业 对研发的重视，镁合金压铸工艺的研究逐步深入，取得一些重要的成果。在镁 合金压铸技术领域，近年在长三角和珠三角地区，压铸零部件的生产已初见规 模，同时国内的科研院所和高校在压铸新技术和新工艺的理论研究方面作了大 量有益探讨。自2 0 0 0 年以来，国内镁合金压铸件产量平均年增长率达到l8 。 深圳嘉丰金属制品厂和青岛金谷镁业股份有限公司等开发的镁合金笔记本电脑 外壳和手机外壳，上海乾通汽车附件公司生产的镁合金汽车变速箱壳体；浙江 岱美聚氨酯有限公司生产的镁合金汽车方向盘均为镁合金应用的典范。除此之 外，在镁合金压铸技术研究方面，国内的高校和科研机构如上海交通大学轻合 金精密成型国家工程研究中心的林凌等人研究了真空压铸生产的a z 9 1d 和 a m 6 0 合金减震塔铸件的微观组织和力学性能，考察了热处理工艺对其性能的影 响。结果表明a z 9 1d 和a m 6 0 真空压铸件均能够热处理强化。同时真空压铸 能有效消除铸件中的气孔，但无法完全消除缩松现象【l3 1 。清华大学的胡泊、熊 守美等人研究了a m 5 0 镁合金真空压铸件孔洞分布与力学性能的关系，结合镁 合金压铸件的缺陷带理论，应用超声扫描显微镜采集孔洞缺陷数据，对a m 5 0 镁合金真空压铸阶梯试样的孔洞分布进行统计分析，研究了缺陷带附近的孔隙 率与压铸件力学性能的关系【l4 1 。沈阳工业大学的刘正等人对镁合金汽车转向柱 支架的压铸成型进行模拟仿真，分析结果表明模具温度2 2 0 ，浇注温度7 0 0 的条件下，最优的压射速度应为6 0 m s ，此时能达到最佳充型效果【l5 1 。未来 几年，随着新能源汽车的研发和轻量化研究的快速发展，镁合金压铸产品的种 类也将越来越多。新材料、轻量化、节能减排等方面的技术进步也将为镁合金 压铸技术发展打下坚实的基础。 目前，我国在镁合金压铸技术研究方面与国外还存在一定差距，具体体现 在镁合金压铸产品的结构、品种、整体质量的稳定性、生产成本、创新能力等 方面。国内镁合金压铸产业目前普遍存在废品率高，试模成本高的问题，对汽 车承载件的研究开发不足。因此，加快提高我国镁合金压铸技术水平和产品自 主研发能力成为当前重要热点课题，有效控制镁合金压铸产品的缺陷，对于镁 合金汽车承载件的研究开发和促进传统汽车制造业的改造有着重要意义。 1 5镁合金压铸成型数值模拟发展概况 由于压铸成型过程时间短和不透明等特点，实际生产中主要依据经验。镁 合金虽然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，如缩 松缩孔、热裂、拉裂等缺陷。借助数值模拟成型过程，在镁合金压铸工艺设计、 有效预测缺陷、工艺参数优化、缩短生产周期以及降低成本方面起着重要的作 用，同时可以直观观察到熔化金属充填铸件型腔的流动【1 6 】，。 近年来，通过国内外科研机构和高校对于压铸成型工艺的不断深入研究， 压铸成型数值模拟技术取得了很大的进步。目前国外已有多种压铸成型数值模 拟软件，如f l o w 3 d 、p r o c a s t 、m a g m a 等，国内的清华大学c i f t 研究室开发了 有限元有限差分集成应力分析系统，在分析镁合金压铸模具应力场和变形方面 取得了很好的成果【i 。7 1 。华中科技大学开发的华铸c a e 已在实际生产中得到有 效运用。 国外学者近年来在镁合金压铸数值模拟方面也做了大量深入研究【1 8 2 。 c w a n g 和r a s t o e h r 将凝固和充型过程作为一个整体进行模拟分析，模拟结果 可显示出流场、温度场的分布，同时可以分析预测冷隔和缩孔等缺陷可能出现 的概率和和位置【2 引。学者g u p a h y a 认为，完整的数学模型应将微观的生核、 长大和宏观的传热等联系在一起。据此，他用晶体的生核和长大速度代替了能 量方程中凝固时热量产生的速度，同时将流体流动、传热和凝固等过程合并为 整体进行数值模拟。德国大众公司在开发奥迪5 倍速镁合金变速箱体时采用 m a g m a s o f t 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。j l y e n 等人使用不规则网格来计算流场，为了提高迭代效 率，他使用c m g 算法，从而使计算的速度和精度得到显著提高。同时在模拟 分析过程中附加分析型腔内气体的反压力、内浇道入流速度以及表面张力等对 充型过程温度场和速度场分布的影响【2 3 1 。i r o s i n d a l e 2 4 1 等人运用边界单元法对 模具和浇注、排溢系统进行有效热分析，对压铸型腔和浇注系统中金属液的相 变问题采用有限元方法进行了分析。 国内方面，在压铸成型工艺以及压铸缺陷预测数值模拟研究方面取得了比 较大的进步。兰州理工大学张玉海等人使用数值模拟方法研究了压射比压、浇 注温度、模具温度、压射速度四个压铸参数对a m 6 0 b 镁合金显微组织、铸造 性能和力学性能的影响，探明了其在冷室压铸条件下的最佳工艺，分析了压铸 态组织，并成功地实现了镁合金灯罩铸件的试制【25 1 。哈尔滨工业大学的李远发 等人通过铸锻双控成形与普通压力铸造在相同工艺参数条件下，对镁合金a z 9 1 采用正交试验的方法进行样件的试制，并对双控成形制件进行t 6 热处理( 固 6 溶处理加完全人工时效) ，然后对样件进行缺陷分析及力学性能测试【2 6 1 。上海 交通大学的陈彬、曾小勤等人对铝合金汽车部件压铸件的缺陷进行了数值模拟， 模拟结果和生产的压铸件实际情况相吻合，根据模拟结果，对压铸工艺进行了 改进，使压铸件的质量得到了提高【2 。华南理工大学的常永贵，胡清明等利用 j s c a s t 软件对汽车发动机镁合金缸盖罩的压铸过程进行了数值模拟，并根据 模拟结果逐步改进浇注系统，最终确定了合理的压铸浇注系统和最优的工艺 参数，为模具设计提供了依据。清华大学的郭志鹏、熊守美在压铸实验的基础 上，求解了铸件铸型界面换热系数h 与铸件凝固速率v 的关系，确立换热系数 与铸件凝固速率的关系【2 引。阎峰云，张玉海采用液态压铸技术，研究了压铸工 艺参数对a m 6 0 b 合金显微组织的影响【29 1 。 在镁合金压铸件热裂纹研究方面，中国科学院金属研究所的黄张洪、张燕 等d u j 对m g z n y - z r 合金热裂敏感性进行了研究，根据热裂纹位置因子、宽度 因子等表征结果分析了不同镁合金的热裂倾向性。华南理工大学的曹文炅，周 照耀等人【3 l j 使用数值模拟软件考察了某薄壁镁合金件压铸充型凝固过程的温 度场，凝固过程中产生的热应力，及其对裂纹成因的影响，通过数值分析得出 a z 9 1 d 铸件裂纹的产生与铸件孔洞类缺陷及凝固收缩不一致产生的应力有关。 上海交通大学的黄玉光、吴国华等人【3 2 】介绍了新的热裂机理“冲击应力 机理，同时总结了合金元素锌、稀土以及两者的混合加入对镁合金热裂倾向的 影响。 镁合金压铸成型数值模拟技术的出现和发展为合理设计压铸工艺提供了新 的方法，随着研究的不断深入，数值模拟方法更加完善，结果的可靠性也越来 越高。通过数值模拟结果优化工艺参数，既可以缩短成型工艺周期、减少试模 成本，同时也为预测铸件缺陷以及分析缺陷的成因提供了新的研究方法。 1 6 课题来源及研究内容 1 6 1 课题来源及研究目的意义 本课题来源于广东省教育部科技部产学研专项一一基于多场耦合模拟轻质 合金精密成型缺陷控制技术及产业化( 项目号：2 0 0 9 8 0 9 0 6 0 0 0 0 6 ) 。结合实际生 产情况，对东莞宜安电器制品公司生产的汽车用镁合金减震器支撑件进行研究。 利用p r o c a s t 有限元软件，模拟支撑件压铸成型过程并预测铸件缺陷，根据模拟 结果优化压铸成型过程工艺参数，减少成型缺陷，提高成型质量，同时结合实 验对缺陷的成因进行深入分析和研究，指导实际生产。 1 6 2课题主要研究内容 根据设计图纸在u g 中绘制减震器支撑件三维模型( 图1 2 ) 。从图中可以 看出，支撑件属于壁厚不均匀、结构不对称、深度不等高的薄壁类零件，一般 工艺方法成型较难，采用压铸成型可以使壁厚差较大处较顺利充型完整，同时 7 也可以大大提高零件的致密性，以满足其力学使用性能要求。 图1 2 减震器支撑件实体造型 课题研究主要内容包括： ( 1 ) 使用p r o c a s t 软件对减震器支撑件原成型方案进行数值模拟，分析成 型过程的温度场、速度场、凝固场、应力场( 等效应力、主应力) ，预测分析成 型缺陷出现的形式、位置和尺寸。结合实验结果，验证模拟软件的可靠性。 ( 2 ) 为降低成型缺陷，对原模具结构进行改进。通过对比分析原成型方案 的不足，对模具浇注和排溢系统进行重新设计。 ( 3 ) 分析多个工艺参数对成型缺陷的影响，综合运用正交试验、神经网络 和遗传算法优化工艺参数，最大限度地降低压铸缺陷，提高铸件质量。 ( 4 ) 镁合金压铸件热裂纹成因分析。随机选择多组有限元节点，对比两种 方案热裂纹倾向区域的凝固场、温度场、应力场。通过重点分析准固相区( 9 0 f s 一l ) ( 2 7 ) 式中，瓦为固体边界温度；以为流体的特征温度；口为对流换热系数。 2 2 2 热传导 模具和合金之间在合金液充满模具型腔后的导热以不稳定导热方式进 行。其数学表达式可用三维不稳定导热方程表述： p c p 詈= 丢( 允罢) + 导( 力号) + 昙( 五署) + q c 2 州 式中，a 为热导率( w m k ) ；t 为时间；p 为密度( g c m 3 ) ；t 为温度( k ) ；c 口 为定压比热容( j k g k ) ； 兀为固相率；q 为内热源( q ：皿鍪) ；l 为熔化潜 热( j k g ) 。 2 2 3 热辐射 模具表面与空气以及铸件与空气之间的传热以辐射传热为主( 在静止空气 中) ，通常用s t e f e n b o l t z m a n 定律来计算辐射换热，公式如下： q = 阳。f ( 2 - 9 ) 式中，是s t e f e n b o l t z m a n 常数，正是表面的绝对温度；占是辐射黑度。 2 3 压铸初始和传热边界条件 在压铸生产中，压铸模具的温度、合金初始浇注温度和重力的方向将直接 影响模具使用寿命和铸件质量，因此压铸要设定的初始条件包括：模具温度、 浇注温度和重力方向。 在模拟计算中，要考虑模具铸件、模具空气等之间的传热边界条件，一 般要通过设置各种边界的界面热交换系数以及各种经验公式进行计算。对于金 属液、模具和空气之间传热边界【38 1 ，用式( 2 1 0 ) 表示： 五豢1 6 - 以+ 一巧一】6 ( 2 - 1 0 ) 式中，冬1 6 是边界法向温度梯度，h ，- 是边界换热系数；巧+ 、r r 一是界面两边温 度。 2 4 凝固潜热的处理【3 9 , 4 0 1 凝固潜热是当合金从液相转为固相时，由凝固过程中内能的变化引起的， 也称为熔化潜热。在凝固过程数值模拟中，通常将热焓法、温度回升法、等价 比热容法应用于凝固过程数值模拟，对液固转换过程结晶潜热释放问题进行求 解。本课题采用热焓法，并将与相变有关的不连续性忽略。在热焓的计算中将 时间步长之后的焓先求出，然后根据温度与热焓之间的关系求得相应的温度， 最后通过求解下一步长的温度和热焓，逐步求解，最终得到凝固过程温度的变 化。相变时金属材料的比焓数学表达式如下： h = 。+ e c p d t + ( 1 一正皿 ( 2 1 1 ) 式中，厶为固相分数；h 。是基准温度乙时的比焓。对温度求导，将求导后的公 式代入( 2 - 7 ) 式( 热传导方程) 可以得到： 肛 堕t u