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汽车铝合金发动机缸体压力铸造过程数值模拟 摘要 压力铸造是一种生产效率高，产品质量高、精度高的金属成型铸造方法。 本文以铝合金发动机缸体为研究对象，利用数值模拟软件p r o c a s t ，模拟缸体 压铸充型及凝固过程，确定合理的压铸工艺方案，以达到提高缸体铸件质量， 减少模具试制时间，指导实际生产的目的。 发动机缸体壁厚不均匀，结构不对称，铸造难度较大。本文首先根据缸体 结构特征，设计了浇注系统和溢流系统；根据压铸工艺及技术参数选择了 儿1 11 0 g 卧式冷室压铸机；并设计了两种不同浇注位置的工艺方案。利用 p r o c a s t 中的虚拟模具技术对方案进行模拟，对比两种方案形成缩松缩孔及卷 气倾向，选择了内浇口在缸体底部，且以4 5 0 角切入的浇注位置。 然后，本文通过正交试验的方法研究了压射速度、浇注温度和模具预热温 度对铸件缩松缩孔缺陷的影响。研究表明：模具预热温度影响最大，压射速度 次之，浇注温度影响最小。压射速度为4 5 m s ，浇注温度为6 8 0 ，模具预热 温度为2 4 0 的压铸工艺，缸体的缩松缩孔倾向最小。另外，又比较了三种内 浇口面积为5 7 9 m m z ，6 0 0 m m 2 及6 2 1 m m 2 的工艺方案，分析得出内浇口面积为 6 2 l m m 2 的方案缺陷最少。 最后，本文设计了缸体压铸模具，提出了两种不同形式冷却水道方案，研 究了冷却水道对压铸模具热平衡及热应力的影响。研究表明：良好的冷却方式 可以做到将模具温度很好地控制在合理的范围内，且模具产生的热应力也可以 大大降低。 通过数值模拟方法，确定了合理的缸体压铸工艺：在缸体底面，以4 5 0 切 入的内浇口位置，压射速度为4 5 m s ，浇注温度为6 8 0 ，模具预热温度为2 4 0 ，内浇口面积为6 2 l m m 2 ，冷却方式为型芯处设置冷却水道的形式。这种压 铸工艺能减少缸体铸件裹气和缩松缩孔缺陷，延长模具的使用寿命。 关键词：发动机缸体；压力铸造；浇注位置；工艺参数；热平衡；热应力 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 sf o ra - a l l o y c y l i n d e rb l o c ko fa u t o m o b i l ee n g i n e a b s t r a c t d i ec a s t i n gi sam e t a lf o r m i n gm e t h o dw i t hh i g hp r o d u c t i o ne m c i e n c y ，h i g h p r o d u c t i o nq u a l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n i nt h i sp a p e r ，t h ea - a l l o ye n g i n ec y l i n d e r b l o c ki s r e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c t t h es o f t w a r ep r o c a s ti se m p l o y e dt o s i m u l a t et h e6 l l i n ga n ds o l i d i n c a t i o np r o c e s sf o rd i ec a s t i n g t h r o u g ht h es t u d yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tc a ng u i d et of i xam o r er e a s o n a b l ed i ec a s t i n gp r o c e s s ， i m p r o v et h ec a s t i n gq u a l i t ya n dr e d u c et h et i m eo fd e s i g nt h em o l d ，a n dt h e nc a n g u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n t h ec y l i n d e rb l o c ki sad i s s y n l m e t r i c a ls t r u c t u r ea n dd i f 他r e n th e i g h ta n d t h i c k n e s sd i ec a s t i n g i ti sv e r yd i m c u l tt op r o d u c t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h e s t r u c t u r eo fc y l i n d e rb l o c k ，t h eg a t i n gs y s t e ma n do v e r f l o ww e l la r ed e s i g n e d b a s e do nt h ep r o c e s so fd i e c a s t i n ga n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h ec o l d - c h a m b e rd i e c a s t i n gm a c h i n ej 11l 1o gi sc h o s e n t h e nt w od i f f e r e n tg a t i n gp o s i t i o np r o je c t sa r e d e s i g n e d t h ev i r t u a lm o l dt e c h n o l o g yo fp r o c a s ti se m p l o y e dt os i m u l a t et h e p r o c e s s t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h ef o r m i n g o fg a st r a p p i n ga n ds h r i n k a g e p o r o s i t yi nt h et w op r o j e c t s ，t h ep r o j e c tw h o s eg a t i n gp o s i t i o ni so nt h eb o t t o mo f c y l i n d e rb l o c ka n dw h o s ep o u r i n ga n g l ei s4 5d e g r e ei sc h o s e n b yu s eo fo r t h o g o n a lt e s td e s i g n ，h o wt h ei 1 1 je c t i o ns p e e d 、p o u r i n gt e m p e r a t u r e a n dm o l dt e n l p e r a t u r ee f f e c t st h ec a s t i n gs h r i n k a g ep o r o s i t yf o r m i n gi ss t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tm o l dt e m p e r a t u r ei st h em o s ts i g n i 行c a n ti n f l u e n c ef a c t o r ， i n je c t i o ns p e e dt a k e s t h es e c o n d p l a c e ， a n dp o u r i n gt e m p e r a t u r ei st h el e a s t s i g n i f l c a n t i n f l u e n c ef a c t or t h ep r o j e c tt h a ti n j e c t i o ns p e e d4 5 m s ，p o u r i n g t e m p e r a t u r e6 8 0 ，m o l d t e m p e r a t u r e2 4 0 i st h eb e s to n et h a tt h es h r i n k a g e p o r o s i t yi st h el e a s t t h e n ，t h r e ep r o j e c t s t h a tt h eg a t ed i m e n s i o ni s5 7 9 m m ， 6 0 0 m m 2 ，6 2lm m 2r e s p e c t i v e l ya r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o je c to fg a t ed i m e n s i o n6 21m m 2i st h eb e s to n et h a tc a s t i n gd e f e c ti st h el e a s t f i n a l l y ，t h ed i e - c a s t i n gm o l da n d t w od i f 诧r e n tc o o l i n gc h a n n e l sa r ed e s i g n e d t h eh e a tb a l a n c ea n dt h e r m a ls t r e s so ft h ed i e c a s t i n gm o l di ss t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a ta d o p t i n gag o o dc o o l i n gc h a n n e lp r o je c t ，t h em o l dt e m p e r a t u r ec a nb e c o n t r o l l e di nar e a s o n a b l er a n g ea n dt h et h e r m a ls t r e s so ft h em o l dc a nb er e d u c e d 鲈e a t l y b a s e do nt h e 矗u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y ，a na p p r o p r i a t ep r o c e s sp a r a m e t e rc a n b ef i x e d ：g a t i n gp o s i t i o ni so nt h eb o t t o mo fc y l i n d e rb l o c ka n dp o u r i n ga n g l ei s4 5 d e g r e e ，i n j e c t i o ns p e e d4 5 m s ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e6 8 0 ，m o l dt e m p e r a t u r e2 4 0 ，g a t ed i m e n s i o n6 2 1m m 2 ，t h ec o o l i n gc h a n n e lc r o s s i n gt h ec o r e t h i sp r o c e s s c a nr e d u c et h eg a st r a p p i n ga n ds h r i n k a g ep o r o s i t y ，a n dp r o l o n gt h em o l do p e r a t i n g l i f e k e y w o r d s ：c y l i n d e rb l o c k ，d i ec a s t i n g ，g a t i n gp o s i t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，h e a t b a l a n c e t h e r m a ls t r e s s 插图清单 图2 一l 弗洛梅尔金属流动理论1 0 图2 2 布兰特金属流动理论1 0 图2 3 巴顿金属流动理论1 1 图2 4 弗洛梅尔金属流动理论验证一1 6 图2 5 布兰特金属流动理论验证1 6 图2 6 巴顿金属流动理论验证1 7 图3 1 技术路线图1 8 图3 2 发动机缸体实体模型1 9 图3 3 缸体平面图2 0 图3 4 浇注系统尺寸2 4 图3 5 溢流槽尺寸2 5 图3 6 两种方案的浇注位置2 5 图3 7 速度场2 7 图3 8 方案a 裹气的预测2 7 图3 9 方案b 裹气的预测2 7 图3 1 0 方案a 的流场2 8 图3 1 l 方案b 的流场2 8 图3 12 凝固时间2 9 图3 1 3 温度场的比较2 9 图3 1 4 缩松缩孔的分布3 0 图4 1 缩松缩孔模拟结果3 2 图4 2 试验因数对试验结果影响趋势图3 5 图4 3 新方案模拟结果3 7 图4 4 方案a 和b 的缩松缩孔模拟结果3 7 图5 1 缸体压铸模具爆炸图4 1 图5 2 两种不同冷却水道的设计方案4 1 图5 3 温度循环曲线4 2 图5 4 方案a 模具温度分布4 3 图5 5 方案b 模具温度分布4 4 图5 6 动模x = 1 2 5 m m 剖切面上的温度场4 4 图5 7 方案a 模具热应力分布o 4 5 图5 8 方案b 模具热应力分布一4 5 图5 9 节点位置4 6 图5 1o 节点应力变化曲线4 6 表格清单 表2 1k f 双方程紊流模型中的常数值9 表3 1 冷室压铸推荐的增压比压参考值2 1 表3 3 儿1 1 1 0 g 卧式冷室压铸机技术参数2 1 表3 4 铝合金铸件内浇口厚度经验数据2 3 表3 5 压铸工艺参数2 6 表4 1 因数水平表3 1 表4 2 正交试验设计3 2 表4 3 割切面孔隙值统计结果3 4 表4 4 正交试验数据分析3 5 表4 5 三种方案模拟结果比较3 8 表5 1 压铸工艺参数4 1 表5 2 模具各部分所取节点的平衡温度4 2 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， 也不包含为获得金日巴王些太堂 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：静抓 签字日期：加f o 年驴月卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些盔堂有关保留、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。本人授权金自曼兰些态 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) 学位论文者签名：抡从 签字日期：p c 口年中月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： 苏多 签字日期：加f 口年中月f ，引j 电话： 邮编： 致谢 在此论文完成之际，回首两年半的时光，这其中有欢乐也有艰辛，有成功 也有失败。 我首先要衷心感谢我的导师苏勇教授。苏老师在繁忙的科研和工作中，花 费了大量时间和精力指导我的学习和研究。苏老师严谨的治学态度、开阔的思 维方式都给我留下了深刻的印象，永远是我学习的榜样。正是在苏老师的指引 下，我迈出了理论研究的第一步。苏老师反复向我们强调研究时要目标明确， 敢于创新，令我受益匪浅。 在课题研究过程中得到了陈翌庆教授的热情帮助和指导，他对科学研究方 法的掌握和思路的开阔让我敬佩不已。他的指导总是让我豁然开朗，让我受益 匪浅，在此向他表示特别的感谢! 感谢同实验室的梁国萍，周玉婷同学在论文写作以及在日常生活中给我的 帮助! 感谢师妹秦春段，师弟刘福东生活中的热情相助! 另外，还要感谢时建松同学，师兄王东岭和周建荣。和他们在学术上的讨 论给了我很大的启发，使我在课题研究中获益匪浅。还要感谢蒋志金、闵文锦、 蔡礼平、吴站立、李琦、王知等同学在学习和生活上给我的帮助，尤其是在我 最困难的时期，关心我、照顾我，帮助我度过难关，衷心地感谢他们。 感谢我的父母和哥哥! 感谢他们的养育之恩! 正是他们无私的关心和鼓励 让我完成学业，激励我在学习和生活中不断取得进步。 最后，衷心感谢对本文进行审阅并提出指正意见的所有专家学者。 作者：孙林 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 随着现代汽车工业的高速发展，减轻车重，提高材料的再利用，绿色制造 是汽车材料的发展重点。近年来，汽车轻量化对于汽车技术的发展起到了重要 作用。其显著效果有：节能效果明显，降低排放、减少环境污染，提高车身零 件的结构钢性和行驶性能、延长使用寿命。铝合金材料基于其优良的特性，密 度小、强度、刚度、抗疲劳性能等材料综合性能好，已大量应用在汽车轻量化 制造技术中。铝合金材料在汽车上的应用主要有车身板件、车身框架、轮毂、 发动机等。一般情况下，发动机约占整车重的1 8 ，发动机气缸体占整个发动 机重量的2 5 左右，应用铸铝气缸体的汽车公司越来越多。 1 1铝合金发动机缸体国内外发展状况 1 i 1现代汽车发动机缸体的制造技术l 】j 扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势，目前几乎全部轿车缸盖已 采用高强度铝合金生产，预计有更多的缸体也将采用铝合金生产。世界若干主 要的轿车制造厂各自所采用铸造技术，如压力铸造、中压铸造、低压铸造、金 属型铸造、c o r w o r t h 法、精确砂型铸造、实型铸造和湿型铸造，生产轿车用的 铝合金缸体和缸盖。 压力铸造的优点是能生产尺寸精度高、表面光洁度好、壁薄的铸件，德国 d a i m l e r c h r y s l e r 公司、法国r e n a u l t 公司等采用压力铸造生产铝缸体；日本h o n d a 本田汽车公司及t o u k e i 公司分别研究新压铸法及中压压铸法用于生产铝缸体； 美国福特公司用低压压铸法生产铝缸盖，日本t o y o t a 丰田公司采用类似于低压 铸造的真空吸铸法生产铝缸体；德国d a i m l e 卜c h r y s l e r 公司有2 台直径分别为1 2 m 及1 3m 的1 2 工位转盘金型机，运用金属型铸造生产铝缸盖：c o s w o r t h 法最初 是用于一级方程式赛车发动机缸体、缸盖及航空铸件的小批量生产，8 0 年代中 期美国f o r d 汽车公司从英国引进这一技术，对其加以改造，使之适用于大批量 生产；在2 0 0 1 年g m 公司萨金诺铸造厂( s m c o ) 用实型铸造法生产了2 8 8 0 0 0 件 铝缸体和2 8 8 0 0 0 件铝缸盖；丹麦d i s a 公司一直致力于开发利用湿型铸造法生产 铝缸体。 由于铝合金浇注温度低( 7 0 0 上下) ，其铸件工艺是多样化的。对于一个 轿车制造厂来讲，选择适宜的铸造工艺是极为重要的。为此，必须对各种铸造 工艺产品品质的综合影响进行深入的研究和分析，才有可能做出正确的选择。 1 1 2国外发展状况 气缸体是发动机里最重的零件，采用轻质的材料可以大幅度减轻发动机的 重量。压铸铝是首选的新型机体材料，如奔驰公司开发的微型轿车用o m 6 6 0 共 轨直喷柴油机( 排量0 7 9 9 l ) ，采用a 1 s i c u 系列的g d a l s i 9 c u 3 压铸铝；日本 “丰田 开发的s u v 车用a z 系列汽油机( 排量2 o l 和2 4 l ) 的机体也是用压铸 铝制造的。g d a l s i 9 c u 3 压铸铝的密度为2 7 5 9 c m 3 ，仅为铸铁的3 0 左右，可 见减重的幅度较大【引。美国福特汽车的2 0 0 1 e x p e d i t i o n s u v 汽车的v - 8 发动机缸 体是用铝合金压铸的，并宣称，新设计的e x p l o r e r s 及m e r c u r ym o u n t a i n e e r s 汽车 的发动机缸体也全部改为铭合金的【3 】。来自美国汽车界的研究表明，高硅铝合 金比含铜的过共晶铝合金更有竞争力。因为高硅铝合金材料具有疲劳强度高、 耐磨性好、抗缸孔变形能力强、重量轻和导热性好等优点，制造方面具有制造 成本低、铸件质量更好及机加工性能和刀具寿命高等优点【2 j 。 近年来，在日本还出现了全铝发动机，与铸铁缸体相比，铝合金缸体可减 重2 0 3 0 千克。1 9 9 5 年，宝马4 阀6 缸奥托发动机( 2 l 、2 5 l 、2 8 l ) 也采用了 铝缸体，较铸铁缸体轻3 l 千克”j 。日本某汽车厂的2 0 l 级汽车，每台发动机用 铝量约2 6 公斤( 发动机铝材率约1 7 ) ，气缸体铝材化后，铝的使用量增加0 8 倍，可减轻发动机重量2 0 左右【5 j 。2 0 0 3 年，韩国现代、美国戴勒姆克莱斯勒、 日本三菱三大汽车公司联手组建世界级发动机联盟，以现代汽车发动机为基础， 该项目以排量为1 8 、2 o 、2 4 升的4 缸汽油发动机为主，开发和批量生产低油耗、 高动力、高尖端的新型铝发动机【6 】。美国g m 公司采用全铝缸套，法国车的铝气 缸盖已达1 0 0 ，铝气缸体己达4 5 ，美国福特公司n g t 货车发动机气缸盖、z e t a 4 缸机、m o d u l a r v 6 v 8 机、克莱斯勒公司新v 6 发动机缸体和缸盖都使用铝合金材 料。克莱斯勒公司j e e p ( 吉普) 5 缸机、3 8 l v 6 和道奇货车发动机改用铝合金缸盖。 日本的日产汽车公司( n i s s a n ) 在m a x i m a ( 麦克西马) 车上使用了新型的v q 系列 v 6 发动机，其特点是在制造这种发动机的铸铝缸体时，使用了高压模式工艺 ( h p d c ) 。这种工艺可改善浇注、增加强度，尤其适于薄壁气缸，该缸体比原 来的缸体轻5 0 以上【7j 。可见，扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势。 1 1 3 国内发展现状 广州东风本田发动机有限公司率先引进技术生产大批压铸轿车铝合金缸 体。随后，重庆长安汽车集团、长安铃木汽车公司、哈尔滨东安汽车动力公司 等均于2 0 0 2 年先后引进全自动生产线，压铸汽车发动机铝合金缸体【8 】。东风日 产发动机分公司铝压铸车间采用2 5 0 0 t 压铸机生产铝气缸体，并实现了国产化 【9 1 。中国汽车自主品牌主力军奇瑞汽车股份有限公司与著名的奥地利a v l 公司 合作，开发了三个系列1 8 款汽车发动机，这些发动机的缸体、缸盖等发动机关 键零部件均采用铝合金材料，其中先行者2 0 l n a m p i 欧l v 发动机现已进入批量 生产状态。2 0 0 6 年末，名爵动力n v 62 5 升全铝合金发动机在南京浦口生产基地 下线。经过南汽名爵( m g ) 、英国l o t u s 和原m g 罗孚几十名中外发动机专家长 达一年的研发，n v 62 5 升发动机性能和可靠性全面超越原有标准。它采用全铝 2 结构，重量仅为1 5 4 k g ，带来更佳的燃油经济性【1 0 1 。 由于我国的铸造技术比国外相对落后，在铝合金发动机铸造技术上还不是 很成熟，大部分还是向国外引进生产线。汽车产业的发展离不开铸造技术的进 步，我国应该努力改善现有的铸造设备，努力发展铸造技术，争取摆脱发动机 铸造依赖他人的状况。 1 2压力铸造技术的国内外发展现状 压铸技术的出现至今已有近2 0 0 年历史，l9 世纪初期，压铸技术就开始出 现在国外，随着科学技术的不断发展和工业生产的需求刺激，压铸设备和压铸 技术开始飞速发展。1 9 0 4 年，h h f r a n k l i n 公司利用压铸技术生产了汽车连杆 轴承：1 9 0 5 年，h h d o e h l e r 公司发明了可以压铸铅、锌、锡合金的压铸机； 2 0 世纪2 0 年代，k i p p 公司发明了热室压铸机，c r o e h r i 发明了冷室压铸机， 是压铸技术的重大改进。在发展传统压铸工艺的基础上，开始出现了不少新型 的压铸工艺方法。1 9 5 8 年，美国出现了真空压铸技术，这种工艺方法成功改善 了压铸件内部质量，大大降低了铸件的缩孔缩松和气孔缺陷j 。1 9 6 6 年，g e n e r a l m o t o r 公司提出精、速、密压铸法，这种压铸工艺采用双冲头压铸方法，相比 传统压铸工艺，铸件质量进一步提高。1 9 6 9 年，美国还出现一种充氧压铸工艺， 是利用氧气和铝液发生反应生成氧化铝小颗粒，从而减小了铸件内部的气孔。 另外，半固态压铸技术成了近年来成了研究的热门，压铸计算机模拟技术也是 压铸技术的一个飞跃。同时，压铸材料也在不断发展，压铸技术现已经可以适 用于铝合金、镁合金、铜合金和锡合金等各类合金，应用范围在不断扩大。 相比国外的发展，国内的压铸技术起步较晚。从19 4 0 年，在国内压铸技术 才开始出现，1 9 5 0 之后，国内开始将压铸技术投入工业生产。近年来，随着汽 车工业的迅速发展，以及汽车轻量化理念的提出，铝合金和镁合金零件在汽车 制造上被广泛采用，为压铸铝、镁合金的压铸市场提供了广阔的空间【1 引。据报 道，从1 9 9 8 年到2 0 0 1 年，国内压铸件产量增长率达1o l3 3 i l 引。值得一提 的是，我国的压铸模具设计水平、压铸设备的制造能力以及生产的管理方法与 世界先进水平尚有很大距离，我国必须加快压铸技术及压铸设备的研发，尽快 赶上世界先进水平。 1 3数值模拟技术应用的国内外发展状况 不断扩大计算机在铸造技术中的应用领域是铸造工业的发展方向之一，它 对于改进优化工艺、提高产品质量、降低废品率和生产成本等许多方面都有着 重要的作用。据美国铸造联合会1 9 9 6 年的一项调查报告显示，采用计算机模拟 技术可以缩短产品试制周期4 0 ，降低生产成本3 0 及提高材料利用率2 5 【1 4 ，1 5 】，效益十分显著。 1 3 1铸造模拟的主要内容 现代铸造过程模拟研究主要集中在以下4 个方面。充型凝固模拟。其发 展趋势是辅助设计浇注系统。目前，充型模拟研究在理论上正趋向成熟，主要 工作是考虑模拟计算的准确性和实用性【1 6 】。缩孔缩松预测。这方面钢铸件的 研究已较为成熟。凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进 行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力模拟的核心，也是整个铸造过程 模拟的难点，主要借助有限元分析技术。国内外不少数值模拟软件已经具有应 力分析的功能。凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程， 比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出 现，已成为材料科学的研究热点之一。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随 机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等l s j 。 1 3 2铸造模拟软件的开发与应用 随着科技的发展和生产的需要，已经开发出了许多类型铸造模拟软件，其 功能与适用范围各有不同。常用的国外软件有芬兰的c a s t c a e 4 o ，美国的 f l o w 3 d 、p r o c a s t ，瑞典的n o v a f l o w & s o l i d 和德国的m a g m a s o f t 等。其主 要可以应用在砂型铸造、壳型铸造、熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、消失 模铸造、连续铸造、离心铸造等。在这方面国内起步较晚，但进展迅速，已开 发的商品化软件主要有清华的f t - s t a r ，华中科技大学的华铸c a e ，中国科学院 金属研究所的i m r 3 d 等，其部分功能已与国外软件相当。 目前，越来越多的铸造企业认识到c a e 技术对于缩短新产品开发周期、减 少试制成本、降低废品率具有十分重要的价值。美国所有的汽车生产厂家及约 3 0 的铸造企业都在使用凝固模拟软件，美国铸造厂家生产的一半以上的铸件 采用凝固模拟程序。日本的东北大学和大阪大学在这方面的研究具有世界先进 水平，但日本铸造企业在软件的使用上落后于美国，日本全国1 5 0 0 家铸造企业 中，只有1 5 0 家应用凝固模拟软件优化铸件浇注系统【1 7 】。国内有1 0 0 多家铸造 企业采用了上述c a e 系统，如鞍山钢铁公司、东风汽车公司、无锡柴油机厂、 航天第三研究院、洛阳矿山机器厂等，都取得了较好的使用效果。另外也有十 多家企业，包括第一汽车制造厂、四方机车车辆厂等引进了国外的铸造c a e 软件【l 引。 1 3 3压铸成型数值模拟发展状况及存在的问题 世界各国越来越重视对铝合金材料成形技术特别是压铸技术的研究开发和 推广应用。近年来，众多国外学者在压铸数值模拟方面做了深入的研究【1 9 啦】。 p f a s a dk 。d vy a r l a g a d d a 【2 3 1 基于压铸充型控制方程分析物理模型，广泛采集数 据建立神经网络系统，研究结果表明该系统大大简化了工艺参数的选择，优化 4 了工艺设计。i r o s i n d a l e 【2 4 j 等人运用边界单元法对浇注系统和模具进行瞬时热 分析，采用有限元法分析压铸型腔和浇注系统中金属液的相变问题，在改善铸 件凝固方式和热分析研究中，提出在经验模具的基础上重新设计，数值模拟预 测结果表明这一重新设计对铸件凝固方式和浇注系统的优化产生了有利影响。 p a u lc l e a r y l 2 5 j 介绍了光滑粒子水动力学( s p h ) 模拟方法的优点，对压铸进行三 维数值模拟，使压铸过程可视化，同时将s p h 与m a g m a 软件分析模拟压铸 过程的结果进行对比分析，得出s p h 在处理成型过程中自由表面等细节问题上 更胜一筹的结论。r o g e re k h a y a t l 2 6 j 采用边界单元法处理自由表面问题，在模 拟计算的每一个时间步，采用边界单元离散和显式算法解决问题，最后得到矩 形和柱状型腔的数值模拟结果，验证了理论分析。 目前，国内有关低压铸造( 铸造压力为o 0 3 m p a ) c a e 技术的研究越来越 多，关于金属型压力铸造的却非常少【2 7 2 9 1 。发动机缸体是大型复杂件，很多企 业采用压铸成形。缩孔和疏松是缸体铸件的主要缺陷之一，也是导致压铸件报 废的主要因素，产生的原因是液态收缩大于固态收缩【3 0 1 。此外，因金属液在高 速、高压下迅速充型和凝固，极易产生气孔、夹杂、冷隔、流痕等铸造缺陷【3 。 因此需要研究铸造缺陷形成机理，预测其缩孔缩松以及气孔的形成，以便通过 改进压铸件、压铸模的设计，优化压铸工艺来避免缺陷的产生。本文旨在通过 对发动机缸体压铸过程的模拟研究，一方面为实际生产提出理论上的指导，另 一方面可以通过实际对比找出数值模拟的偏差，对压铸数值模拟技术的发展也 有一定的指导作用，具有很好的研究意义。 1 4 课题的来源及目的 本课题是奇瑞汽车铸造材料与工艺研究所与合肥工业大学材料学院合作切 入点讨论内容之一。目的是在发动机缸体生产之前，通过数值模拟的手段对压 铸过程进行仿真，借鉴c a e 分析结果对实际的压铸模具设计和工艺参数作出理 论上的指导：可达到缩短模具试制周期，减少生产成本，提高生产效益的目的。 1 5 课题的主要工作内容及关键问题 论文的主要内容包括： ( 1 ) 根据缸体的结构特征，设计压铸模具、浇注系统、排溢系统及冷却系 统并正确建模； ( 2 ) 掌握有限元数值模拟方法及确定数值模拟边界条件参数，正确对缸体 压铸过程进行仿真； ( 3 ) 根据数值模拟结果及正交试验分析结果，找出缸体缺陷形成原因，确 定合理的压铸工艺参数及模具设计形式。 第二章压铸数值模拟技术的理论基础 2 1充型过程数值模拟的理论基础 充型过程数值模拟是铸造领域的前沿技术，国内外很多研究人员进行了相 当深入的研究，探索了多种用于铸造充型过程流场模拟的数值方法。充型过程 数值模拟涵盖了很多科学领域，包括流体力学、传热学、计算机图形学、偏微 分方程的数学理论和铸造工艺理论等。 2 1 1 充型过程数值模拟的方法【3 2 - 3 4 j 充型过程数值模拟的基本内容是用有限差分或有限元等数值方法求解质量 守恒方程( 连续性方程) 和动量守恒方程，以得出流体运动规律。其中对自由 表面问题的处理是难点之一。通过研究人员的探索，目前的数值模拟方法主要 有：s i m p l e 方法、m a c 及s m a c 方法、f a n 方法、s o l a m a c 方法、f i n i t e v 0 1 u m e 方法和s o l a v o f 方法。其中，s o l a v o f 方法已经被广泛采用【姐刁4 。 2 1 2s o l a v o f 数学模型 s o l a v o f 方法是美国l o sa l a m o s 科学实验室发展起来的，s o l a 即解 法( s o l u t i o na l g o r i t h m ) 的简称，v o f 即体积函数( v o l u m eo f f l u i d ) 的缩写， 该方法是用体积函数代替标示粒子来确定自由表面的位置。最初s o l a v o f 方 法是用来求解二维的具有自由边界的非定常流问题，目前已广泛应用与三维问 题的求解。在铸件充型数值模拟中，将液体金属看作不可压缩流体，其流动过 程服从质量守恒和动量守恒，其数学模型就是连续性方程和n s 方程。 ( 1 ) 连续性方程 ( 2 )n s 方程 d ：丝+ 塑+ 塑 苏 勿 钯 ( 2 1 ) p f 罢+ “罢+ v 罢+ w 罢1 ：一罢+ 昭，+ 胛z 甜 ( 2 - 2 ) p i + “+ 1 ，+ w i = 一+ 口2 ，+ “v 。甜 l z z ， 【西 苏 匆龙j苏一。 p f 安+ 甜亲+ v 宝：；+ w 妻1 ：一罢+ 昭y + 胛z v ( 2 3 ) p i + 甜+ v + w l = 一+ 口2 。+ “v v l z jj l 西 苏 匆瑟j勿一y p f 譬+ “罢+ v 娑+ w 娑1 ：一芒+ 昭：+ 胛：w ( 2 - 4 ) p l + “+ v + w l = 一+ 口2 + v w l z 一4j i & 叙 勿瑟j瑟2 。 式中，d 为散度；u ，v ，w 为速度矢量在坐标系中x ，y ，z 方向上的分量； p 为单位密度的压力，即压力密度；为运动粘度；g 为重力加速度；v 2 为拉 普拉斯算子；p 为金属流体密度。 ( 3 ) 能量方程 肛塑+ 鲜“塑+ 掣塑+ 删望：旦f ，七塑、+ 旦f 七塑1 + 旦心塑 + s ( 2 5 ) 肛百+ 肛“瓦+ 万+ 删i 2 否i 七瓦j + 万l 七万j + 瓦l 七i j “旺。5 式( 2 5 ) 中等号左边的第2 ，3 ，4 项即为流体流动所引起的温度变化，该 式表明此时的导热过程由两部分组成，除了流体的导热能力外，还依靠它的宏 观位移来传递热量。 采用体积函数法跟踪自由表面移动时，还需要求解体积函数方程： 笪+ 材望+ ，望+ w 望：o 8 l瓠 匆 娩 ( 2 6 ) 实际上连续性方程、n s 方程、体积函数方程和能量方程可以用以下的通用微 分方程来描述： o 。 昙伊) + 西v g 伽矽) = 访v ( i 飞阳d 缈) + s ( 2 7 ) 研 式( 2 7 ) 中，9 是因变量，r 扩散系数，s 是源项。对于特定意义的缈，对应有 特定的量f 和s 。式( 2 7 ) 中四项分别为不稳定项、对流项、扩散项和源项。 因变量可以表示各种不同的物理量，如速度分量、温度等。 要求解上述方程，首先要进行离散处理，离散处理后采用s o l a 方法求解 压力场和速度场，用v o f 方法进行表面处理。 2 1 3连续性方程和n s 方程的离散 连续性方程和n s 方程的离散方法有多种，如中心差分格式、上风格式、 指数格式、指数格式和乘方格式等。常采用的交错网格来离散整个计算域。这 种离散方法主要是在单元中心布置压力、温度等变量，速度变量则放在单元界 面上。它的优点点是精度高，而且容易做到通量守恒，在型壁上不需要考虑压 力边界条件，且可避免压力的空间分裂现象。 用s o l a 方程求解压力场和速度场的迭代步骤： 由n s 方程式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 显示差分格式，以初始条件或前 一个时刻的值为基础，试算出新时刻的速度场估计值； 为了满足连续性方程( 2 1 ) ，压力必须迭代修正，由此引起的速度改变 加到第步所计算的速度场上。反复迭代直到满足精度要求为止。 7 2 1 4自由表面的处理 为了跟踪自由表面，得出自由表面的位置，运用v o f 发处理自由表面。 v o f 法需要求解体积函数方程，在求解之后根据求解的结果可以得到金属液充 填型腔的形态，也就确定出新的速度场和压力场的求解域。 由式( 2 1 ) 和方程式( 2 6 ) 可得到下式： 笪+ 盟+ 型+ 型：o( 2 8 ) 8 t融 匆8 z 当上式在每个计算网格单元内积分时，每个单元f 值的改变便转化为穿过 单元界面的f 值流量，但在计算时一定要遵守自由边界的定义。为此，在 s o l a v o f 方法中采用了“施主一受主( d o n o 卜a c c e p t o r ) 的处理方法。通过 这种方法确定了各个单元的液体流量之后，也就确定了自由表面的移动情况。 s o l a v o f 最初是基于二维设计的，对于三维情况下的自由表面的形状和 位置就很难确定。就不能进行对流量的计算和施加边界条件，就跟谈不上对流 场进行计算了。因此，必须采用一种三维表面的处理方法。对于三维自由表面， 是用一个通过单元的平面来近似表示，先确定自由表面法线方向，然后由网格 中的f 值确定自由表面位置。 2 1 5紊流模型的数值模拟【3 5 - 3 6 】 实际工程中，流动大都是紊流流动，尤其是低压铸造，在整个铸造充型过 程中，金属液的流动绝大多数是紊流。确切的说，压铸是带有自由表面的常物 性粘性不可压缩牛顿流体的非稳态流动，流动体前沿是不连续的甚至有喷射雾 化现象。 在铸件充型模拟过程中，紊流模型的模拟必须考虑以下因素 ( 1 )充型过程中的紊流是尚未充分发展的紊流； ( 2 ) 在近型壁处对紊流模型应做必要的处理； ( 3 )紊流模型不应给计算带来太多的负担，模型的准确性与计算量应相 互协调。 目前，对压铸充型过程的模拟已经建立了很多种紊流模型，有零方程模型、 单方程模型、双方程模型。其中，k 一占双方程模型被广泛应用与铸造充型过程 的数值模拟，结果证明此模型比层流假设更能反映实际情况。紊流动能k 和紊 流动能消耗率占由下面的方程来确定： k 方程 昙江) + 毒b 2 考+ 箦 筹j + 仇一胪 q 丐， 8 占方程 鲁( 矽) + 考b 一= 毒睁+ 等) 考 + 素。胪) 其中 仇硝考( 考+ 等 仇2 “i l + i 二l 戗：l 积i僦j 由k 和占的值可以确定m l l t = cu 斟| s k 一占双方程紊流模型中常数的取值目前已趋于一致，见下表： 表2 1k 占双方程紊流模型中的常数值 1 a b l e2 1c o n s t a n t so ft u r b u l e n c ek - 占d o u b l ee q u a t