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烘干器上壳压铸成型关键技术的研究 摘要 压铸成型是材料加工中一种高效率、少无切削的金属成型铸造方法，其工 艺设计的合理性直接影响压铸件的成型质量和生产率。本文以烘干器上壳为研 究对象，开展对薄壁深腔、结构不对称、壁厚均匀不一的铝合金铸件压铸成型 工艺与成型过程的数值模拟的研究，找出关键问蹶，提高烘干器上壳压铸成型 工艺设计水平和成型质量，减少设计试制时间与成本，指导实际生产。 本文首先对压铸件的浇注系统、溢流系统等进行经验设计，并运用p q 2 图 优化几何尺寸，提高压铸系统的匹配。然后，利用有限元铸造过程分析软件 p r o c a s t 对压铸充型凝固过程进行数值模拟，深入分析各个工艺参数对压铸件成 型质量的影响，找出压铸过程中可能出现的浇不足、缩松缩孔等成型缺陷问题 的原因所在，并结合正交设计优化工艺参数，提出改进方案，最终得到设计合 理、缺陷较少、成型质量较高的工艺。 最后，通过物理实验验证了新工艺方案。实验结果与数值模拟分析结果基 本吻合，压铸件成型完整，轮廓清晰、缩松缩孔等缺陷高危区域较小，基本符 合质量要求。 关键词t 压铸；数值模拟；温度场：充型过程；凝固过程；缩孔缩松 s t u d yo fk e yt e c h n o l o g yi nd i ec a s t i n gp r o c e s s i n go f d r y i n ga p p a r a t u s s h e l l a b s t r a c t d i ec a s t i n gi so n eo f t h ei m p o r t a n t f o u n d r ym e t h o d si nm a t e r i a l sp r o c e s se n g i n e e r i n g i t i se f f i c i e n t t e c h n o l o g i c a ld e s i g no fd i ec a s t i n gd e t e r m i n e sd i r e c t l yt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s a n dt h ep r o d u c t i v i t y i nt h i sp a p e r , t h ed r y i n ga p p a r a t u ss h e l li sr e g a r d e da st h er e s e a r c h o b j e c t - w h i c hi sat h i n , d i s s y m m c t r i c a ls r u c t u r ea n dd i f f e r e n th e i g h ta n dt h i c k n e s sd i e c a s t i n g t h es t u d yi sd i s t r i b u t e di n t oi t se x t r u s i o np r o c e s sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f r o m t h i ss t u d y , d e s i g n i n gl e v e lo fi t sp r o c e s sa n df o r m i n gq u a l i t ya r ed e v e l o p e d , a n dd e s i g n i n g c o s ti sr e d u c e d s t u d yc a ng u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , g a t i n gs y s t e ma n do v e r f l o ww e l la f er l r s t l yd e s i g n e d , a n dt h e ya r e o p t i m i z e db y 吲m a p so p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v et h es y s t e mm a t c ho fw h o l ed i e c a s t i n g 1 1 1 ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i 0 1 1s o f t w a r ep r o c a s ti su s e dt os i m u l a t et h ed i ec a s t i n g p r o c e s so fd r y i n ga p p a r a t u ss h e l l b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c e so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e rt of o r m i n gq u a l i t yh a v eb e e na n a l y z e d , a n dt h er e a s o n so ff o r m i n g d e f e c t ss u c ha sm i s m n n i n g ，s h r i n k a g ea n dp o r o s i t ya r ef o u n d b yu s eo f o r t h o g o n a ld e s i g n ， p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d , a n dt b eb e t t e rp r o c e s s i n gp r o 掣a m m ew h i c hm a k e s t h ef o r m i n gq u a l i t yo f d i ec a s t i n gh i g b e ri sg o t f i n a l l y , t h en e wp r o c e s s i n gp r o g r a m m ei sc e r t i f i e db yp h y s i c a lt e s t t h et e s tr e s u l ti sa s s a m ea s t h es i m u l a t i o nr e s u l t i nt h en e wd i ec a s t i n gp r o c e s s ，m o l d f i l l i n go fd r y i n g a p p a r a t u ss h e l li sb e t t e r i t sc o n f i g u r a t i o ni sc l e a r t h ea r e ao fs h r i n k a g ea n dp o r o s i t yi s o b v i o u s l yd e c r e a s e d t h ew h o l ef o r m i n gq u a l i t yo ft h i sd i ec a s t i n gi ss a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：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 ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，m o l df i l l i n g s o l i d i f i c a t i o n ， s h r i n k a g ea n dp o r o s i t y 插图清单 l 一1 压铸压射过程参数变化关系2 1 2 烘干器上壳实体造型6 2 一l 喷射填充8 2 2 全壁厚填充9 2 3 三阶段充填9 2 4 气动阀上盖三维模型1 4 2 5 气动阀上盖压铸充型过程l5 3 - 1 铸件凝固过程2 0 3 2 铸件缺陷预测2 l 4 1 烘干器上壳三维立体图2 2 4 2 烘于器上壳平面设计图2 3 4 3 喇叭形扇形横浇道结构2 6 4 4p q 2 图样本示例2 7 4 5p q 2 图优化浇注系统设计2 8 4 6 两种溢流槽设置方案2 8 4 7 两种方案铸件网格模型2 9 4 8 两种方案充型过程对比3 0 4 。9 方案i 和方案预测缺陷比较3 l 4 - 1 0 金属液流动前沿33 4 1 1 温度场分布3 3 4 1 2 凝固分数图3 4 4 13 凝固时间分布图3 4 4 1 4 缺陷显示3 4 5 1 试验因素对质量指标影响的趋势图3 6 5 2 两种方案充型对比3 8 5 3 两种方案凝固对比3 8 5 - 4 新方案温度场分布3 9 5 - 5 方案3 温度场分布3 9 5 6 新方案与方案3 固相分数对比4 0 5 - 7 新方案凝固时间分布4 1 5 8 方案3 凝固时间分布4 l 5 9 新方案铸件缺陷预测4 2 5 1 0 方案3 铸件缺陷预测4 2 5 1 l 新方案溢流槽处缺陷预测4 2图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 5 - 1 2 方案3 溢流槽处缺陷预测4 2 5 一i3 四节点位置显示4 3 5 - 1 4 各节点温度随时间变化图4 3 5 - 1 5 各节点压力随时间变化图4 3 5 - 1 6 各节点速度随时间变化图4 4 5 一1 7 气体余量显示4 4 6 一l 压铸铝合金棒料4 5 6 2 烘干器上壳压铸模具4 5 6 3 推杆顶出铸件4 6 6 4 铸件在顶出时断裂缺损4 6 6 - 5 合格铸件烘干器上壳4 7 图图图图图图图图图图图 表2 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表格清单 k - f 双方程紊流模型中的常数值13 不同压铸合金压铸模浇注系统的流量系数2 7 铝合金压铸件常用的压射比压推荐值3 1 铝合金压铸件常用的充填速度3 l 铝合金压铸件常用的浇注温度3 2 正交试验表3 6 方差分析表3 7 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b 王些盍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 靴做储稗。枷一：御年洲弘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆至些太堂有关保留、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。本人授权金起王些太 茎一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) 学位敝者繇靠 叙导师签名 签字日期：1 司年争月f 3 日 签字日期：汐 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的导师刘全坤教授的悉心指导和热情鼓励下完成的，导师渊博 的知识、严谨认真的治学态度、求实的工作作风和非凡的敬业精神，深深的教 育和鞭策着我，是我以后工作和学习的榜样。在三年的研究生学习生活和撰写 学位论文过程中，无论从课程学习、论文选题，还是收集资料、论文成稿，都 倾注了刘老师的心血；生活中，刘老师更是给予了无微不至的关心与帮助。在 此论文完稿之时，谨对导师的辛勤培养与关怀致以最崇高的敬意和最衷心的感 谢! 特别感谢在论文选题、课题研究和评阅中给予我帮助的薛克敏教授、李萍 教授、陈文琳副教授、陈忠家副教授等，感谢材料学院所有关心我的各位老师! 真诚感谢合肥花园有色金属压铸有限公司，在论文研习的整个阶段都得到 了合肥花园有色金属压铸有限公司的技术支持和大力帮助。论文能够完成，是 和他们的无私帮助分不开的。 胡成亮、胡龙飞、王成勇、程伟、邓陶勇、金洁、王世东、李伟、王清瑞、 祝慧、汪泽波、郑超、舒洁、肖福成等同学在学习期间给予了我莫大的帮助， 尤其是师兄胡成亮，在课题研究阶段给了我很大的知识支持和理论指导，在此 一并表示最衷心的感谢! 深深感谢我的父母家人，我所取得的每一个成绩无不凝聚着他们的心血和 汗水l 衷心感谢关心我的所有朋友l 作者：来亚敏 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成型 精密铸造方法。本章简要介绍压铸基本概念、国内外发展概况以及本课题的 来源、目的意义、主要研究内容和关键问题。 1 1 压铸成型的一般概念 压铸是压力铸造的简称，其实质是在高压作用下，通过压射冲头的运动， 使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模型腔，并在高压下使铸件成型和 凝固，高压、高速是压铸成型的两大特点。与其他铸造方法相比，压铸既有优 点也有缺点1 2 1 ： 优点： ( 1 ) 压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低，尺寸精度可达i t l l i t l 3 级， 有时可达i t 9 级。表面粗糙度达r a o 8 3 2 m ，有时达r a o 4 m ，产品互换 性好。 ( 2 ) 材料利用率高，其材料利用率约为6 0 8 0 ，毛坯利用率达9 0 。 ( 3 ) 可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。 ( 4 ) 在压铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件，以节省贵重材料和加工工 时，这样既满足了使用要求，扩大产品用途，又减少了装配工作量，使制造工 艺简单。 ( 5 ) 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。 ( 6 ) 生产率极高，因为压铸生产易实现机械化和自动化操作，生产周期短， 效率高，可适合大批量生产。一般冷室压铸机平均每班可压铸6 0 07 0 0 次；小 型热室压铸平均每班可压铸3 0 0 0 7 0 0 0 次。压铸模具寿命长，一副压铸模压铸 铝合金寿命可达几十万次，甚至上百万次。 缺点： ( 1 ) 压铸件常有气孔及氧化物存在，从而降低了压铸件质量。 ( 2 ) 不适合小批量生产。 ( 3 ) 压铸件尺寸受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制而不能压铸大型压铸 件。 ( 4 ) 压铸合金种类受到限制，由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点 合金压铸模寿命较低，难以用于实际生产。目前，用来压铸的合金主要是锌合 金、铜合金、铝合金及镁合金。 液体金属在压室与压铸模中的运动基本可分解为以下几个阶段【3 i ： ( 1 ) 准备阶段熔融的金属液注入压铸机压室内，准备压射。此时，压射 冲头的位移量s o = o ，压射速度v o = o ，压射压力p o = 0 ，如图1 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 慢速封口阶段压射冲头以低速v 1 移动距离s l ，并封住浇口，熔融的 金属液受到推动，以较慢的速度向前堆集，此时p l 仅用于克服压室与液压缸对 运动活塞的摩擦阻力，如图i - 1 ( b ) 所示。这个阶段冲头速度较低是为了在推动 过程中使金属液保持液面稳定，防止液面飞溅，减少气体卷入金属液的概率。 协 哪 c 曲 僻 嗍褂 俩 i 。) 图l - i 压铸压射过程参数变化关系 s 冲头位移；v 冲头移动速度；p 压射压力：t - 埘间 ( 3 ) 堆聚阶段压射冲头以略高于v i 的速度v 2 向前移动，相应的压力增加 到p 2 。本阶段，液体金属将完全充满压室至浇道处的空间。由于内浇道截面积 小阻力大，所以金属液在压室、横浇道、内浇口前沿堆聚，见图1 1 ( c ) 。 ( 4 ) 填充阶段压射冲头以最大速度v 3 向前移动，在p 3 的作用下，金属液 以高速瞬间填充模具型腔。在充满时，冲头移动距离为s 3 ，如图1 1 ( d ) 所示。 ( 5 ) 增压持压阶段金属液虽已充满型腔，但还存在疏散不实的组织状态。 在冷却过程中，由于体积收缩就会在某些局部区域形成缩松、缩孔、缺料等铸 造缺陷。为了提高压铸件的力学性能，获得密实的组织结构，在型腔充满之后， 再增大压力p 4 ，并在增压机构的作用下，由p 4 增加到p 5 ，p 5 就是压射过程的最 终压力。增压持压过程是个补缩过程，补充因冷却出现的空间。在一定的持压 时间内，金属液在最终压力下，边补缩边凝固，把可能产生的压铸缺陷降到最 低程度，得到组织致密的压铸件。在这个过程中，压射冲头的位移s 。的实际距 离很小，如图1 1 ( e ) 所示。 2 1 2 压铸成型技术的国内外发展现状 压铸作为一种先进的精密零件成型技术，在全球制造业，尤其是在规模化 产业中获得了广泛应用和迅速发展【4 】。 在国外，压力铸造发展较早，一般认为最早的压铸技术出现在1 9 世纪初期， 之后随着工业生产和科学技术的不断发展，压铸技术和压铸设备也在不断向前 发展。压铸工艺水平也在原来的基础上不断改善与提高。例如，为了消除压铸 件内部的气孔、缩孔、缩松，改善铸件的质量，美国发展了真空压铸技术并在 1 9 5 8 年获得专利；1 9 6 6 年美国g e n e r a lm o t o r 公司提出精、速、密压铸法，出 现了双冲头( 或精速密) 压铸；1 9 6 9 年美国人爱列克提出了无气孔压铸的充氧 压铸法等川。由于整个压铸过程是在压铸机上完成的，所以压铸技术与压铸设 备息息相关，二者互相促进，互相发展。随着压铸件的高质量、高产量要求的 提出，对压铸设备的要求也就更高。反过来，新型压铸设备、新工艺、新技术 的采用，又促使压铸技术不断向前发展。此外，随着新的压铸材料的出现，压 铸成型技术的应用范围也在扩大。所以，近年来，铝合金压铸、镁合金压铸在 实际生产中继续呈增长趋势。半固态压铸成型技术也在众多学者的关注下，其 应用范围也在逐渐扩大。 随着压铸工业的发展，铝合金压铸产品以其自身的优势赢得了市场，逐渐 取代了许多铸铁件产品，尤其是在汽车工业领域。随着人类更加关注可持续发 展和地球环境保护，对汽车工业发展的目标很明确，节材、节能或采用新能源。 汽车轻量化是实现高速、安全、节能、舒适、环保的最佳途径( 2 1 。大量的实际 生产表明，用铝合金代替传统钢铁制造汽车零件，可使整车重量减轻3 0 以上。 同时，压铸合金件还有一个显著的特点是热传导性能良好，热量散失快，提高 了汽车的行车安全性p l 。而且铝压铸产品使用寿命期满后，材料能循环使用， 回收处理及工艺过程简单，所以，近年来铝合金压铸在汽车工业和其他工业领 域继续呈增长趋势。 在国内，压力铸造起始于2 0 世纪4 0 年代，但在工业上大量应用压铸件是 始于2 0 世纪5 0 年代。在这以后的l o 年中，我国的压铸技术取得了一定的成就， 除掌握了常规压铸生产工艺外，还对一些新工艺，如真空压铸和黑色金属压铸 进行了探讨。近年来，由于汽车工业的振兴、巨大的市场空间、具有竞争力的 生产成本、资源优势等原因，国内压铸业也在高速向前发展。从1 9 9 8 年到2 0 0 1 年，国内压铸件产量增长率达1 0 1 3 3 ，压铸件产品的种类也呈多元化发展 局面1 5 i 。总之，汽车、摩托车生产的持续增长、轻量化概念的提出以及人类环 保意识的增强，为国内开拓铝压铸合金市场打下了坚实的基础【6 l 。国内整个压 铸工业呈现蓬勃发展的局面1 7 “】。 尽管国内压铸技术的发展势头比较迅猛，但是与国外先进的压铸技术相比 还存在一定差距，比如在对新技术的应用新材料的研究方面还较为迟缓等。因 3 此，应进一步加强压铸理论的研究，提高压铸件设计水平。另外，还要继续开 展对新型压铸材料的研究和开发。 1 3 压铸成型数值模拟发展概况 压铸成型过程是不透明的，长期以来实际生产主要依靠设计人员的经验积 累，这就使得铸件出现质量不稳定、制定工艺时闻长、成本高等不利因素。数 值模拟的广泛应用给传统的压铸技术带来了飞跃发展，通过模拟可以预测与温 度场直接相关的缩孔、缩松等铸造缺陷【9 】，还可以辅助压铸工艺设计，最终达 到提高铸件质量、缩短生产周期、降低生产成本的目的。 随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对压铸成型规律的深入研究，压 铸成型过程计算机数值模拟技术取得了很大的进展。截止到目前，在世界各国 大力发展数值模拟技术形势下，己经出现了很多压铸成型数值模拟软件，著名 的有：p r o c a s t ，a n s y s ，m a g m a ，f l o w 3 d 等。国内也有单位研制开发模拟软件。如 华中科技大学的华铸c a e 。数值模拟技术己经在国内企业界得到了应用，并且 取得了良好的效果。 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 0 - 1 3 j 。p r a s a d k o vy a r l a g a d d a 1 4 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，优化了工艺 设计。i r o s i n d a l ei ”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 1 e a r y 1 6 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 软件分析水模拟模型压 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 l 7 1 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。 随着压铸数值模拟技术的进一步发展，国内学者也展开了广泛深入的研究。 杨秉雄、蔡临宁等对压铸充填过程分别用结合壁面函数法的层流模型和紊流 k 双方程模型进行数值模拟，讨论层流模型和紊流模型的适应性，以便工程 计算中选取模型参考【埽】。随着模拟理论的不断深化与完善，众多研究证明，k - e 双方程模型更适合压铸充型过程紊流的数值模拟，它比层流假设更能反映实际 情况【1 9 l 。论文中也采用的是k 占双方程模型进行铸件充型过程数值模拟的。 在计算压力铸造充型凝固过程温度场时，有很多数值计算方法，常见的有 有限差分法、有限元法和边界单元法等等。有限差分法又分为显式差分法和隐 4 式差分法，一般显式差分法通用性较强。清华大学的吴亮【2 0 】经过研究发现，由 于压铸件结构复杂、壁薄等特点，网格剖分时单元尺寸一般比较小，网格数量 很多，计算效率不高，显式差分法的稳定性问题也是导致压铸温度场数值模拟 计算效率低的根本原因，所以他采用分数步长法，以分数步长法差分计算理论 为基础，开发出了能处理复杂边界条件、任意时间步长、非均匀网络等的三维 压铸过程温度场数值模拟算法，提高了计算效率，而且计算结果与实际基本吻 合。 在压铸过程的热分析方面，对铸件充型凝固过程温度场以及压铸模具温度 场的模拟也具有重要意义，因为温度场的分布情况直接影响到铸件的质量和压 铸模具的使用寿命等2 。王贵1 2 2 1 、陈位铭【2 3 、2 4 1 等人分别以实际生产中不同的 铸件为研究对象，采用p r o c a s t 软件对铝合金压铸件充型凝固过程温度场进行数 值模拟，结果与实际情况基本符合，较准确地预测出缺陷出现的位置，为压铸 工艺及浇注系统的优化设计提供了参考。陈玲1 2 5 1 等凭借a n s y s 软件，也褥出了 铸铁件的缺陷部位。袁有录f 2 6 】等对铝合金压铸充型过程进行有限元仿真，结论 基本符合实际生产。此外，朱忠奎【2 7 】等人还展开对镁铝合金铸件压铸过程的模 流分析，模拟动态填充过程，根据模流分析结果寻找最优压铸条件。 为了解压力铸造的充型特点，清华大学的贾良荣 2 a l 等开展压力铸造充型过 程流动与传热数值模拟的研究，通过充型过程流场、温度场的数值模拟较准确 地表达出流动和传热规律，预测了可能产生的铸造缺陷，对实际压铸生产具有 重要的指导意义。 在压铸成型过程中，压铸工艺设计是否合理对压铸件的质量起着很重要的 影响作用。贵州工业大学的罗蓬【2 9 l 曾运用模糊控制论方法来预测压铸浇注系统 的基本工艺参数，为合理设计相关工艺参数提供了新的设计方法。随着计算机 技术的广泛应用，压铸成型数值模拟技术的出现为合理设计压铸工艺提供了新 的方法。通过数值模拟结果优化压铸工艺参数，既可以缩短成型工艺制定时间、 减少生产试制成本，又提高了铸件质量。随着研究的不断深入，数值模拟方法 更加完善，数值模拟结果的可靠性也越来越高。 本课题中，以烘干器上壳为对象，借鉴前入的研究成果，开展铝合金压铸 件充型凝固过程流场、温度场数值模拟的研究。在利用数值模拟进行参数优化 时，论文采用正交试验设计，以减少试验次数。通过对流场、温度场等的有限 元模拟仿真反映压铸成型特点，较准确地预测铸造缺陷产生的位置，根据模拟 结果分析优化压铸工艺，减少缺陷，提高铸件质量，指导实际生产。 1 4 课题来源及目的意义 本课题来源于合肥花园有色金属压铸有限公司，主要研究的是烘干器上壳 铝合金的压铸成型，目的在于通过对铸件压铸成型关键技术的研究，优化工艺 5 参数、缩短成型工艺制定时间、减少生产试制成本、提高铸件质量，指导实际 生产，最终为企业带来效益。 1 5 课题工作内容与关键问题 根据设计图纸在u g 中绘制出烘干器上壳三维立体模型( 图1 2 ) 图1 - 2 烘干器上壳实体造型 从图中可以看出，该铸件是壁厚不均匀、结构不对称、深度不等高的薄壁 壳形件，一般工艺方法比较难成型。选用压力铸造可以通过其高压高速的典型 特点使壁厚不均匀处较顺利的充型完整，而且也提高了铸件的致密性，同时使 铸件质量得到改善。 1 5 1 课题工作内容 论文的主要工作包括：铸件的三维建模，压铸成型浇注系统、排溢系统等 的合理设计与几何优化；通过有限元数值模拟再结合正交试验进行压铸工艺参 数优化；深入分析各参数对成型过程的影响，以得到质量较高的合格压铸件； 最后通过物理实验来验证数值模拟的可靠性。 1 5 2 课题关键问题 ( 1 ) 铸件的正确建模 铸件建模的正确与否直接关系到网格划分。在建模时，首先必须对u g 软件 熟练掌握，保证烘干器上壳的几个较难特征建模的合理性与准确性，否则就会 出现不能成功划分网格或者网格质量较差的现象。 ( 2 ) 网格划分 u g 建模所得到的实体应以适当的数据接口形式导入软件m s c p a t r a n 中进 行网格划分。网格划分的关键在于要保证网格的数量和质量。通常，网格数量 多，则计算精度高，但计算量大：反之，网格数量少，则计算精度低，计算量 小。此外，网格划分过程中铸件局部可能出现变形，这就会影响到后面的数值 模拟，所以要返回到建模软件中进行适当修改，以保证网格划分的顺利完成和 质量满意度。 ( 3 ) 浇注系统的理论设计与优化 6 压铸过程中，浇注系统对金属液流动的方向、模具的温度分布、充填时间 的长短等各个方面都起着重要的控制与调节作用，它不仅决定了金属液流动的 状态，而且是影响压铸件质量的重要因素。 论文中首先依据压铸模具手册和经验公式理论设计出浇注系统，然后结合 p q 2 图进行浇口设计的优化。p q 2 图最先是由c s i r o ( 澳大利亚联邦科学和工业 研究机构) 比较完整提出来的，这一技术把浇口系统的设计工作推向一个新的阶 段【30 1 。随后，经过众多生产实践的验证使该技术逐步得到推广和普及，并不断 发挥其积极作用【3 1 3 2 1 e 论文中，在浇注系统理论设计的基础上借助p q 2 图进行 几何优化，其关键在于利用已掌握的信息如何正确绘制p q 2 图以及正确分析等， 根据分析结果进行浇注系统几何参数的优化。 ( 4 ) 压铸充型凝固过程的数值模拟 这是论文的关键，首先要充分了解充型、凝固过程有限元数值模拟基础理 论，其次要合理确定各种参数，准确地模拟充型凝固过程的流场、温度场等， 预测缩松缩孔等铸造缺陷。 为了减少试验次数，论文采用正交试验分析，在此如何合理选取正交试验 的因子及其水平数也是非常重要的。 此外，数据的后处理问题也很关键，包括对流场、温度场分布云图、铸件 固相分数图、凝固时间分布图、缩松缩孔预测分布图等一系列问题的分析，应 充分掌握理论分析的科学性和准确性，能够从后处理数据中提取优化的分析结 果。 7 第二章压铸充型过程的有限元数值模拟理论基础 铸件充型过程数值模拟涵盖的学科领域比较多，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 对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及结果的可视化等。 2 1 金属的填充理论 压铸成型是一个非常复杂的过程，金属液的充填形态与熔融金属液的粘度、 表面张力、压铸件的结构、浇注系统的设计以及压铸工艺参数如压射比压、充 填速度等因素密切相关。一直以来，众多学者在特定的试验条件下进行了大量 研究工作，提出了各种充填理论，以探明压铸时熔融金属液填充铸型的真实情 况，但是在实际应用中具体问题还应具体对待。目前公认的有喷射填充理论、 全壁厚填充理论和三阶段填充理论【3 3 】。 2 1 1 喷射填充理论 这个理论是1 9 3 2 年费罗梅尔( l f r o m m e r ) 在研究锌合金压铸填充过程中分析总结得到 的，合金溶液具体填充过程如图2 1 所示。 费罗梅尔将型腔设计为矩形，浇口开设在一 端。他认为：当速度、压力保持不变时，金 属液流以保持内浇口截面的形状喷射到对面 型壁，受到阻碍，部分金属呈涡流状态返回， 部分金属向其他方向喷溅并沿型腔壁由四面 向内浇口方向折回。通过研究，他还发现一 个规律：当内浇口截面积s 与型腔截面积a 之比s a 为( 1 ，3 1 4 ) 和内浇口速度为o 5 1 5 m s 时，合金溶液比较容易产生喷射填充。 图2 1 喷射填充 2 1 2 全壁厚填充理论 1 9 3 7 年，另一个学者勃兰特( w g b r a n d t ) 在研究铝合金压铸填充过程时 发现：金属液经内浇口进入型腔后，先扩展至型壁，然后沿整个型壁截面向前 填充，直到充满为止，见图2 - - 2 。在这个研究试验中，他用的内浇口厚度是o 5 2 m m ，且内浇口与压铸件厚度之比为0 1 0 6 。 他还发现，当内浇口速度低于o 3 m s ，内浇口厚度艿与压铸件厚度t 之比 8 8 t ( 2 3 1 2 ) 时，金属液以全壁厚方式填充的可能性较大。全壁厚充填形态 因其填充速度低、内浇口截面大、液流沿全壁向前推进。所以不会产生涡流， 有利于气体排出，减少铸件气孔与疏松，提高了压铸件的致密度。 图2 - 2 全壁厚填充 2 1 3 三阶段填充理论 从1 9 4 4 年到1 9 5 2 年这几年中，学者巴顿( h k b a r t o n ) 综合考虑了影响压 铸充填过程的力学、热力学和流体力学等因素，提出了三阶段填充理论： 第一阶段：熔融金属液在压力作用下射入型腔，受内浇口截面的限制首先 冲击对面型壁，沿型壁表面向四周扩展，并形成压铸件表面薄壳层，在有拐角 的地方产生涡流。 第二阶段：后进入型腔的金属液充填薄壳层内的空间里，直到填满。 第三阶段：金属液完全充满型腔后，与浇注系统、压室构成一封闭的水力 学系统，在压力作用下，补充熔融金属，压实压铸件。 图2 - 3 三阶段充填 三阶段填充具体过程如图2 3 所示，这个理论与喷射填充理论的实验结果 基本一致，而全壁厚填充理论只在特定的条件下出现。事实上，这三个理论并 不是孤立存在的，随压铸件的形状、尺寸和工艺参数而改变，对于同一压铸件 又会因各部分结构的差异呈现不同的充填形态。 压铸过程中，当宽度较窄的内浇口直对着型腔时，以喷射方式填充，金属 液流冲击对面型腔产生喷溅，动能减少，然后以全壁厚推进方式充型。这两种 充填形态在压铸成型中往往同时存在。 2 2 充型过程的流体力学基础与基本计算公式【3 扣3 8 1 2 2 1 流体的性质 流体是一种在微小剪应力作用下发生连续变形的物质，包括气体和液体。 9 流体可以承受压力，传递压力和切应力，但是不能承受拉力。当流体四周受压 时体积变小，温度增加时体积会增大，这就是流体的压缩性与热胀性。此外， 当流体的流层之间出现相对位移时，不同流动速度的流层之间会出现切向粘性 力，即流体的粘性之所以出现粘性。是由分子间引力和流体分子的垂直流动 方向热运动引起的。 2 2 2 流体力学的基本计算公式 1 质量守恒定律一一连续性方程 流体流动过程所满足的一个必要条件就是质量守恒定律，此定律可表达为： 单元控制体内质量的增加等于其周围单元流入该单元的质量，其数学表达形式 就是连续性方程，这个方程适用于理想流体，也适用于粘性流体。具体数学表 达式如下 塑+ 型+ 型+ 必：0 ( 2 i ) 西出 砂 岔 式中，“，、甜，、“：分别为速度在x 、y 、z 三个方向上的分量，p 为流体的密度a 对于不可压缩流体，假定密度不变，有挲：0 ，那么连续性方程则变为 讲 塑+ 塑型+ 旦绁：o( 2 2 ) 勿 出 上式就是铸造过程通常使用的连续性方程。 2 动量守恒定律刊一s 方程 根据牛顿第二定律，物体的动量对时间的变化率与作用于物体的力成正比。 对于流体，由这个定律导出的粘性流体运动方程，或称为纳维一斯托克斯 ( n a v i e r s t o k e s ) 方程式( 简称n - s 方程) 是动量守恒定律的数学表达式，方程如 下 p 警= 以一芸+ 昙l c 2 警一詈撕， + 参卜謦+ 警， + 妄l c 警+ 警) ( 2 3 ) p 鲁= 以一爹+ 导l c 2 等一詈咖霸， + 丢l c 誓+ 等， + 昙p c 等+ 警) ( 2 4 ) 户警= 职一罢+ 昙p c z 警一詈姗) + 丢 c 警+ 警， + 导p t 誓+ 等) 式中，c 凡c 是单位质量的体苏量，p 为流体压力。 q 巧 对于不可压缩流体，旅诃= 0 ；当温度变化不大时，粘性系数可取常数， n s 方程可偷化为 警帆警m 等心警= e 一古芸+ 闪沁 c 2 q 鲁m 誓等心警= c 一吉筹+ 内2 b c z 忉 鲁m 警m 等他警= 疋一吉箬+ 田2 ， 式中，v 2 = 等+ 著+ 蔷，称为拉普拉斯算子。 方程的向量形式如下 譬= 户一! g 御+ 田2 蠢 ( 2 9 ) “p 上式就是不 - - i w , 缩流体的n - s 方程。它与连续性方程一起组成基本方程组， 解决粘性不可压缩流体的动力学问题。 3 能量方程 流体在运动过程中遵循能量守恒定律。当流体不可压缩时，在直角坐标系 下，能景方程是 2 3s o l a v o f 法求解方程【3 4 3 9 , 4 2 1 s o l a v o f 技术是美国l o sa l a m o s 科学实验室发展起来的，最初是用来求 解二维的具有自由边界的非定常流动问题，目前已广泛应用于三维问题求解。 s o l 法用来求解速度场和压力场，v o f 法采用体积函数跟踪自由表面移动进行 自由表面处理。因为充型过程是带有自由表面的流动问题，如何确定自由表面 的位置以及形状是解决这个问题的难点之一，要充分考虑到自由表面的计算流 体力学是其数值模拟的基础。 简化的三维v o f 法引入的体积函数f 如下 i o f + 导g ，f ) = 0 ( 2 1 1 ) 西缸、7 、7 f ：i ，表示充满状态；f = o 为空格状态；o f i ，表示自由表面 连续性方程、n s 方程、能量方程和f 体积函数在求解之前，首先要进行离 散处理，然后再采用s o l a v o f 法进行各种场的求解和自由表面处理。 2 3 1 连续性方程和n s 方程的离散与求解 连续性方程和n s 方程的离散方法有很多种，常见的是采用交错网格来离 心 、j 塑瑟 r r a 一出 + 、l，订一钞 ， a 一砂 + 、 堑舐 r r a 一毽 = 塑勿 w 册 + 玎一钞 p 矽 + 塑缸 矽 + 堑勖 卢 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。它的特点是精度高，而且容易做到通量守恒。 s o l a 法求解速度场和压力场的迭代方法是：先由n - s 方程式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、 ( 2 - 8 ) ，以初始条件或前一个时刻的值为基础，估算新时刻的速度场值，然后考 虑到要满足连续性方程式( 2 2 ) ，压力必须迭代修正，那么此时引起的速度变化 应加到前面估算的速度场上。如此反复迭代直到精度满足要求为止。 2 3 2 充型过程自由表面问题的处理和温度场的计算 v o f 法引入体积函数方程，通过对体积函数方程的求解来跟踪自由表面， 确定出自由表面单元的位置，求解出方程，明确金属液充填型腔的形态，新的 速度场、压力场的求解域也就确定了，从而解决充型过程自由表面问题。在 s o l a v o f 算法中，采用三维“施主一受主”( d o n o r a c c e p t o r ) 法处理体积函 数。顾名思义，“旌主一受主”就是根据计算单元的速度方向及单元的液流量把 单元定义为施主单元或受主单元，施主单元有液体流出，受主单元有液体流进。 一个时间步长& 内，穿过单元界面的流量值f 等于d f 乘以网格边界截面积。 三维“施主一受主”法就是在x 、y 、z 三个方向均应用“施主一受主”法。 充型过程温度场的计算是通过对能量方程式( 2 1 0 ) 的求解来实现的。能量 方程式可采用显式方法求解，其中对流项采用上风格式，热传导项采用中心差 分格式，源项可采用等价比热法、温度回升法和热焓法处理。 2 4 充型过程紊流的数值模拟 流动现象常常表现为层流和紊流两种本质不同的形态。流线平滑而又有层 次的流动称为层流，而紊流则是不规则的随机运动，在一定的条件下二者可以 互相转换。实际工程中，流动大都是紊流流动，压铸也不例外，在整个压铸充 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。 2 4 1 紊流模拟的数值计算方法【4 2 】 素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、压 力和温度等) 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 是由各种不同尺度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。关于紊流流动与换热的数值计算，是目前计算流体动力学与计算传热 学中困难最多、研究最活跃的领域之一。紊流模拟采用的数值计算方法大致有 完全模拟法、大涡旋模拟法和r e y n o l d s 时均方程法三种。 完全模拟法不用引入任何模型，直接采用非稳态的n - s 方程来对素流进行 1 2 计算，但需要在紊流尺度的网格尺寸内求解，这是目前计算机容量及速度难以 解决的；大涡旋模拟也是采用非稳态的n s 方程，但它直接计算大尺度涡，不 直接模拟小尺度涡，利用近似模型考虑小涡对大涡的影响，这个方法同样需要 较大的计算机存储量，不能直接用于实际工程中。 r e y n o l d s 时均方程法是将非稳态的控制方程对时问做平均，在关于时均物 理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等物理量，所得方程的个数少于 未知量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理来使方程组封闭。要使方程 组封闭，就必须作出假设，即建立模型。这种模型把未知的、更高阶的时间平 均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的函数，这是目前工程紊流计算中 采用的基本方法。紊流模型有零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中， 双方程模型在铸造充型过程模拟中得到了广泛应用。 2 4 2 紊流模型 4 0 4 1 l 压铸充型过程金属液是紊流流动，为了进行计算机仿真模拟就要建立紊流 模