（材料加工工程专业论文）摩托车减震筒成型过程温度场数值模拟.pdf

西毕大学硕士学位论文 y g 3 8 g 04 摩托车减震筒成型过程温度场 数值模拟 研究生廖艳春指导教师曾明 ( 材料加工工程专业) 捅要 本文计对大批量生产的嘉陵一1 0 0 摩托车铝合金减震筒重力铸造 成型过程中的温度场进行了测试研究，并采用大型有限元分析软件 a n s y s 对该减震筒凝固过程的温度场进行了数值模拟。 研究表明：( 1 ) 采用8 0 通道巡检仪对铸造j j ：型过程的温度场进行测 试，方便高效，检测点多，所数显及打印的测试点温度响应速度快， 数据可靠，可推广到类似零件成型过程的温泼场测试。有限元软件 p d q s y s 可以直观形象地给出摩托车减震简凝固成型过程的温度场分 布云图，也可以给m 温度随时间的变化曲线或采用表格形式给出温度 与时间之间的对应数值，高效、实用。f 3 ) 对比分析表明，数值模拟结 果与实测温度值基奉吻合，两种方法获得的温度变化趋势与规律比较 一致。( 4 ) 在重力铸j ：二摩托车减震筒凝固成型过程中，沿径向的温度梯 度相对较大，而沿轴向的温度梯度相对较小。在实际生产工况下，可 将沿模具径向分布的冷却水道改为置于该模具的底部，该底部的模 可采用铜型，以提高沿轴向的温度梯度，减弱径向的温度梯度。同时 还可采用沿模具型腔表面从下至上逐渐增厚涂料层的工艺措施。 关键词：减震简凝固数值模拟a n s y s 温度场 西华大学硕士学位论文 n 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 e f i e l d d u r i n gc a s tm o l d i n gp r o c e s so fm o t o r c y c l es h o c k a b s o r b e rt u b e g r a d u a t el i a oy a n c h u n s u p e r v i s o rz c n gm i n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) a b s t r a c t i nt h isp a p e r ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fm o t o r c y c l es h o c k a b s o r b e rt u b e ，w h ic hi sm a n u f e e t u r e di n l a r g en u m b e ra n dt h e t y p ei sj i a l i n g 一1 0 0 ，d u r i n gg r a v i t yc a s tm o l d i n gp r o c e s si s s t u d i e d b e s i d e s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l di sn u m e r i c a ls i m u l a t e d b ya1a r g ef e as o f t w a r e a n s y s t h er e s u l t scomesa sf o l l o w s ：( 1 ) ，1 1 h e t e m p e r a t u r ef i e l d i - m e a s u r e db ya s u r v e yi n s t r u m e n tw h o s em a x i m a lt e s t i n gd o ti s 8 0 d u r i n gc a s tm o l d i n gp r o c e s s t h ei n s t r u m e n ti ss oc o n v e n i e n ta n d t h ei n s p e c t i n gd o ti ss om u c h t h e r e s p o n d i n gs p e e dw h e ni t i sp r i n t i n gt h et e m p e r a t u r ed o t si ss os o o n ，t h e d a t ai s c r e d i b l e ，t o o ，t h ei n s t r u m e n ta n dm e t h o d su s e dcanb e e x t e n d i n g t o p a r t ss i m i l a rt ot h es h o c k e ra b s o r b e rw h i l e t e s t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ( 2 ) t h ef e as o f t w a r ea n s y sc a i iv is u m ly s h o wt h et e m p e r a t u r ef i e l d n e p h o g r a mo fm o t o r c y c l es h o c k a b s o r b e rt u b e i tc ar la l s og i v et h en u m e r i c a lv a l u ei nc h a n g i n l c u r v ea n df o r m c o n n e c t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e b e s i d e s ，jt jsh ig h lye f f i c i e n ta n du s e f u l f 3 ) c o m p a r e dt h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n w i t ht h eo n e so f t e s t i n g ，il i sc l e a r t h a tt h et w or e s u l t sa r ee q u a e d t oe a c ho t h e ro nt h ew h o l e ， w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ec h a n g i n gt r e n da n dl a wr e s u l t i n gf r o m 西华大学硪上学位论文 t w om e t h o d si s c o n s i s t e n t ( 3 ) d u r i n gt h ep r o c e s so fg r a v i t y c a s t i n go ft h es h o c ka b s o r b e rt u b eo fm o t o r c y c l e ，t h et e m p e r a t u r e g r a d i e n ti sg r e a t e ra l o n gt h er a d i u sd i r e c t i o nt h a na l o n gt h e i x i a ld i r e c t i a n u n d e rt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e ，t h ec o o l i n g w a t e rp i p e sd i s t r i b u t e da l o n gt h er a d i u sd i r e c t i o no ft h em o u l d c a nb ed i s p l a c e da tt h eb o t t o mo ft h em o u l d i na d d it i o n ，t h e b o t t o mo fm o u l dc a nb em a d eo fc o p p e ri no r d e rt or a i s et h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o na n dd e c r e a s et h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta l o n gt h er a d i u sd i r e o t i o r m o r e o v e r ，t h e c o a t i n gt h i c k n e s scanb ei n c r e a s e da l o n gt h em o u l dc a v it ys u r f a c e f r o mb a t t o mt ot o p k e y w o r d s ： s h o c ka b s o r b e rt u b e ， s o l i d i f i c a t i o n ，a n s y s 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 两华火学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 本课题来源子企业生产实际。 近年来我国已成为摩托车的最大生产国，年生产各种型号摩托车 达一一多万辆。在摩托车的重要部件中，有不少是铝合金件，如摩托 车减震筒。其材料般是用z l l 0 7 或z l l 0 4 合金。其毛坯的生产0 式 主要有低压铸造、金属模重力铸造以及挤压铸造等。摩托车减震筒的 零件结构一般为织长薄壁圆筒状，中间有一细长的盲孔。对于不同的 型号，只是尺寸不同以及局部特征上有一些差异，其它的形状特征火 致是相同的。 对于摩托车减震简毛坯的生产有两种类型：一种是铸造成实心毛 坯，然后用机械加工方法将，p 间的盲孔及外部轮廓加工出来。另种 方式是中间盲孔用芯棒成型，预留机械加工余量，然后将其 j i 捆工出 来。然而铝合金摩托车减震筒是细长的具有盲孔的薄壁圆简状零件， 其形状较为复杂，铸造难度较大，而对该零件的力学性能、表面状努 要求又很高。如嘉陵一本田摩托车减震简，按照日本的技术要求，铸 件不容许出现孔洞、夹杂、裂纹、浇不足等缺陷，特别是要求铸造后 表面粗糙度r a 的值不得低1 j6 3 u r n ；内孔加工后表面粗糙度r a 的值 不得低于0 2 u m ，针孔度必颁达到一级，水压试验5 m p a ，保压5 分钟， 不变形和渗漏 1 1 。 我们在深入企业调研及资料检索中，发现该类零件的生产过程中 不仅存在许多问题，例如缩松严重、以及该零件在使用中存在润滑油 的渗漏、容易发生热裂等缺陷。分析其原因并深入了解其生产状况， 发现该零件毛坯的铸造用金属模具的设汁、成型过程工艺参数的确定 等，均采用传统理论以及的方式来完成，有的再加上一些尝试法来确 西华大学硕士学位论文 定工艺参数，十分粗放。再了解其它类型生产量火，零件结构特征相 似的零件，如汽车、摩托车活塞，大都存在类似的问题。这些问题急 待解决。 从获得高性能零件毛坯来看，要求选用高性能的材料，另一方面， 要求更好地对其成型的过程进行控制。我国成型加工工艺虽然历史悠 久，但与国外相比有较大差距，它严重制约着国民经济的发展，因此， 如何适应市场经济发展的需要，迎接全球化竞争的挑战，成了摆在我 围铸造工作者面前的重要课题。要应对激烈的市场竞争，4 i 仅要求产 品确好的质量和低成本，还要求企业能快速对市场变化做出反应。这 裁需要强大的 艺设计能力，并能依靠先进的信息技术快速廉价地推 文产品，从而在市场竞争中占得先机。要缩短新产品的试制周期，降 低试制费用，优化现有产品的工艺，减少废品率，必须要研究和控制 铸件的形成过程。传统的铸件生产多采用尝试法，对于大型铸件或新 产品开发来说，往往需要反复试制，这样不仅周期长、浪费大，而且 很难保证质雇。因此，如果在实际生产前要对铸件在浇注、凝固过程 中可能产生缺陷的部位、大小以及发生时间进行彳效的预测，从而在 浇注前就采取对策，以保证铸件质量，是可行的途径之一。计算机技 术的飞速发展以及在铸造成型中的逐渐应用使得这一梦想可以变成现 实。这就是铸件成型过程的计算机模拟仿真技术的研究与应删。 铸件凝固过程的计算机模拟仿真技术以数值计算为基本方法，结合 传热学。噶充体力学、弹塑性力学、流变学、以及物理化学等学科的研究， 对铸件凝固过程的流动场，凝固过程的温度场、应力场及微观组织等进 行模拟，可以打破传统铸造模式，使工程技术人员掌握铸件凝固过程中 金属液的流动状态、凝固过程的温度场分布、应力场的形成和分布，预 测是否会产生缩孔、缩松、夹杂、偏折、裂纹等缺陷，进而剐工艺方案 进行改进，通过反复的“电脑试浇”和比较分析结果，最终获得最优生 产工艺方案，此过程也称为“虚拟铸造”，通过虚拟铸造，可以保证铸 件质量，提高工艺出品率，减少对经验的依赖，增进科学决策，缩短试 周期，节省试制费用，增强市场竞争优势。因此，专家指出：铸件凝固 2 西华大学硕士学位论文 过程的计算机模拟仿真是改造传统铸造产业的必由之路。 近十几年来，随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料成型 过程物理规律研究的深入，材料成型过程计算机模拟技术取得了一定的 发展。计算机模拟即是通过数值计算得到微分方程来描述具体材料和模 具在成型中的速度场、应力场、温度场等。据此预测工件、组织性能的 变化以及可能出现的缺陷；利用计算机图形技术将这些分析结果直观 地、动态地呈现在研究设计人员面前，使他们能通过这个虚拟的材料加 丁过程检验工件的最终形状、尺寸、性能是否符合发计要求，正确选；目 机器设备和模具材料。采用模拟技术，能在材料成型工艺设汁和模具没 计初步方案完成后立即剥其进行检验，寻求可行的甚至最优的设计方 案，然后弭完成详细设计并进行模具制造。这样，在新产品开发时，就 能使得产品设计、工装模具设计和制造等相关工作同时展开，即实现并 行工程，达到降低成本、提高质量、缩短产品交货期的目的 z - 3 。 1 2 国外数值模拟研究现状和发展趋势巾， 凝固过程的模拟可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，美国哥伦比1 ：大学的 p e h l k e 教授在美国铸造出会的资助下，首次利用大型计算机进行凝回 模式、浇注系统设计、浇包中的热损失、铸型中热流流动等方面的研 究。1 9 6 2 年丹麦的f o r s u n d 首次使用有限差分法对铸件凝固的传热进行 了数值计算。三年后，美国通用电气公司的h e n z e l $ 口k e v e r i a n 应用瞬 态传热通用程序对重达9 吨的大型钢件汽轮机内缸进行了数值模拟，计 算温度场与实测温度场吻合良好。这些实验充分显示了凝固模拟具有 巨大的潜力和广阔的前景，并最终导致1 9 6 6 年美国铸造学会传热委员 会制定了一。项对铸造凝固电算数值模拟进行系统、深入的长期研究规 划。此后，世界上许多国家都相继开展了铸件凝固计算机数值模拟的 研究。 1 9 7 0 年，m i c h i g a n 大学的m a r r o n e 等人用s a u l y e v 显式差分法和交 替方向隐式差分法模拟了低碳钢“t ”形和“l ”形试样的凝固过程。 西华大学硕七学位论文 在作了一系列假设的前提f ，将傅立叶的导热微分方程用于铸件凝闻 过程传热汁算，绘出了铸件凝固等温匝线。并与实测结果进行了比较， 认为影响计算精度的主要因素是高温时金属和砂型的热物性值。19 7 6 年，p e h l k e 等人发表了专题论文“凝固的计算模拟”，对计算机技术、 数值计算方法和铸件凝固过程的物理原理的描述等问题做了详细的评 价，并对砂型铸造中几种不同形状和合金的铸件进行了计算机数值模 拟计算。这些最初的研究成果为世界各国的研究工作打1 = 了良好的i 每 础，并于七一f t f 代掀起了世界范围的研究热潮。 在日本，具有代表性的研究者一大中逸雄在研究中提出了一种直 接差分法，、分为内节点和外节点法，其物理意义明确，单元划分灵 活，从而捉供了一种通向三维的可行途径。此外，他还编制j 自动网 格划分和数二 形成预处璎的通用程序，并采用有限元法( f e 斟) 、矩阵法 和直接差分法( d f d ) 等各种数值计算方法对铸件的凝固过程进行了数 值模拟。 美国以其雄厚的计算机软硬件资源优势迅速走向技术综合和实际 应用。目前，美国所开发的铸造数值模拟软件最多，功能也龈齐全，其 应用水平和软件开发能力属世界领先。 日本祚：继美国之后，从上世纪7 0 年代以来在铸造过程数值模拟技术 研究方面襁活跃，从开始就注重于实用化，在铸件缩孔、缩松的形成 与铸件凝固温度场闽关系( 判据) 的研究，对数值模拟走向实用化起到了 重要的推动作用随着对数值模拟技术作用认识的加深，加拿大、前苏 联、印度、韩国、伊朗及埃及等国家相继开展了对这项工f 1 的研究。 在实用性商品化软件开发方面，工业发达国家在铸造的研究与开发 方面投入的费用已超过数千万美元，相继开发了一。批实用化商品化软 件，如德国的m a g m a s o r 、美国的p r o o 蟠t 、瑞典的n o n a c a s t 等。 但因其昂贵的价格使得这些软件在生产中的应用并不十分普遍，尤其是 真正能应用于国内铸造厂实际生产中的更是寥寥无几。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 国内数值模拟研究现状和发展趋势啡q i 1 8 1 我国从1 9 7 8 年起开展数值模拟研究，虽然起步较晚，但十多年的 研究一直与铸造生产实际密切结合，形成了我国研究的特色。 我国部分大专院校和专业研究所进行了一些的铸件凝固数值模拟 基础性研究。如沈阳铸造研究所、大连理工大学、西北工业大学、哈 尔滨工业大学、西安交通大学、沈阳工业大学、哈尔滨科技人学、清 华大学、北京科技大学、郑州机械研究所等，其研究的主要内容有： 1 ) 铤件凝固过程温度场数值模拟及其基本方法的研究。包括应用 有限差分 ? 、，有限元，边界元法，有限差法中还包括显式法、隐式 法、交替隐式法d 1 1 f a - 式s o l y e f 格式进程温度值计算，以及各 种不同的边值条件处理( n 方程法、温差函数法、点热流法、综合热阻 法、动态边界条件法) 和潜热处理( 温度回升法、热焓法、固相率法) 。 通过这些! 蓦本方法研究和运用，使得温度场的计算比较准确且成熟， 并为其它物理场的研究打下了基础。 2 ) 铸钢件凝固过程缩孔，疏松计算判断的研究。包括温度梯度场， 固相率场，凝固时间场的计算等。并根据这些计算出一系列判据，笋j 定凝固终了时铸件是否出现缩孑l ，疏松缺陷在什么部位，什么出现纩 孔、疏松缺陷的时问等崩来满足大型铸钢件、高负荷、高致密度和高 质量探伤要求。到目+ 前为止，已有五、六种判据。多半根据温度梯度、 固相率梯度、凝固生长速度、冷却速度、压力。和结晶区间宽度等参 数的不同组合、不同的计算公式算出判据值来判定。或大于或小于某 一特定值将在铸件某一置域出现疏松缺陷。 3 ) 大型铸钢件热鹰力和残余热应力场的数值模拟研究。包括铸件 凝固过程中热应力场的计算和冷却过程中残余应力场的计筻，热裂纹 敏感区和热裂纹的预测等。在应力场计算研究领域，国内外也已研制 出许多成熟的软件，但简单地移植这些方法用于热应力场和残余应力 场计算并：皓完全科学。因为热应力是在金属凝固过程进行。p 枝晶骨架 已经形成，温度接近醐相线温度的时刻，金属材料正处于塑性、粘弹 5 西华大学硕士学位论文 性状态下发生的，因而其数学计算模型复杂得多，铸件的残余应力更 是在热应力基础上叠加随后冷却过程产生的相变应力，铸件收缩受阻 应力的综合结果。因此在这样的情况下简单地应用弹性力学进行热应 力和残余应力计算是不准确的，此外，由于铸件形成复杂凝固冷却过 程中局部热节处常常伴有不同程度的缩松、降低了材质力学性能，铸 件中各个部位的热应力、相变应力和铸型阻碍应力交织在一起，种种 因素都增加了热裂纹预测的难度。正因为如此，目前的研究主要集中 在应力场的模拟讨算f = 。现己提出的数学模型主要有： a 根据弹性力学理论提出的热应力问题的结构方程。 b 根据流变学理论提出的合金在准固态的本构方程。 4 ) 大型铸钢件热缩变场数值模拟研究：主要包括温度梯度、准固 相区停留时问，收缩变型梯度等项计算来预测热裂纹敏感区，进而采 取工艺措施来消除热裂纹。 除了上述研究内容外，清华大学和哈尔滨工业大学五二分别针对大 型锻件用的大钢锭逆俯析和a 1 c u 合金的成份不均进行了化学成份偏 析场的数值模拟研究，沈阳铸造研究所和清华大学对有自由表面的充 型过程流速场数值模拟研究进行了探索，最近呤尔滨工业大学还进彳j ： 了固相转移条件下金属凝固过程传热、传质及流动的数值模拟进行了 研究。 为了发展铸造传统产业，赶上国际先进水平，国家先后组织沈刚 铸造研究，大连理工大学，哈尔滨工业大学，西北工业大学，沈阳工 业大学，哈尔滨科技大学、第一重型机器厂七个单位，先后开展了“六 五”国家科技攻关项目“大型铸件凝固控制研究”和“七五”国家攻 关“大型铸钢件铸造工艺c a d ”研究。 经过十多年的发展，我国已经研制出了一系列计算机软件。这些 软件可以在微机芹n c a d 工作站上运行。可以针对重大装备中的大型铸钢 件，小至几吨，大至几百吨进行浇注系统设计，冒口工艺设计，外冷 铁工艺设计，可以对应力裂纹预测，缩孔疏松预测和凝固吃程数值模 拟，通过电脑试浇，减少中间环节确保铸造工艺一次性- j 靠，使铸伺 6 西华大学硕士学位论文 质量达劲相应国际标准。特剐是对外冷铁工艺c a d 的研究，使大型铸钢 件摆脱了传统的加内冷铁的生产工艺，创立了独立自主地科学设计外 冷铁的方法，满足了国内外大型高负荷、高致密度关键性铸件的需求。 综上所述，通过对我国铸件数值模拟和铸造工艺c a d 研究特点的分 析归纳，可以得出如下结论： 1 ) 我国铸件凝固过程数值模拟研究，虽然起步较晚，f ：| _ 由于众多院 校厂所参加，国家支持，开展了广泛的。基础研究，包括温度场、流 速场、偏析场、应力场、缩变场和缩孔疏松判据等，使得研究成果接 近达到国际先进水平。其中尤以温度场计算比较成熟，采刚有限差法 可以对任何铸件三维凝陶过程温度场进行数值模拟并以此为培础开展 铸造工艺的c a d 研究和应用。在计算机数值模拟与铸件生产应用的结合 方面，国内研究比国外多数研究更为紧密，有着自己的特色，反映一 次开发的能力较强。 2 ) 以生产大型铸钢件的重型机器。一为先导的，包括部分中小铸件生 产企业进行的凝固过程数值模拟和铸造工艺c a b 应用研究，为整个铸造 生产应用商新技术一j 行科学工艺设计的先进局面起到了开创性作用。 3 ) 除少数计算机软件商品化程度略高外( 妻f f s r m u 3 d 、f t c a d ) ，多数 软件商品化程度较低，不便于多数计算机知识程度一般的人掌握，这 也是今后数值模拟和铸造工艺c a d 软件开发必须加强的重要环节。 4 ) 实际铸造生产中的材料热物性质变化较大，而凝固过“的数值模 拟又离不i 于这些物性参数，明显影响模拟计算结果的精度。 国内在铸造凝固过程数值模拟方面取得了一些成果，从而推动了这 项技术的发展和在国内的应用。但与国外相比我国在这一领域的研究还 存在着许多问题，如投资力度不够，研究工作集中于对铸钢件和铸铁件 的砂型铸造工艺，而列有色金属及各种特种铸造工艺方面的数值模拟研 究较少。困内软件开发及研究组的成员组成不尽台理，铸造软件的开发 难以跟上计算机技术的发展步伐。 7 西华大学硕士学位论文 1 4 凝固过程模拟软件的开发状况嘲t ，5 1 凝固过程模拟软件及铸造c 觚的研究开发起步于2 0 世纪6 0 年代，主 要在以下三个方面取得了重要突破才使商品化软件变为现实： 有处理三维复杂形体的图形功能； 硬件及软件的费用大幅度降到铸造工厂能接受的水平： 计算机操作系统及软件对用户友好。 自从1 9 8 9 年世界第一个铸造c a e 商品化软件m a g m a 展出以来，凝 固软件的发展过程大致可分为三代： 第一代主要运用简单模数计算方法模拟热流动，不能显示某一时 刻铸件或铸型特定区域的温度场变化，也不能正确模拟具有相邻影响 的复杂形状铸件的温度变化； 第二代主要基于正确的温度场计算； 第三代模拟软件运用正确温度场计算并与凝固期问补缩金属流动 相结合，同时对凝固过程合金中的重量影响和密度及合金结晶变化加 以分析，可在选定的任一截面以二维和三维实体方式显示模拟结果， 并同时显示温度变化、液固相变化及缩孔变化。 目前发达工业国家都有自己的商品化模拟软件，如著名美国 p r o c a s t ，德国的m a g m a ，芬兰的c a s t c a e ，西班牙的f o r c a s t ，日本的 c a s t e m ，法国的s i m u i ，o r ，瑞典的n o v a s o l i d 等，许多软件可以对砂型 铸造、金属型铸造、精密铸造等进行温度场、流场及应力场模拟，预 测铸件的缔松、缩孔、热裂等缺陷和各部位的组织。其功能的一方面 正向低压铸造、压铸、熔模铸造等方面发展，另方面正从宏观模拟 向微观模拟发展。其。 美国的p r o c a s t 年l 德国的m a g m a 已增加了球墨铸 铁组织中珠光_ 体含量的预测功能。 国内番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 j 华中科技大学的华铸c a e ，其部分功能己与国 外软件相当另外实现铸造c a e 在并行工程中的集成是人们日前关注的 焦点d g l 。 8 西华大学硕士学位论文 1 5 凝固过程计算机数值模拟存在韵问题 虽然在世界范围内，针对铸造凝固成型过程的计算机数值模拟进 行了不少研究工作，也有不少已经投入到了实际应用中，但是尚存在 不少急待开展研究的内容与方向： 1 ) 从材料种类出发，针对黑色金属材料，如铸钢，球器铸铁等研 究居多，而对非铁合金如铝会金i l ，乒：较少； 2 ) 从零件的大小来看，对大件研究居多，而对中小零件的研究较 少； 3 ) 从零件生产量来看，对单件小批量的研究较多，而对大批大量 生产的中小型铝合金铸件，研究较少； 4 ) 由于铸造凝固成型过程涉及到的模型材料、合金材料、涂料种 类多，有些材料的基础性热物参数无参考数据，这些基础研究工作刁： 够。 5 ) 在汽车、摩托车等产业中大规模生产的形状结构特征类似、尺 寸有差异的有色合金件，如铝合金类的汽车、摩托车活塞以及减震筒， 然而针对这类零件，从热量传输的角度研究凝固过程，科学价值及工 程意义1 分重要。 6 ) 由于铸件结构及凝固过程的复杂性，在物理模型及数学模型的 建立中，做了许多的简化，这使得模拟结果与实际情况存在较大的差 异。 。 综上街述，作者认为有关凝固喇过程的数值模拟尚有许多工作需 要开展。 1 。6 主要研究内褥及总体流程图 近年来，重力浇注机价格低廉，性能可靠，受到减震简生产企 业的广泛欢迎。而减震筒采用金属型重力铸造已逐渐在有关企业推广应 用。 本文主要针对具：盯代表性的嘉陵一1 0 0 型摩托车减震筒铝合金实心 9 西华大学硕士学位论文 毛坯的凝固成型过程进行了研究，该毛坯的材质为z l l 0 7 ，具体成分为： s i 含量6 5 - 7 5 ，c u 3 5 4 5 ，其余成分为铝。 本课题主要研究以下内容： 1 1 采用日本y o d a c - 一8 型8 0 通道温度巡检仪，在实验室条件下， 用金属模重力铸造方式，检测实心摩托车减震筒毛坯凝固过程的温度分 布与变化情况。 2 ) 采用a n s y s 软件对上述工况下豹凝固过程的温度分布与变化 情况进行数值模拟计算。 3 1 对实测温度分布与变化与模拟结果进行对比和分析。 4 1 对模具结构与成型过程工艺参数的优化进行探讨。 总体流程图如下所示： 1 * j 执1 = 跫 对实验 进行：f ： 综实验模块：用 与模拟 艺优化 a 块：进行a n s y s 口 结果卜、 及 文 温度场软件进 进行比 ， 模具改 r 献实际测行温度 对与分 进研究 饥场模拟 析 计算 图1 - 1总体流程图 l o 西华大学硕士学位论文 第二二章摩托车减震筒凝固成型过程 温度场的测试研究 2 1 温赓场测试准备 2 1 1 摩托车减震筒金属型重力铸造模具结构及零件毛坯 图脚1 - ”l 在本试聆采用的铸型为生产中实际使用的一副重力铸造金属模 具，垂直分型，铸型材料为4 5 号钢。如图2 - 1 所示。图2 2 为嘉陵1 0 0 摩托车减震筒毛坯图。 图2 二1 摩托车减震筒金属型重力铸造模具结构图片 2 1 2 测温点位置选择 2 4 1 ”】 实验中温度场的测试是由热电偶以及相应的仪表来完成的，热电偶 工作端是相互焊接的，一端插入铝合金溶液中以测量温度，另外一端 西华大学硕士学位论文 匿! 7 2 摩托车减震筒毛坯图 则与多点巡检仪连接。如果热电偶的工作端与自由端存在温度差时，显 示仪表将显示温度。热电偶工作原理是基于当两种不同成分的导体两斌 结合成回路时，由于其两接点温度不同，则会在回路内产生热电流。 在本实验中根据铸件的实际情况，对其几何形状傲了一些合理的简 化，例如某些体积较细小的部位忽略不计，不考虑倒角等。因而减震筒 可以被简化为一个关于中心轴对称的圆筒，其二维形状图如图2 3 所示。 由于溅震筒的中心轴对称性，因而仅需要测试其半径方向及沿筒身 方向的温度。根据本实验的实际情况，在铸型壁内沿筒身方向的六个截 面共安装了六组热电偶，、如图2 - 3 示。每组三支一共是1 8 支热电偶。 每支热电偶均与y o d a c - 一8 型温度巡检仪接口相连。第一截面热电偶 为o ，l f l ，安置在离铸型浇口的距离为6 0 毫米处：第二截面热电偶 为3 ，4 ，5 ，安置在离铸型浇口的距离为1 0 0 毫米处；第三截面热电偶 为6 ，7 ，8 ，安置在离铸型浇口的距离为1 3 5 毫米处；第四截面热电偶 号为1 0 ，1 l ，1 2 ，安置在离铸型浇口的距离为1 7 5 毫米处；第五截面热 电偶为1 3 ，1 4 ，1 5 ，安置在离铸型浇口的距离为2 2 0 毫米处；第六截 面热电偶为1 6 ；1 7 ，1 8 ，安置在离铸型浇口的距离为2 6 0 毫米处。 从减震筒中心轴方向来说，0 ，3 ，6 ，1 0 ，1 3 ，1 6 号热电偶置于 铸型内壁外1 9 毫米( 强震筒中心轴线上) ，将其称为内层轴向；1 ，4 ， 西华大学硕士学位论文 7 ，1 1 ，1 4 ，1 7 号热电偶置于铸型壁外9 毫米( 减震筒中心轴线与减震 筒外壁中点) ，将其称为中层轴向；2 ，5 ，8 ，1 2 ，1 5 ，1 8 号热电偶伸 出铸型壁外1 毫米( 减震简与铸型界面处) ，将其称为外层轴向。 黝豹 吲钐黝 jf 可哺潜离。i 二丫；夕 串ai b 恐 r 1 4 鳋 珍钐钐黝f 呖 图2 - 3热电偶分布图 2 1 3 涂料配比【2 6 1 1 2 ，l 本实验所用涂料配合比如下： ， 成分 氧化铝氧化锌 水玻璃水 ( 4 0 0 - 5 0 0 目1 ( 4 0 0 - 5 0 0 目) 重量比( )6 04 03 5适量 表2 - 1涂料配比 涂料的主要作用是：保护金属型，从而延长金属型的寿命； 使成品脱模时容易：凋节与控制冷却凝固过程的传热热流密度，从 两华大学硕士学位论文 而可以控制凝固冷却过程。 对涂料性能的要求有：足够的耐火度；化学稳定性高；易 粘附不易剥落；涂料流动性好，以便涂敷；易于清除。 2 ，1 4 热电偶 热电偶采用的是直径为0 5 毫米的n i c r - n i s i 丝，插入双孔瓷管内 构成。 2 1 5 摩托车减震篙成型过程及温度场测试流程图 实验工艺流程如下图： 图2 - 4孽托车减震筒成型过程温度场测试流程图 2 2 测游仪介绍及程序编制 本实验温度采集装置采用日本产y o d a c 8 温度巡检仪，、其最大通 道数为8 0 通道，最快扫描速度为o 1 秒每一通道。该仪器能直接把热 1 4 珏华大学硕士学位论文 电偶传递过来的电势信号直接转换成为温度值，并配有打印机。 根据实验情况，自编测温仪程序流程如下： 1 将设置功能按钮( f u n c t i o n ) 调至扫描控制( s c a n c o n t r o l ) 项。 考虑到各点所要测试得到的温度值是连续的而不是孤立的， 在扫描模式上选择连续模式( c o n t ) 。 由于拟测试点共为1 8 个，所以在将第一通道数和最后通道 数分别设置为0 0 0 和0 1 8 。共1 9 通道，剩余的一点( 9 点) 用来测试 实验时铝合金熔溶温度。 2 将设置功能按钮( f u n ( t i o n ) 调至时钟与问隙( c l o c f ，_ i n t e r v a l ) 项。分别设置当时时间，其中扫描一个周期时间问隔设 置为最小值。 3 设置通道群，将设置功能按钮( f l 】n c t i o n ) 调至通道群( s c a n g r o u p ) 项 首先设置所有通道所分成的组数，本实验中1 8 通道共分为两 组，第一组1 0 个通道，第二组通道数为9 。 第一通道数组各属性的设置。设置第一纽中第一和最后一个通 道数使，分别为0 0 0 和0 0 9 。然后设置量度代码，一般为正常 ( n o r m a l ) 根据铝合金熔化凝固温度范围来设置对应的温度测试范 围代码，本实验采j 目c a ，其温度测试范围可从2 0 0 度到1 3 5 0 度，完 全能够用于本实验的测试。最后设置本通道群所用的比较仪序数。 同理可以设簧本实验第二通道数组各项属性。 4 设置扫描速度： 测温仪扫描速度共有两种选择：选择为f a s t 时扫描速度大约为 0 1 秒每通道，选择为s l 0 w 时扫描速度大约为0 5 秒每通道。为了 提高精度，在本实验中选择了f a s t ( 快速) 扫描速度。 该程序在数据采集上，有如下特点： 每一个循环可采集1 8 个测点温度，采样周期为1 8 秒钟，由于采样 周期短，可准确地反映温度随时问变化的情况，尤其是存温度变化很人 两华大学硕士学位论文 的浇注前期与浇注凝固时期，更显示出该微机采集温度系统的优越性。 本实验溺度场测试现场见图： 图2 5温度场测试现场图 2 3 减震筒铸造过程温度场的测试r 圳 经过多次浇注与测试，具有代表性的测试结果下列图中，其中铝合 金浇注温度条件为7 5 0 。c ，铸型温度为1 2 0 。c ，浇注时问为2 0 秒，以 铸型温度为1 2 0 。c 为时间记录零点。以下图中，纵坐标表示温度以。c 为单位，横坐标表示时间，以秒为单位。 倒 氓 骆 刨 娟 i2 04 06 08 01 0 01 2 0 1 4 0 1 6 0 时间( s ) 图2 - 6 第一截面测试点( o 一2 ) 温度随时闻变化曲线 o 8 7 6 5 4 3 2 二 西华大学硕士学位论文 8 0 0 7 0 0 6 0 0 警5 0 0 赔4 0 0 瑙3 0 0 娟2 0 0 1 0 0 0 02 04 06 08 0l o o1 2 01 4 01 6 0 时间( s ) 图2 7 第二截面测试点( 3 5 ) 温度随时间变化曲线 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 0 ，2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 时间( s ) 图2 - 8 第三截面测试点( 6 娟) 温度随时间变化曲线 1 7 习到 越啦猎v谜赙一 西华大学硕士学位论文 8 0 0 7 0 0 ，、6 0 0 簧5 & o 酝4 0 0 赵3 0 0 娟2 0 0 i 0 0 o 02 0 4 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 时间( s ) 图2 - 9 第四截面测试点( 1 0 1 2 ) 温度随时间变化曲线 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 。：o4 06 08 01 0 01 2 01 4 0 1 6 0 时间( s ) 图2 1 0 第五截面测试点( 1 3 1 5 ) 温度随时间变化曲线 1 8 似m 峙一 ；| 巡迓骚煺卿一 耍兰查堂塑圭主焦丝苎- 一 时间( s ) 图2 - 1 1 第六截面测试点( 1 缸1 9 ) 温度随时间变化曲线 上图2 ，6 到图2 1 1 记录的是六个截面上各测点随时问的变化曲线， 它表明各测点的温度随时问的变化规律，即在浇注后2 0 秒内各测点的温 度急剧上身至最大值，然后在较短时间内( 不超过3 0 秒) 急剧降温后 以较慢的速度降温。 萄2 - 1 2 减震简沿径向的温度场分布( 第一截面) 0 o 0 o 旧旧旧o 删洲锄加m 巡暇孵u 越赠 西华大学硕t 学位论文 8 0 0 7 0 0 6 0 0 毯5 0 0 忸 嘣4 0 0 越3 1 0 赠 2 0 0 l0 0 0 削 皿 鞲 v 赳 贿 9 i 9 ( i n l n ) 图2 1 3 减震筒沿径向的温度场分布( 第二截面) 图2 1 4减震筒沿径向的温度场分布( 第三截【) 8 0 0 7 0 0 6 0 0 龛5 0 0 蕞。o o v 髫3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 西华大学硕士学位论文 图2 1 5 减震筒沿径向的温度场分布( 第四截面) 篡 5 0 0 争 鹾 ，? 。 o f 二2 i i - 一4 0 s l 。，6 0 s l 一 一8 0 s | 卜一鬟一1 0 0 s l + 1 2 0 s 1 l + 一1 4 0 s 【一1 6 0 s 1 图2 1 6减震筒沿径向的温度场分布( 第五截面) 西华大学硕士学位论文 匹 警 蓊 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 图2 1 7 戈震筒沿径向的温度场分布( 第六截面) 从图2 。1 2 到图2 1 7 是减震筒各截面测试点沿半径方向的温度场分 布，横坐标表示的是测试组上的点到减震筒外壁距离，横坐标为0 时表 示的是减震筒中心轴上的点，横坐标为1 9 表示的点位于铸型内壁与减 震筒外壁界面处。从上述图可以看出，六个截面沿径向上的温度变化具 有完全相似的分布规律，、即在任意的时刻，铸件中心具有最高温度，而 与金属型接触的外表面温度最低。温度测试组从第一截面到第六截面共 六个截面的最大温差分别是是8 5 。c 、2 5 。c 、1 1 3 。c 、2 5 1o c 、8 7 0 c 、 1 9 4 。t 7 7 、这表明，减震筒的在浇注凝固过程中，热流向表面流动，有较 大的径向热流，从而形成了由外向内的顺序凝固。 西华大学硕士学位论文 图2 1 8 减震简沿轴向温度场分布( 内层轴向) 图2 - 1 9减震筒沿轴向温度场分布( 中层轴向) 西华大学硕士学位论文 8 0 0 7 0 0 6 0 0 越5 0 0 戗 蟾4 0 0 蓍。0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 01 3 517 52 2 02 6 0 ( 皿n ) 图2 2 0减震筒沿轴向温度场分布( 外层轴向) 图2 。1 8 到图2 。2 0 表示的是减震筒沿中心轴方向温度场分布，横坐 标表示的是到冒口阳距离。可以看出，沿减震筒轴向的温度在每一层上 也有着相似的分布规律，即离浇口近的地方温度高，远离冒口的地方温 度低，由端部向尾部逐渐下降的温度变化。尤其是离茸口晟远的减震筒 尾部温度达到最低，沿轴向形成了一个由中心向端部逐渐下降的轴向温 度分布。特别是- ，在靠近尾部段沿轴向的温度下降明显增大，与减震 筒端部有明显的温差。这表明，减震筒凝固过程中，尾部的激冷作用是 一个不容忽视的因素。测试结果还表明，除了沿径向铸型壁流动较大热 + 流外，还有轴向流动。 西华大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章在实验室条件下，采用日本y o d a c 8 型8 0 通道温度巡检 仪，对嘉陵1 0 0 型摩托车减震筒凝阎成型过程温度场进行了测试，并 从半径方向和轴向方向对减震筒温度场变化进行了初步的分析。作者 初步分析认为： 在实验室条件下，铸型的预热温度较低，未采用冷却水进行冷却， 减震筒沿径向的传热路径短，温度梯度大，而沿轴阳温度梯度相对要小 一些。但该模具在实际生产工况下，在径向布置有冷却水道，并采用水 冷。因此，减震筒在实际生产工况时温度梯度还要大很多。根据凝固过 程补缩原理，沿轴向的补缩通道可能过早的被堵塞，不利于自上而一p 的 补缩。据此原因，并结合日本近年来采用水冷铜型浇注汽车中小型球铁 零件的成功经验，可以得出以下结论： 1 ) 摩托车减震筒在实际生产的工况下，模具的底部三分之- - n 四 分之 高度，可以用水冷铜型，而布置于模具径向周围的冷却水应该取 消。 2 ) 该模具型腔表面可以采用递增的涂料层厚度，因此，在设计模 具时，该模具型腔表面预留出该涂料层厚度，至下而上，逐渐增大，并 与涂料层厚度尺寸相适应，以形成符合图样要求的减震筒外轮廓尺寸。 当然鉴于时间及实验条件，该工作有待以后开展。 西华太学硕一b 学位论文 第三章凝固过程数值模拟理论 基础及算法 3 1 各种数值模拟方法比较 2 s l - m 常用的数值模拟方法有三类：有限差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 和边界元法佃x m ) 。 有限差分法是从微分方程出发，将求解区域经过离散处理后，近似 用差商代替微商，将微分方程和边界条件的求解归结为求解一个线性方 程组，从而得到数值解。缺点是局限于规则的差分网格，如正方形、矩 形或正三角形网格等。 它只看到了节点的作用，对于把节点连接起来的单元是刁i 予注意 的。而正是这些单元，它们是形成整体的基本细胞，在各节点温度的计 算过程中，单元会起到自己应有的“贡献”。有限元恰恰是抓住单元的 “贡献”，使得这种方法具有很大的灵活性和适用性。有限元法既吸取 了有限差分法中离散化处理的内核，又继承了变分计算中选择插值喊素 并对区域积分的合理方法，在有限元法中，插值函数的定义和积分的计 算范围，不是整个区域，而是从区域