（材料加工工程专业论文）镁基复合材料流变成型的数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高，具有良好的尺寸稳定性和优良 的铸造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料。此外， 这种材料还具有优良的阻尼减震、电磁屏蔽等性能，在汽车制造工业中用作方 向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳材料等。同时，也能作为通讯电子产 品中的手机、便携电脑等外壳材料。 压铸是镁合金成型的主要工艺，但利用传统的压铸技术压铸镁合金，与压 铸其他合金一样，由于其具有高速、高压及充填时间短的特点，造成压铸件易 发生填充不良、气孔、涡流、凹陷、热裂及模具寿命低等缺陷。镁合金半固态 流变或触变压铸工艺有利于消除这些缺陷，提高压铸件的内在质量。 目前对镁基复合材料半固态压铸时的充型规律、充型性能等了解甚少，因 此，亟需进行这方面的研究。传统的压铸品质改善方法主要通过经验法和试误 法来求得较适当的生产工艺参数，但是，这些方法需要反复的试验，既费时又 难以保证获得最佳的生产工艺参数。借助于国际公认的数值模拟技术，不仅能 较准确的描述铸液的充型过程，而且能预测铸件内部的成型缺陷等。 本文使用机械搅拌法制备了m 9 2 s i a m 6 0 复合材料的半固态金属浆料，并 在此研究基础上建立了表观粘度流变模型，然后以v s 2 0 0 5 软件为平台进行了 f l o w - 3 d 的二次开发，重新编译运行程序并得到了新模型下半固态压铸优于普通 压铸的结论。再使用f l o w - 3 d 通过工艺参数的三因素( 压射速度、浇注温度、 模具温度) 三水平l 9 ( 3 3 ) 多组正交实验，以圆盘件为例进行新模型下半固态 工艺模拟和分析，进而可从多组试验参数中找出最优的压铸工艺参数。对充型 和凝固过程中的速度场、温度场和压力场及缺陷分布状况进行详细对比分析， 针对缩孔、缩松等缺陷形成机理及出现的位置，发现模拟结果与实际压铸结果 十分吻合，从而进一步验证了f l o w - 3 d 模拟仿真软件对压铸过程的真实再现能 力，同时验证了该模型的正确性和可行性。通过计算机的数值模拟可以评价及 优化工艺参数，从而实现缩短镁基复合材料压铸件的试制与工艺定型周期，进 而生产出品质优良的产品。 关键词：压铸；数值模拟：工艺优化；二次开发；镁基复合材料；半固态 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，p o s s e s s i n gs m a l ld e n s i t y , h i g hs t r e n g t ht od e n s i t y r a t i o sa n ds t i f f n e s st od e n s i t yr a t i o s ，a n dg o o dd i m e n s i o ns t a b i l i t ya n de x c e l l e n t c a s t a b i l i t y , a r eb e c o m i n gt h em o s tv i e wt ou s eo fc o m p o s i t e si nt h ef i e l do fm o d e m l l i g h - t e c h n o l o g y i na d d i t i o n , i ta l s op o s s e s st h ep r o p e r t i e so fe x c e l l e n td a m p i n g v i b r a t i o na t t e n u a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ，a n dy e tu s e da sd a m p i n ga x i so f s t e e r i n gw h e e l ，p i s t o nr i n g ，s t e n t ，c a s em a t e r i a lo ft r a n s m i s s i o na n dt h ec o n f i n i n g m e d i u mo fm o b i l e p h o n eo fc o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i cp r o d u c t n o wd i ec a s t i n gi st h em o s t l yt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o yp r o c e s s i n g ，b u tt h e t r a d i t i o n a ld i ec a s t i n gt e c h n i q u ei ss a m ef o rm a g n e s i u mt oo t h e r sa l l o y s ，t h es a m e d e f e c t sf o rp o o rf i l l i n g ，b l i s t e r s ，v o r t e x ，s u n k e n , h o tc r a c k i n g ，l o wm o u l dl i f ee t e ，w h i c h a r ec a u s e db yt h eh i g hs p e e d ，h i g hp r e s s u r ea n ds h o r tf i l l i n gt i m eo fd i ec a s t i n g p r o c e s s ，c a n b ea v o i d e da n dt h ei n h e r e n tq u a l i t yb ei m p r o v e db yd i ec a s t i n g t e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o yr h e o c a s t i n go rt h i x oc a s t i n g b u tt h ec a v i t yf i l l i n gm e t h o da n dc a v i t yf i l l i n gc a p a b i l i t ya n do t h e rm e t h o d so f m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e ss e m i - s o l i dd i ec a s t i n ga r e n tu n d e r s t o o dt o t a l l y , i t s d e s i d e r a t et od os o m er e s e a r c h e si nt h e s ef i e l d t r a d i t i o n a l l y , t h eo p t i m u md e s i g no f p r o c e s sp a r a m e t e r s w e r eo b t a i n e du s i n g e x p e r i e n c e l a wo rt r i a la n de r r o r m e t h o d ，w h i c hh a v e b e e nv i e w e da sl o we f f i c i e n c ya n dt h er e s u l tc a nn o tb e g u a r a n t e e d b yt h ea i d e do fi n t e r n a t i o n a lr e c o g n i z e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e w ec a nn o to n l ya c c u r a t ep i c t u r et h ec a v i t yf i l l i n gp r o c e s sa l s oc a n p r e d i c tm o u l d i n g f a u l ta m o n gt h ed i ec a s t i n ge ta 1 i nt h i sp a p e r , s e m i s o l i ds l u r r ym 9 2 s i a m 6 0m a t r i xc o m p o s i t e sw a sp r o d u c e d b ym e c h a n i c a ls t i r r i n g ，a n de s t a b l i s h e dt h ea p p a r e n tv i s c o s i t yr h e o l o g i c a lm o d e l t h e n s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ff l o w - 3 dc a r r i e do u t o nt h e p l a t f o r m o fv s 2 0 0 5 s o f t w a r e ，a n dr e c o m p i l e dt h eo p e r a t i o np r o g r a m a f t e rt h a tt a k i n gc i r c u l a rd i s ca sa l l e x a m p l et op r o c e e dt h r e s sf a c t o r s ( p l u n g e ri n j e 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 ，m o u l d t e m p e r a t u r e ) a n dt h r e el e v e l s1 - , 9 ( 3 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n tb yf l o w - 3 ds o f t w a r e a n d f i n dt h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r 、析t ht h eh e l po f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h e n i i a b s t r a e t m a k em o r ed e t a i l e da n a l y s i sa b o u tf l u i d ，t e m p e r a t u r e ，s t r e s s ，a n dd e f e c td i s t r i b u t i o n b v d e t e r m i n i n gf o r m i n gm e c h a n i c sa n dp o s i t i o no fd e f e c t so fc o r r u g a t i o n , s h r i n k a g e p o r o s i t yi ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n ge t c ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tt a l l i e sw i t ha c t u a l d i e 。c a s t i n gr e s u l t , s oa c t u a lr e a p p e a r a n c ec a p a c i t yo ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo f f l o w - 3 db ev a l i d a t e d ，b e s i d e s f u l l yv a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s s a n df e a s i b i l i t yo f m o d e l p r o c e s sp a r a m e t e r sc a i le v a l u a t i o na n d o p t i m i z a t i o nt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n dh e l ps h o r t e nt h et r i a lp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g yt y p i n gc y c l eo f m a g n e s m mm a t r i xc o m p o s i t e sc a s t i n g ，o fc o u r s e ，m a k eb e t t e rc a s t i n g s k e yw o r d s ：d i e c a s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o c e s s o p t i m i z a t i o n ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ；m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ；s e m i s o l i d i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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j j j j , d l ：i 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 为获得直昌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。 学位论文作者签名( 手写) ：橼件签字日期：卵年乡月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做储躲掷缈导师躲 签字日期： 夕7 年f 月7 日 签字日期： j 月矿日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类运用复合材料的历史可以追溯到数千年前，但现代意义上的复合材料 则发源于本世纪四十年代出现的玻璃纤维增强塑料，即通常所说的玻璃钢。由 此开始，特性各异的增强体和基体被有意识地复合成整体，使其具备原有单一 组分所不具备的性能。与常规材料相比，复合材料的最大优点是其性能具备可 设计性，可以根据应用对象与环境的要求，通过选择适当的基体与增强体，改 变增强体分布以及调整二次加工工艺等手段进行设计【l 】。 六十年代初，出现了新一代高性能复合材料( 先进复合材料) ，其增强体为 连续的碳纤维、石墨纤维、硼纤维等，基体是以环氧树脂为代表的高聚物。先 进复合材料的性能较玻璃钢有了明显的提高，如其比强度、比模量均较高，但 高聚物基体的使用上限温度较低，难以满足较高工作温度条件下的使用要求， 同时存在老化降解问题，因而这类复合材料仅能用作低温度场合下的结构材料。 随着工业技术的进步，针对树脂基复合材料的不足之处，开发了以金属铝、镁、 钦及其合金等为基体的金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s m m c s ) ，这类 材料具备耐高温、抗湿热、尺寸稳定性良好、在使用时不放出气体、不老化等 优异的性能。 金属基复合材料【2 d o 】起源于2 0 世纪5 0 年代末期或6 0 年代初期。近年来， 金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展非常迅速，早期的研究工作重点主 要集中在连续纤维增强物，但由于连续纤维的成本高，复合材料制备工艺难度 大，从而限制了它的研究与发展。与连续纤维增强金属基复合材料相比，非连 续纤维增强金属基复合材料具有成本低，制备工艺简单等特点，已经逐渐成为 国内外金属基复合材料领域的研究重点。其中陶瓷颗粒( 如s i c 颗粒) 增强金 属基复合材料( p r m m c s ) 更具有吸引力。 当前，金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展很快，但仍处在研究阶 段，还未进入批量生产，少量产品虽有制品，但距离实际应用还有一段距离。 同时，金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时，却大大地降低了其 第一章绪论 塑性，不利于对复合材料二次塑性加工。但随着半固态成形技术和理论不断成 熟与发展。为金属基复合材料的半固态成形开拓了新的发展方向。 金属基复合材料按增强方式，可分为连续纤维增强和非连续纤维增强两大 类。连续纤维增强金属基复合材料是利用高强度、高模量、低密度的碳( 石墨) 纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、金属合金丝等增强金属基体，组成 高性能复合材料。通过基体、纤维类型、纤维排布方向、含量、方式的优化设 计组合，可获得各种性能。在纤维增强金属基复合材料中纤维具有很高的强度、 模量，是复合材料的主要承载体，增强基体金属的效果明显。基体金属主要起 固定纤维、传递载荷、部分承载作用。连续纤维增强金属基复合材料因纤维排 布有方向性，其性能有明显的各向异性，而且制造过程难度大、制造成本高。 非连续纤维增强金属基复合材料是由短纤维、晶须、颗粒为增强物与金属 基体组成的复合材料。增强物在基体中随机分布，其性能是各向同性的。非连 续增强物的加入，明显提高了金属的耐磨、耐热性能，提高了高温力学性能、 弹性模量，降低了热膨胀系数等。非连续增强金属基复合材料最大的特点是能 够以常规的粉末冶金、液态金属搅拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渍等方 法制造，并可用铸造、挤压、锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制 造方法简便，制造成本低，适合于大批量生产，在汽车、电子、航空、仪表等 工业中有广阔的应用前景。 在金属基复合材料中，由于镁合金质量轻，价格低，来源广，所以镁基复 合材料逐渐受到人们的重视和利用。复合材料的性能是由基体金属、增强相以 及两者的结合状态、增强相在材料中的分布状况等因素决定的，其中，基体与 增强相的结合状态和增强相在材料中的分布状况对复合材料的性能起着重要的 作用，而这些又决定于制备工艺。因此，对颗粒增强镁基复合材料的研究要注 重于制备技术。且镁合金材料是轻质材料中最好的一种。它以压铸件形式进入 汽车领域也已经5 0 多年【l l 】。镁合金以其密度小，受到汽车工业的青睐【1 2 。1 3 1 。以 美国福特汽车公司为例，目前镁合金用量超过1 2 0 0 0 t ，到2 0 1 0 年，计划增至 8 5 0 0 0 t ，以满足汽车减少质量的需要。当前轿车主要用量大约为3 s k g 车，为车 质量的0 2 。 颗粒增强金属基复合材料常用的制备技术有：搅拌铸造法、原位反应法和 2 第一章绪论 粉末冶金法等制备工艺。与其它的制备工艺相比，搅拌铸造法工艺简单，操作 方便，可以生产大体积的复合材料( 可到达5 0 0 k g ) ，设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但由于常规铸造法制备金属基复合材料易存在以下缺陷：如 气孔、疏松、润湿性差和增强颗粒的不均匀，从而限制了该工艺的广泛使用。 当今，金属基复合材料的成形工艺及理论研究发展很快，但仍处在研究阶 段，还未进入批量生产，少量产品虽有制品，但距离实际应用还有一段距离。 金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时，却大大地降低了其塑性， 不利于对复合材料二次塑性加工。但随着半固态成形技术和理论不断成熟与发 展，为金属基复合材料的成形提供了新途径 1 4 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等 1 5 j 研究人发现了金属 在凝固过程中的特殊行为，并进行了深入的研究，从而发展成为半固态金属加 工技术( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m 。所谓半固态加工技术就是将坯 料预先处理成具有细小、球形、非枝晶组织( 固相颗粒与液相共存的球状组织) ， 然后进行加工成形的一种方法。与传统的金属基复合材料制备和成形相比，采 用半固态加工技术具有以下优点： ( 1 ) 半固态金属浆料具有很好的表观粘度，有利于增强相的加入。 ( 2 ) 制件微观组织细小，增强颗粒分布均匀，气孔和疏松少。 ( 3 ) 减少增强体与基体之间发生大量的界面反应。 ( 4 ) 加工温度低，模具热负荷小，从而使模具寿命延长。 ( 5 ) 成形力小，充型能力强，可以获得净近成形( n e a r - n e t - s h a p e ) 复杂制 堆【1 6 1 7 】 l _o 1 2 课题的依据、研究意义及社会经济效益 课题的依据 金属基复合材料起源于2 0 世纪5 0 年代末期或6 0 年代初期。近年来，金属 基复合材料的制备工艺及理论研究发展非常迅速，早期的研究工作重点主要集 中在连续纤维增强物，但由于连续纤维的成本高，复合材料制备工艺难度大， 从而限制了它的研究与发展。与连续纤维增强金属基复合材料相比，非连续纤 维增强金属基复合材料具有成本低，制备工艺简单等特点，已经逐渐成为国内 3 第一章绪论 外金属基复合材料领域的研究重点。特别是以镁合金为基体材料的颗粒复合材 料。 金属基复合材料的性能、特点、应用和制造成本等在很大的程度上取决于 金属基复合材料的制备工艺和方法。目前，金属基复合材料的制备工艺和方法 可分为：搅拌铸造法( 液态搅拌法和半固态搅拌法) 、粉末冶金法、原位生成法、 挤压铸造法和喷射成形法等。 当前，金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展很快，但仍处在研究阶 段，还未进入批量生产，少量产品虽有制品，但距离实际应用还有一段距离。 同时，金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时，却大大地降低了其 塑性，不利于对复合材料二次塑性加工。但随着半固态成形技术和理论不断成 熟与发展，为金属基复合材料的半固态成形开拓了新的发展方向。a m 6 0 镁合金 研究成果非常少，采用机械搅拌法制备m 9 2 s i a m 6 0 镁基复合材料及其数值模拟 更少。 研究意义 镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高，具有良好的尺寸稳定性和优良 的铸造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料。美国 海军卫星上采用了镁基复合材料制造支架、轴套、横梁等结构件，其综合性能 优于铝基复合材料。此外，这种材料还具有优良的阻尼减震、电磁屏蔽等性能， 在汽车制造工业中用作方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳材料等。同 时，也能作为通讯电子产品中的手机、便携电脑等外壳材料。在各种金属材料 中，镁因其储量丰富、密度低、阻尼性能优异，已成为当前金属阻尼材料的研 究重点。 近年来，随着计算机数值模拟技术的不断改进，计算机模拟技术作为产品设 计、生产、加工等主要的辅助手段，其应用范围不断扩大，已开始应用于半固态镁 合金成形。在低固相率( 5 0 - - 一6 0 ) 时，半固态金属的性质主要是流变特性； 国内外不少学者对半固态金属加工过程模拟进行了大量研究工作，但绝大部分 数值模拟是针对半固态铝合金，镁合金半固态数值模拟相对较少。 综上所述，本课题的研究在社会、经济与科研方面都有重大的实践与理论 意义。实验结果将有助于指导半固态镁基复合材料的工业化生产，实现镁基复 合材料半固态成形过程计算机模拟的准确性和实效性，丰富镁基复合材料的理 论研究成果。 4 第一章绪论 社会经济效益 我国具有丰富的镁资源，原镁产量和出口均居世界首位。在镁、镁合金和 镁基复合材料的研究和应用领域，我国与欧美等发达国家之间的差距还相当大， 另一方面，我国的原镁质量差，镁合金锭的质量也不尽如人意，出口缺乏竞争 力，作为结构材料应用的镁在国内的消耗量又很少，只能作为初级原料低价出 口，属典型的资源出口型工业。因此，如何利用我国的镁资源优势，将镁的资 源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展、增强我国镁行业的国际竞 争力，是摆在我们面前的迫切任务。 半固态技术被认为是2 l 世纪金属制造的新兴技术之一。目前，半固态技术 主要围绕着纯金属及其合金( 铝、镁) 的制备和成形、基础理论和工业应用等 方面进行研究。而将半固态技术应用于金属基复合材料方面的研究成果相对比 较少。 本研究将半固态技术应用于镁基复合材料制备之中，并且运用半固态技术 来解决镁基复合材料的二次塑性加工难的问题，该研究结果不仅可以丰富镁基 复合材料的研究领域，而且对该复合材料在工业上的应用具有指导意义。 综上所述，本课题的研究在生产与科研方面都有重大的实践与理论意义。 1 3 课题来源及论文主要研究内容 课题来源 、 本课题研究得到了国家自然科学基金( 5 0 7 6 5 0 0 5 ) “颗粒增强镁基复合材料半 固态触变塑性成形研究 、江西省教育厅重点项目( g j j 0 9 0 1 1 ) “镁基复合材料流 变成形研究、江西省教育厅项目( 赣教技字 2 0 0 6 1 2 2 号) “汽车压铸件半固态镁 合金复合材料开发研究及江西省科技厅项目( s 0 0 5 3 5 ) “镁合金半固态成型模拟 软件的研制 的资助。 研究内容 本文以a m 6 0 合金为基体，得到镁基复合材料模型并进行数值模拟。主要 研究内容： l 、利用实验室自行设计的实验设备采用机械搅拌制备半固态m 9 2 s i a m 6 0 镁基复合材料并简要推导其表观粘度流变模型； 2 、在建立的表观粘度流变模型基础之上，以v s 2 0 0 5 软件为平台进行了 5 第一章绪论 f l o w 3 d 的二次开发，重新编译运行程序； 3 、以m 9 2 s i a m 6 0 镁基复合材料模型为基础，在半固态和液态条件下进行 数值模拟，比较新模型下材料的充型性能； 4 、通过工艺参数的三因素( 压射速度、浇注温度、模具温度) 三水平l 9 ( 3 3 ) 多组正交实验，对圆盘件进行半固态工艺参数模拟，并对温度场、压力场 及缺陷分布状况进行分析。 6 第二章压铸法及数值模拟理论 第二章压铸法及数值模拟理论 2 1 压铸概述及压铸法介绍 压铸法是高温下将熔融的合金熔液以高压高速压入精密压铸模具内，在短时 间内大量生产高精度而铸面优良的铸造方式，在美国称压铸“d i ec a s t i n g , 英国则 称“p r e s s u r e d i e c a s t i n g 。虽然生产工具十分昂贵，制作费时，但其生产率高， 寿命长、品质佳、精度高使得压铸成为大量生产金属零件最经济的方法，诸如 汽车、机车、船舶、飞机等所需的零件，多以此法制得。 按照压铸机的压室是否浸在金属液中，压铸方法分为冷室压铸法与热室压 铸法两种，冷室压铸法主要用于高温压铸合金，如铝、铜、镁等合金，热室压 铸法则用于低温压铸合金如锌、铅、锡等合金。热室压铸法( h o tc h a m b e rd i e c a s t i n g ) 的熔炉装在压铸机内，合金溶液从炉内直接进入注射缸，通过高压，经 喷嘴管送入模穴内，待台金凝固后顶出。如图2 1 所示。冷室压铸法( c o l dc h a m b e r d i ec a s t i n g ) 的熔化炉与压铸分离，合金溶液以勺子或其他进料装置送入射料套 筒内，再以柱塞的高压力压入模穴内，待合金溶液凝固后项出，如图2 2 。 卜一浇口2 _ 一压室3 一加热炉4 一喷嘴 图2 1 热室压铸机 f i 9 21h o tc h a m b e r d i e c a s t i n g m a c h i n e 压铸法有以下的特性： 1 一顶杆2 一金属铸型3 一活塞 凹2 2 冷室压铸机 f i 9 22c o l dc h a m b e r d i ec o s t i n g m a c h i n e l 、高速充填：当熔融的金属通过浇口时，其速度通常在3 0 m s 到6 0 r i d s 之 间。由于速度很高造成金属成雾状喷出，当这些微粒与金属模具表面接触时 便立即固化，形成一层致密的表面，使得压铸件的表面平滑。 第二章压铸法及数值模拟理论 2 、充填时间很短：由于熔汤是以高速射入模具，所以通常只要几毫秒到几 十毫秒的时间就可将模穴充满，加上熔汤的冷却速度快，使得压铸成为铸造方 式中最适合大量生产的方法。 3 、高压：在熔汤充满整个模穴后，通常压铸机会继续施予一定的压力，在 热室机通常在9 0 , - - 一5 0 0 m p a ，而冷室机则在1 7 0 - ，2 0 0 0 m p a 。由于高压，使得铸 件的尺寸精度良好。 4 、熔汤的冷却速度快：由于压铸使用金属模，因此冷却速度快。加上高压 使铸件与模壁接触良好，亦使热传导良好，有助冷却。冷却速度快的结果是使 铸件的结晶组织细化，使得机械性质良好。 由于压铸方法具有上述的特性，因此具有生产性高，尺寸精度优良，后加 工量少，铸件表面平滑，机械强度高等特点。但是由于熔汤是以高速射入模穴， 不可避免的会卷入空气，使得铸件内常有气孔，降低机械强度，因此以往压铸 件通常不做结构件用。为了改善此一问题，因此有真空压铸、低速充填等方法 的产生。 典型的压铸件毛坯主要包括：浇注系统( 由直浇道、横浇道、内浇e l - - - 部 分组成) 、铸件、排溢系统( 排气道及溢流块) 等三部分组成，具体结构示意如 图2 3 所示。 内浇口 ( g _ 钯) 毋i t - u i t ) 图2 3 压铸件各部分名称 f i g 2 3n a m e so fc a s t i n gc o m p o n e n t s 8 第二章压铸法及数值模拟理论 2 2 压铸用镁合金的材料特征 2 2 1 镁合金的命名方式 以a m 6 0 b 为例。第一部分：指前两位英文字母组成，代表组成该合金的首 个主要合金元素代号，第一个字母代表是主要合金元素，第二个字母代表次要 合金元素，表2 1 为镁合金元素的命名的代号表，其他含量较少的合金则不表示 出来。第二部分：指第3 、4 位由阿拉伯数字组成，第三位的阿拉伯数字代表最 主要合金元素的含量( w t ) ，第四位代表次要合金元素的含量( w t ) 。第三 部分：指最后的英文字母，代表该合金的级别( 即该合金的纯度或适用的场合) ， 通常为a 、b 、c 、d 、e 其中一种，越后通常代表所允许的杂质含量越低。依此 原则，a m 6 0 b 代表的是含a 1 6 、m n 小于1 的b 类镁合金。 表2 1 镁合金元素命名的代号表 t a b l e 2 1c o d eo fa d d e de l e m e n t si nm a g n e s i u m 2 2 2 压铸用镁合金的材料特性 从表2 - 2 中可知，主要添加元素铝成分越多的合金，其热传导率及电导率会 越低，而液相线的温度则随之下降。镁合金是所有合金中比重最轻的金属，其 比重为1 8 1 ，仅仅是铝合金比重的2 3 、锌的1 4 、钢的1 5 。本研究中模拟用的 是a m 6 0 镁合金为基体的材料。 表2 2 压铸用镁合金的物理性质 t a b l e2 2t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fd i ec a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y 密度 热导率热彭胀系 比热 潜热圃相线液相线 合金名 g c m 3 w m l k 1 数x 1 0 6k j ( k 9 1 k 1 )k j k g l a z 9 l d1 8 l5 12 61 0 53 7 06 9 35 9 8 a m 6 0 b1 7 96 22 5 61 0 53 7 05 4 06 1 5 a m 5 0 a1 7 76 52 61 0 53 7 04 3 56 2 0 a m 2 01 7 59 42 61 0 53 7 04 0 5 6 3 8 9 第二章压铸法及数值模拟理论 2 3 铸造过程数值模拟技术发展概况 铸造过程计算机建模与仿真是信息科学、材料科学、工程力学及计算机图 形学等各种学科的交叉，是国际公认的先进制造科学的重要前沿领域及使用技 术，是当今世界各国专家学者关注的热点【1 8 】。铸造凝固过程的模拟仿真可以帮 助工程技术人员科学预测液体金属充型过程、凝固过程中的温度场和应力场以 及宏观缺陷和微观组织等，从而能够对铸造过程所涉及的设备参数、工艺方案 等做出最优的决定，达到优化工艺设计、确保零部件质量、缩短产品试制周期、 降低生产成本、提高铸造生产的经济效益和产品的竞争能力的目的【1 9 2 l 】。 铸件凝固过程数值模拟开始于2 0 世纪6 0 年代，丹麦人k f o r s u n d 最早采用 有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算【2 2 】。而第一次成功的应用则属于三年 后美国专家g j h e n z e l 和g j k e v e r i a n 对汽轮机内缸体铸件进行的数值计算【2 3 1 ， 其温度场的计算结果与实测值相当接近。他们的成功使研究者意识到用计算机 数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广阔的前景，由此开辟了铸件 凝固过程数值模拟的先河【2 4 】。 2 0 世纪8 0 年代是数值模拟研究最为活跃的时期，代表性的研究工作包括： 1 9 8 4 年e r s a h m 和p n h a n s e n 及其合作者在德国所做工作【2 5 】，1 9 8 4 年j t b e r r y 和j a m b o u l c t 在美国所做工作1 2 6 1 ，以及1 9 8 7 年日本的i o h n a k a 及其同事的研 究工作【2 7 】。 经过数十年的努力，铸造过程的温度场数值模拟及缩孔缩松预测、充型过 程模拟、应力分析、微观组织预测等方面的关键技术研究及实用化进程方面都 取得了突破性进展，已经进入工程实用化阶段，铸造生产正从只凭经验走向科 学理论指导阶段【2 引，国内外均有商品化软件或提供网络化技术服务。我国在这 一领域得到了国家8 6 3 c i m s 领域的资助，在国际铸造界已占有一席之地。 2 3 1 温度场数值模拟 1 9 8 8 年5 月在美国佛罗里达州召开的第4 届铸造和焊接的计算机数值模拟 的会议上，有l o 家单位参加了会议组织的模拟斧锤型铸件的凝固过程热场比赛。 会议要求参赛者按照同一图纸各自进行温度场计算，并按照一定格式绘出指定 测点的冷却曲线，在会场上与实测曲线进行比较。参加比赛的有：德国的 e r s a h m 教授，丹麦的e d h a n s e n ，日本的大中逸雄和新山英辅教授，美国通 用机械公司，芬兰技术研究中心等。从参赛者的模拟结果看，基本与实测接近， 1 0 第二二章压铸法及数值模拟理论 误差在2 0 以内。 可以看出，凝固过程温度场模拟已达到较高水平，知名大学和公司都有相 应的模拟软件，如德国的m a g m a s o i t ，美国的p r 0 c a s t ，日本的s o l a n ，丹 麦的o e o m e s h 等，模拟结果接近实测。有的几乎与实测完全吻合，如日本新山 英辅的模拟结果吻合相当好，反映了温度场的计算己较为成熟 2 9 1 。 现在这一领域的主要工作是选择正确的边界条件和合金热物性参数，提高 模拟精度。另外，扩展应用范围，包括在不同合金和不同工艺条件下的应用。 2 3 2 充型过程的数值模拟 自2 0 世纪8 0 年代起，充型过程模拟开始兴起，1 9 8 3 年美国芝加哥大学的 s t o e h r 教授及其学生黄文新率先模拟了充型流动过程 3 0 - 3 1 1 。1 9 8 5 年s t o e h r 教授 采用s m a c 的方法模拟了滑轮的充型过程，其模拟结果与丹麦i n g e s l i v e 采用高 速摄影的结果进行比较，结果表明模拟与实验吻合良好【3 2 1 。 与温度场数值模拟相比较，由于流场涉及自由表面、流动中的速度和压力 以及紊流等更多方面的问题，尤其求解压力场是最消耗时间的，在实际应用中， 往往难以满足工艺分析人员的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就变成 了一个非常重要的问题。在此领域，已经进行了大量的研究，在数学模型的建 立、算法的时限、计算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充 型过程数值模拟的发展已经进入工程实用化阶段【3 3 1 。 2 3 3 应力场的数值模拟 早在2 0 世纪6 0 年代，科学工作者就开始采用解析的方法对铸锭凝固壳进 行应力模拟，随后在此领域进行大量的数值模拟研究，尤其是近些年，随着热 分析技术的逐步成熟，凝固过程的应力场数值模拟得到了快速发展。 目前的应力模拟主要针对铸件残余应力和残余变形的分析，现在已经历了 三个阶段：自主开发程序阶段、采用通用有限元分析软件加入应力应变本构关 系模型或边界条件处理模型阶段、铸件凝固模拟专用软件阶段【3 4 】。 由于热应力产生在准固态区，金属处于粘塑性和弹塑性范围内，具有复杂 的传热过程，涉及与凝固和收缩有关的界面传热、塑形蠕变、应力场与流体流 动、热传递的耦合作用、铸件铸型相互作用、微观组织的影响【3 5 】等诸多问题， 因而应力计算的数学模型至今仍不完善。另外，热应力和残余应力的测试、合 第二章压铸法及数值模拟理论 金在固液两相区及固相线以下高温力学性能测试也有许多困难，使得应力场的 数值模拟局限在简单铸件或者进行相当程度的假设基础上，距离实现真正的应 力场模拟还有相当大的距离。 从计算方法角度讲，应力场模拟一般认为应采用有限元方法，但国内外专 家在有限差分有限元结合方面作了许多工作，积累了一定经验，已经达到商品 化程度。 2 3 4 微观组织的数值模拟 铸件凝固微观组织数值模拟有助于克服数学解析和试验研究的困难，解释 凝固微观组织形成机制，另一方面，可以预测和控制铸件的组织和性能，在理 论研究和工程应用上具有重要意义。目前，凝固微观组织模拟已成为铸造工艺 计算机仿真的主要发展方向【3 们。 国外在微观组织数值模拟方面的研究进行的比较早，已经提出了很多方法 和模型来预测合金的形核和长大过程，研究对象包括铝合金、镍基合金、球墨 铸铁等，但是距离实际应用还有距离。今天的微观组织模拟技术是建立在宏观 模型( 如传热、传质和动量传输) 与微观晶体形核生长耦合基础上的 3 7 1 ，耦合 过程考虑了结晶潜热的释放与过冷现象。这一领域的发展前景在于逐步改进模 型、改善算法来计算低过饱和度和小过冷度时的枝晶生长过程，同样在定向凝 固方面的应用也颇具吸引力1 3 8 l 。 2 3 5 其它领域的数值模拟 最初的数值模拟以铁基材料砂型铸造数值模拟为主体，随着汽车、航空、 航天、国防等支柱和基础工业的发展，必须进行新材料( 铝、钛、镁等高比强 合金) 的精确成形技术，这些新技术必须建立在成形过程模拟仿真的基础上才 能实现高质量、短周期、低成本的最优结果。由此带动了精确铸造成形数值模 拟领域的发展。 精确铸造成形主要方法包括：低压铸造、压力铸造、重力铸造、消失模铸 造、挤压铸造、离心铸造、熔模铸造、电磁铸造以及半固态铸造。 压铸过程的数值模拟研究主要包括：模具与压铸件的温度场模拟，型腔充 填过程的流场、温度场模拟，模具与压铸件应力场的模拟。模具与压铸件的温 度场模拟技术已经成熟，而型腔充填过程的研究比较晚，是当前压铸数值模拟 1 2 第二章压铸法及数值模拟理论 的热点和难点。应力场的数值模拟着眼于研究热疲劳对模具寿命的影响以及对 铸件变形的影响。 与压力铸造相比，低压铸造应用面比较窄，发展缓慢，近年随汽车动力系 统零部件轻量化的迅速发展已经取得了长足的进步，数值模拟技术也随之快速 发展【3 9 1 。 消失模铸造工艺是2 0 世纪8 0 年代末投入使用并逐渐得以发展完善的铸造 新技术。由于采用该工艺生产的铸件具有尺寸精度高、机械加工量小、环境污 染小的优点，被认为是近净型加工技术和清洁生产技术。然而消失模铸造工艺 设计的难确定性阻碍了该技术的广泛使用。采用计算机对消失模铸造工艺进行 模拟，无疑是解决此类问题的最有效途径之一。消失模铸造过程数值模拟起步 较晚，现在许多研究者进行了尝试，重点在于充型过程的数值模拟。 其它精确铸造领域的数值模拟也在兴起和快速发展过程中，比如，电磁铸 造数值模拟就是目前应用比较成功的铸造数值模拟技术之一。哈尔滨工业大学 徐达鸣等模拟研究了旋转圆柱杯状型腔及薄壁件离心铸型中金属液充填型腔与 自由液面变化行为，建立了离心场作用下金属液充型凝固模型例。东南大学、 北京有色金属研究总院等开展了对半固态成形加工过程模拟与仿真研究与应 用。 2 3 6 国内铸造数值模拟发展 我国于2 0 世纪7 0 年代末开始，大连理工大学、沈阳铸造研究所在这一方 面做了开拓性的工作。1 9 7 8 年，在葛洲坝电站1 2 5 m w 水轮机叶片的铸造工艺 研究中，沈阳铸造研究所的张毅、王君卿等人开展了铸件凝固过程温度场的计 算机模拟的研究。时至今日，沈阳铸造研究所的王君卿等人仍对大型铸件的凝 固过程温度场进行了模拟分析，并于发表了研究报告【4 l 】，此后在我国高等院校如 哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、西安交通大学、清华大学、 华中工学院等单位先后投入大量人力开展了温度场模拟的研究1 4 2 。 从1 9 8 2 年开始，大连工学院的郑贤淑、金俊泽等人开始了铸造应力的数值 模拟的研究。他们采用热弹塑性力学模型对大型铸件( 大型双幅板齿轮、铸钢 轧辊、钢锭模) 的铸造及热处理应力进行了模拟。此后，西安交通大学、清华 大学、哈尔滨工业大学、上海工业大学等也都开展了应力场的模拟分析工作。 在铸造充型过程的数值模拟方面，1 9 8 7 年，沈阳铸造研究所的王君卿在丹 1 3 第二章压铸法及数值模拟理论 麦技术大学模拟了灰铸铁三通管的充型过程，并同时计算了充型过程的温度场 ( 流动与传热的耦合) 。清华大学柳