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铜合金t 形件压力铸造成形数值模拟研究 摘要 t 形三通件是电子雷达上的重要零件，对于其成形问题的研究一 直是各国学者研究热点。目前，t 形三通件的生产工艺是先机械加工 主通件和侧通件，再将两者焊接成形。此种生产工艺效率低、成品率 低。 压力铸造作为一种金属零件的净成形技术，近年来发展迅速。其实 质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模型 腔，并在压力下成形和凝固而获得铸件的方法。 因此考虑用压铸工艺代替目前工艺进行生产t 形三通件。本文采 用传热流动应力耦合的铸造模拟软件p r o c a s t ，对研究零件的充 型凝固过程进行了数值模拟，并进行了实验验证。利用模拟结果，可以 充分认识充填规律，客观评价模拟结果，有效地预测了压力铸造成形的 可行性。 首先运用u g 软件对t 形件进行几何实体造型并导出 p a r a s o l i d s 格式文件x m tt x t 。然后在p r o c a s t 模拟运算环境 中，导入该文件，并建立有限元几何模型，对其施加压力铸造的边界 条件和初始条件，建立完整的有限元模型，进行压力铸造的充型过程 速度场和凝固过程温度场的数值模拟。通过对模拟结果的分析，预测 了工件可能具有的缺陷类型和产生位置及其形成原因。 最后通过实际压力铸造和砂型铸造以及金属型铸造三种样件试 制，发现压力铸造样件缺陷较少，而砂型铸造和金属型铸造样件缺陷 较多，此结果对仿真结果进行了进一步的验证。 结果证明采用压铸成型工艺进行生产具有可行性。 本研究结果对提高铸件质量，降低生产废品率，减少设计和生产 成本，增加合作企业的产品竞争力提供了科学依据与手段。 关键词：数值模拟工艺分析压力铸造铜合金t 形件 r e s e a r c ho hn 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 go f c aa l l o yt - s h a p e dp i e c e a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n ta c c e s s o r yo fr a d a r ，t h es c h o l a r sa r ea l w a y sf o e n s o nt h er e s e a r c ho ft h ef i g u r a t i o no ft h et h r e e - w a yp i e c ea l lo v e rt h e w o r l d n o w a d a y s ，t h es t e p st h a tw em a k et h ep a r ta r ea sf o l l o w s ：a tf i r s t ， t h em a i np i e c ea n dt h es i d ep i e c ew i l lb em a n u f a c t u r eb yt h ew a yo f m e c h a n i c a lp r o c e s s ；s e c o n d l y ，t h et w op i e c e sw i l lb ew e l d e dt o g e t h e r ， t h u s ，a ni n t e g r a t e dp a r tw i l lo c c u r h o w e v e r ，w et h i n kt h a tt h ec o u r s e h a ss e v e r a ld i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o we f f i c i e n c ya n d l o wf i n is h e d p r o d u c tr a t e a sak i n do fn e tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e so ft h em e t a lp a r t sf o r m b e i n gc l o s et oi t sf i n a lf i g u r e ，d i ec a s t i n gi sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n d i t s a p p l i c a t i o n sa r ea ls o a b r o a dn o w a d a y s e s s e n t i a l l y ，u n d e rt h eh i g h p r e s s u r e ，l i q u i do rs e m i - l i q u i dm e t a lf i l l st h ec a v i t yi nah i g hs p e e da n d t a k e ss h a p e su n d e rt h ec e r t a i np r e s s u r e c o n s e q u e n t l y ，w em u s ta p p l yt os i n g l e s t e pp r o c e s s i n s t e a do ft h e o r i g i n a lp r o c e s s t h a ti st os a y ，d i e - c a s t i n gw i l lb ea p p l i e dt ot h ec o u r s e o ft h ep r o d u c t i o n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e 。t h ea u t h o rc a r r i e st h r o u g h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb ys o f t w a r ep r o c a s tw h i c hi sc o m p o s e do f c a l o r i f i ca n df l o wa n ds t r e s s a sar e s u l t ，w ec a nu n d e r s t a n dt h er u l eo f f l o wa n dj u d g et h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ：a c c o r d i n g l y ，w ec a n a v a i l a b l yf o r e s e et h ef e a s i b i l i t yo f t h ed i e - c a s t i n g i no r d e rt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo fd i e c a s t i n gt e c h n i q u e s ，w eh a v e t o c a r r yt h r o u g ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n0 ft h ec o u r s eo ft h e d i e c a s t i n gf i l l i n g a f t e rt h a t ，w e c a nf o r e s e es o m et h i n g sa f t e rt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v i n gb e e nd o n e t h ed e t a i l e ds t e p s a r ea s f o l l o w s ； f i r s t l y ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h et h r e e - w a yp i e c em u s t b e f i n i s h e db yt h es o f t w a r eu ga n d 。x m t t x tw i l lb ee d u c e dw i t h f o r m a to fp a r a s o l i d s s e c o n d l y ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et h r e e - w a yp i e c em u s tb e a l s od o n eb yt h es 0 f t w a r ep r o c a s tt h a ti ss p e c i a l i z e di nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef o u n d b e f o r et h a t ，s o m eb o u n d a r yc o n d i t i o n sm u s tb e b r o u g h tt ob e a ra n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw i l lb ec o m p l e t e d t h i r d l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，o n l ys o ，m a n yt h i n g sc a nj u s tb e e nf o r e c a s t ，w h i c hi n c l u d e d e f e c ts t y l eo ft h ep i e c ea n dc o r r e s p o n d i n gl o c a t i o n ，o nt h ef o u n d a t i o n o ff o r m e ra n a l y s i s ，t h er e a s o n so ft h ed e f e c tw i l lb ec l e a r ，e v e nt h e f e a s i b i l i t yo fd i e - c a s t i n gw i l lb ea f f i r m e ds h o r t l y a tl a s t ，i ti si n e v i t a b l et om a k et h r e es a m p l ei n c l u d i n gd i e - c a s t i n g a n dm e t a l c a s t i n ga n ds a n d c a s t i n g f r o mt h ea n a l y s i so ft h es a m p l e s ，i t i sv e r yo b v i o u st h a tt h ed e f e c to ft h ed i e - c a s t i n gs a m p l ei sl e s st h a nt h e o t h e rt w o f u r t h e r l y ，t h er e s u l to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n t w i t hr e a l i t y i naw o r d ，d i e c a s t i n gi ss u i t a b l et ot h ep r o d u c t i o no ft h ep i e c e a d d i t i o n a l l y ，t h er e s e a r c hw i l lr e s u l ti ns e v e r a lp r o f i t a b l ee f f e c t s u c ha sa d v a n c i n gt h eq u a l i t yo fc a s t i n g ，d e c r e a s i n gr e j e c t i n gr a t i o ， r e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s t sa n di n c r e a s i n gc o m p e t i t i v ep o w e ro fp r o d u c t a n ds oo n k e y w o r d ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：a n a l y s i so fp r o c e s s ；d i ec a s t i n g ； c ua l l o y ；t s h a p e dp i e c e 图卜l 图1 2 图1 - 3 图3 一l 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 一1 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 - 1 0 图4 - 1 l 图4 一1 2 图4 一1 3 图4 - 1 4 图4 一1 5 图4 - 1 6 图4 1 7 图4 一1 8 图4 - 1 9 图4 - 2 1 图4 2 2 插图清单 喷射理论示意图3 全壁厚理论示意图3 三阶段理论示意图3 t 形件结构尺寸图1 6 t 形件外观图1 7 t 形件三维实体图图1 7 增加浇口和溢流槽的t 形三通件1 7 浇口结构尺寸图1 8 溢流槽的结构尺寸1 8 抽芯机构的结构设计1 8 压铸模具主视图2 0 压铸模具俯视图2 0 压铸过程四阶段压力变化曲线2 1 p r o c a s t 操作界面2 6 p r o c a s t 文件导入2 6 m e s h c a s t 文件读入与处理方式2 7 文件导入p r o c a s t 2 7 网格大小设置2 7 几何体校核2 8 表面网格生成2 8 产生体网格2 8 生成体网格2 8 网格信息表2 9 虚拟模具外形2 9 虚拟模具参数设置2 9 虚拟模具计算结果图3 0 虚拟模具材料分配3 0 型芯物性参数3 0 虚拟模具物性参数3 0 浇口杯选取( 浇注温度) 3 l 浇口杯选取( 浇口杯与大气传热比) 3 l 模型选取( 模型与大气传热比) 3 l 重力方向选取3 2 浇注温度设置3 2 2 图4 2 3 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6 - 1 图6 - 2 图6 - 3 运算参数设置3 2 模拟运算器3 4 运算信息状态3 4 充型过程压射速度变化3 4 不同时刻t 形件充型过程模拟结果3 6 铸件凝固过程固相分数3 6 铸件各部分凝固时间3 6 t 形件凝固过程数值模拟过程3 7 铸件凝固过程温度变化曲线3 7 t 形件凝固过程的温度分布图3 8 砂铸样件图4 l 金属铸样件图4 l 压铸样件( 经机械加工后镀银) 4 l 表格清单 表2 1k 双方程紊流模型中的常数值1 1 表3 1 铜合金压射比压推荐值2 2 表3 2 常用的充填速度( 单位：m s ) 2 2 表6 1y z c u z n l 6 s i 4 化学成分4 0 表6 2y z c u z n l 6 s i 4 物理性能参数( 温度2 5 ) 4 0 表6 3 压力铸造工艺参数4 0 表6 4 金属型铸造工艺参数4 0 表6 5 砂型铸造工艺参数一4 1 4 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，也不包含为获得盒避王些盔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：l 哆年螽i 尹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金篷王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金壁王些盔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) 学位论文作者签名 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 杏翠 签字日期：口7 年6 月f 宁日 电话： 邮编： 致谢 在本文即将完成之际，首先对我的导师孪萍教授的辛勤培养与无私 关怀表示衷心的感谢l 导师渊博的知识、严谨的治学态度和非凡的敬业精 神一直激励着我，从她身上我看到了坚韧不拔、兢兢业业的精神品质，这 些品质将使我在未来的学习和工作中受益匪浅。在学习期间，导师无时无 刻不在关心着我，无论从选题、论文的撰写还是最终的审查，她都关注着 每一个细节，给予我们悉心的指导并提出宝贵的意见，还为我们提供了优 越的学习和工作环境。在此，谨向我的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝福1 特别感谢薛克敏老师在课题进展方面对我的悉心指导和在生活上给 予的帮助l 在课题进行过程中，得到了刘全坤教授、陈文琳副教授、陈忠家副教 授热情的指导和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意! 在这里，还要感谢博士生周林、周明智、张青、赵茂俞，还有实验室 成员段园培、弥光宝、张早明、丁林高、肖飞、赵传涛、金有昌、李鹏耀、 方勇、金洁、王青瑞以及卫定、林秀秀、吴昊、王峰等同学和好朋友两年 多来给予我的热情帮助和支持! 最后，我要把最真挚的感谢献给我的父母和姐姐，他们和我一起走过 生活的喜怒哀乐，一直在我身后默默地支持和鼓励着我，感谢他们l 渡 、 汐7 o 乒ff ， 第一章前言 铸造是国民经济重要的基础工业之一，但铸造过程的控制、设计及工艺流 程往往依赖于经验判断，因而铸件的质量不易保证，废品较高。压力铸造是特 种铸造的一种，其实质是液态或者半液态金属在高压力作用下，以较高的速度 充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种方法。要获得高质量、高水 平压铸件，使压铸件达到光洁、轮廓清晰、组织致密、强度高的要求，需要对 压铸过程中各影响因素进行协调统一。随着计算机技术的飞速发展，尤其是数 值模拟技术的广泛应用，使得对压铸过程中各影响因素进行协调统一，并达到 最佳的设计状态成为可能。 1 1 铜及铜合金研究应用现状 人类对铜及其合金的开发和应用具有久远的历史。我国早在商朝就有使用 铜器的记载，伴随现代工业的发展，各种工业构件对材料及性能提出了更为苛 刻的条件。由于铜具有许多优异的综合性能：它对大气、海水、土壤以及许多 化学介质有很强的耐蚀性；它用在结构上刚柔并济，富有弹性，耐摩擦，抗磨 损；它具有多彩的外观，是人们钟爱的、古朴典雅的象征；除此之外，它还有 一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能，从而使它获得了经济和 广泛的应用t 2 1 。 在电力行业中，输送过程中需要的电线电缆、变压器、开关、接插元件和 联接器等，由于需要高导电性，因而都是用铜作为主要原材料；在电机制造中， 定子、转子和轴头等，由于需要高导电和高强度要求，因而也用铜合金作为主 要原材料。 在能源工业中，由管板和冷凝管组成重要零部件一冷凝器，需要良好的导 热性并能抵抗水的腐蚀作用，所以使用锌黄铜、铝黄铜或白铜制造。 除了应用领域外，人们也着力研究了大量新型应用性铜合金。国内外对铜 合金研究和开发主要沿高纯度、合金化和复合化的方向发展，研制出了大量具 有针对性的有很高使用价值的特种铜合金【2 1 。中南大学程建奕和汪明朴等对 c u 0 5 4 a 1 2 0 3 弥散强化复合材料的拉伸变形和断裂行为进行了研究结果发 现：经挤压比为3 0 ：l 的热挤压后，复合材料的ob 、o0 2 、6 和o0 2 ob 分别高 达3 4 0 m p a 、2 5 0 m p a 、2 4 和7 4 【1 2 】，微观上表现为明显的韧性断裂特征【3 1 总之，铜及其合金材料应用广泛，有关铜合金的研究已取得大量研究成果， 这对t 形三通件所使用的铜合金材料的选择和成分设计提供了一分有价值的借 鉴。 1 2 压力铸造工艺技术概论 1 2 1 压力铸造历史和概况 压铸的起源应该是从半永久性及永久性的发展中分支出来的。最早用泥范 制备青铜生活器具，钱币等，以后发展了金属型制备简单的武器，如青铜箭头 金属型的大量使用是在印刷机械出现后制备铅字。由于生产规模的扩大，对金 属型的机械化操作提出了要求。于是在1 8 7 2 年出现了最简单的手动小型压铸 机。1 9 0 5 年h e r m a nh d o e b l e r 注册压制机的专利。1 9 2 0 年，c r o e h r i 制造了冷 室压铸机，大型的压铸机的发展是在2 0 世纪5 0 年代开始的。压铸经过数百年 的发展，已经成为铸造行业中一个独特的专业，这主要是由于交通运输工具工 业( 如汽车摩托车等) 和航天航空业以及电子行业的蓬勃发展所推动的。在2 0 世纪7 0 8 0 年代，随着汽车工业的发展，带动了压铸设备、合金、熔炉、通用 机器人等外围设备的全面发展，电子技术、计算机技术也在压铸方面得到了应 用【4 1 。 由于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 成形精密铸造方法。具有其他成形方法无可比拟的优点，因此，压铸工艺方法 已广泛地应用在国民经济的各行各业中。压铸件除用于汽车和摩托车、仪表、 工业电器外，还广泛应用于家用电器、农机、无线电、通信、机床、运输、造 船、照相机、钟表、计算机和纺织器械等行业。汽车和摩托车是最主要的应用 领域，汽车约占7 0 ，摩托车约占l o ，小的零件有几克的，大的铝合金可达 5 0 千克。 1 2 2 压力铸造基本原理及相关填充理论 压铸是压力铸造的简称，其实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以 较高的速度充填压铸模型腔，并在压力下成形和凝固而获得铸件的方法。高压 力和高速度是压铸时熔融合金充填成形过程的两大特点，也是压铸与其他铸造 方法最根本的区别所在。 压铸的填充过程是复杂的，目前尚未有完整的填充理论。早期的填充理论 的一些观点都是在特定的试验条件下获得的，有很大的局限性，直接用来分析 一些实际问题虽然有一定的意义，但还存在不足之处，这在生产实践中已得到 证实。所以填充理论还有待于进一步深化和完善。早期较为典型的三种填充理 论如下： ( a ) 喷射填充理论 2 图1 1 喷射理论示意图 喷射填充的理论是由弗路梅尔于1 9 3 2 年提出的。如图1 1 所示，弗路 梅尔认为，金属液从内浇口处喷射至型腔最远端，撞击该处型壁后，部分金属 聚积并产生涡流，另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁自远端向内浇口 返回。金属流的速度由内浇口截面积与型腔截面积之比的大小来控制。 ( b ) 全壁厚填充理论 司世旧 星冒谰剁剩量 又称为薄壳层；第二阶段是随后进入的金属继续沉积，在薄壳层内的空间，直 至填满；第三阶段是在压力的作用下，型腔内的金属得到压实【“”l 。 1 2 3 压力铸造特点 由于压力铸造过程是具有高压力和高速度的特殊充型方式及凝固方式，因 此压力铸造具有自身独特的一些特点【1 3 1 ： 优点：尺寸精度高，表面粗糙度值低； 材料利用率高； 可以制造形状复杂，轮廓清晰，薄壁深腔的金属零件； 在压铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件，节省了贵重材料和加工工 时； 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度； 生产率极高。 缺点：由于压铸时产生巨大的收缩，压力铸造合金的类别和牌号受到限制； 模具材料主要适应于低熔点的合金，如锌、铝、镁等合金，铜合金和 黑色金属构成的合金，其模具材料存在着较大的问题； 压铸生产的一次性投资较大。 1 2 4 压力铸造的发展趋势 从近年来的国内外压铸研究来看，压铸技术的发展趋势主要有以下几个方 面： l 、理论研究方面的工作更加深入，尤其是计算机模拟技术的发展，使金 属在填充型腔的流动形态、金属在型腔中的凝固过程、型胶内金属液体的流动 压力、模具的温度梯度、模具的变形、压铸机杠杆系受力分析等有不同程度的 理论突破。 2 、压铸机及其配备方面有了很大的发展。例如在生产管理和统计分析的 配置上有大幅度的增加，压铸机建立了安全标准，出现了多滑块式高速率压铸 机，压铸机配备了柔性单元装置、智能化机械手、分立的自动浇料、取件、喷 涂装置等。 3 、压铸产品的检测方面，特别是在内部缺陷的无损检测方面，如x 射线、 荧光、超声波探测等得到发展。 4 、在模型材料及其寿命方面，加强了对优异钢种的研究，对模具表面处 理的加工方法如沉积方法、渗入元素法、溅射等进行了改善，并且开展了对铺 盖层的研究。 5 、快速成型设计及制造技术在压铸生产中得到应用，如压铸件的产品设 计、模型设计、模型制造工艺分析、过程控制、零件加工等。 6 、压铸材料得到进一步的发展，如镁合金及金属基复合材料 1 4 - 1 8 i 。 4 1 2 5 国内外压力铸造研究现状 目前，国内外压铸铸造发展迅速，应用广泛。 在压铸材料方面，压铸合金不仅仅局限于锌、铝、镁和铜，而且也逐渐扩 大用来压铸铸铁和铸钢件。 在压铸件的尺寸和重量方面，尺寸可以从几毫米到几米，重量可以到数十 公斤。例如国外可以生产出直径2 米，重量5 0 千克的铸铝件。 在压铸应用方面，不再局限于汽车工业和仪表工业，而是逐步扩展到各个 工业部门，如农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算机、医疗器械、 钟表、照相机和日用五金等几十个行业。 在压铸新工艺方面。真空压铸、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应 用等新工艺( 1 9 2 0 l 。 在压铸设备的研究和开发方面，我国开始于2 0 世纪5 0 年代，当时我国可 以自行设计及制造全液压传动的卧式冷室压铸机，合型力可以达到1 0 0 0 k n 。 7 0 年代我国试制了j 1 1 2 5 等一系列全液压卧式冷室压铸机。到8 0 年代后，我 国已经能够自行设计及制造成系列的性能良好的压铸机。此外，从国外引入大 型压铸机，促使国内在压铸工艺中应用计算机技术。国外的压铸设备发展较快， 早在2 0 世纪8 0 年代，在德国就已经生产了空压射速度8 m s 的冷压机，f r e c h 公司又将计算机应用于压铸机控制方面。9 0 年代，采用电液伺服阀，出现了实 时压射控制压铸机构想，并由瑞士b u e h l e r 公司实现了商业化。 1 3 铸造充型凝固过程数值模拟研究现状和发展趋势 目前，铸造充型凝固过程数值模拟技术已经基本成熟，已经有一批实用软 件投入使用。 1 3 1 铸造充型凝固过程数值模拟研究现状 世界各国在材料成形加工过程的发展趋势主要有两个方面：一是向精确或 称净成形技术( n e ts h a p ep r o c e s s ) 方向发展；二是用计算机模拟仿真来逐步代 替传统的试错法( t r i a la n de r r o r ) 等经验性研究方法。在美国已制定并实施的新 一代汽车研究计划中，要求车身、车架减轻重量5 0 ，动力系统减轻重量1 0 ，以大幅度地降低油耗。为此必须研究发展新型材料的精确成形技术，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、短流程、低成 本的最优结果。另外，随着净成形制造技术的发展，压铸件的应用范围日益扩 大，压铸模的设计任务也日益繁重。由于压铸件成形过程的复杂性，使得压铸 模设计周期长，修模工作量大。为此，国内外对压铸充型和凝固过程的流动及 温度场已经大量采用了计算机模拟仿真技术。例如，大众在开发奥迪5 倍镁合 金变速箱体时采用数值模拟软件m a g m a s o f t 对其压铸过程进行了数值模拟， 使其结构和模具得到很好优化，并且通过生产验证，得出二者的温度数值差异 仅仅为1 0 1 5 。现这款箱体己成功应用在p a s s a t 和奥迪a 4 和a 6 轿车上。 同样，福特汽车公司在开发5 4 升t r i t o n 发动机壳体时，采用数值模拟软件 p r o c a s t 进行了流动场与温度场的耦合分析，优化了产品结构并缩短了开发周 期。新加坡g i n t i 制造学院的b h h u 等借助数值模拟软件m a g m a s o f i ，对一 款镁合金手机外壳压铸件优化前后的浇注系统进行了流动场的计算机模拟对比 分析，并采用实验手段验证了模拟结果，从而保证了薄壁通讯制件的优良品质。 总之，通过对模拟结果的分析可以判别压铸工艺的可行性和各种工艺参数 选取的合理性，据此，通过修改原工艺方案或对几种不同工艺方案进行模拟比 较来实现工艺优化设计。同时，将这种技术引入早期的产品开发阶段就可充分 实现并行设计，大大降低开发风险与成本。因此，采用数值模拟方法研究压铸 成形工艺的充型凝固过程，对提高工艺设计水平、保证压铸件的质量及提高生 产率都具有重要意义 2 1 - 2 5 1 。 当前，铸造充型凝固过程数值模拟正在深入研究的方向是考虑多种边界条 件和完善热物性参数，使模拟更接近实际过程，同时改进算法，提高模拟计算 效率。充型过程数值模拟的研究是热点，基于层流假设的充型过程数值模拟已 纳入一些实用软件中。目前的研究正着眼于修正计算模型与算法，使得充型过 程模拟更能接近于实际充型情况。应力场数值模拟研究会涉及合金和模具材料 在高温下的复杂力学本构关系及变化的边界条件。因此，对铸造过程应力场的 模拟，很大程度上依赖于力学和有限元软件技术领域的进展和突破。国内外很 多研究人员直接使用n a s t e a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c d 和p a n t r a n 等商业化有限元软件f 2 6 - 3 3 。 1 3 2 铸造充型凝固过程数值模拟发展趋势 铸造c a e 研究开发起步于2 0 世纪6 0 年代，经过几十年的努力，铸件充 型凝固过程计算机模拟仿真已经在工程上获得广泛应用。据统计，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 。铸件充型凝固过程的数值模拟及缩孔缩松预测、应力分析等方面的研究 及实用化在国内外都取得了很大的进展。其内容已经成为当今国际公认的材料 及制造科学的重要前沿领域。其发展方向正向高功能( h i g hp e r f o r m a n c e ) 、高 仿真( h i g h f i d e l i t y ) 和高效率( h i g he f f i c i e n c y ) 的多学科模拟与仿真方向发展 3 4 3 5 1 。其具体的发展趋势及技术前沿有以下几个方面： 1 模拟尺度由宏观走向微观 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真的基础研究重点正在由宏观模拟走向微 观模拟。微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级，涉及结晶生核长大、 树枝晶与柱状晶转变到金属基体控制等各个方面。铸造充型凝固模拟已由建立 在温度场、速度场、应力场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓的宏观模拟进 入到以预测组织、结构、性能为目的的微观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、 偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次。另外，质量控制也正在向建立在微 6 观组织模拟基础上的性能及使用寿命预测的方向发展。如对叶片定向凝固过程 中柱状晶组织形成的模拟、单晶叶片组织形成的模拟、过冷液相中等轴晶组织 的形成与演化。 2 考虑多物理场和多尺度模拟的整体优化设计 模拟功能已由单一的温度场、流场、应力，应变场、组织场模拟进入到耦合 集成阶段。包括：温度场应力应变场、温度场组织场、应力应变场组织场 等之间的耦合，以更逼真地模拟复杂的材料成形加工过程。另外，为了消除一 些危害严重的材料加工缺陷，需要建立更为复杂、精确的数理模型并实现与上 述基本物理场的耦合。同时，将考虑无损检测标准和使用寿命预测的凝固模拟 预测结果用于对产品设计的优化。将模拟仿真技术用于铸造工程的研究与开发 和用于包括集成模拟的整体优化任务。如用于汽车和航空零件设计的多尺度模 拟仿真。 另外，铸件质量控制正在向微观组织模拟、力学性能及使用寿命预测的方 向发展。1 9 9 8 年，美国西北大学的c o n l e y 等人提出了一个新的铸件设计模型， 用于金属型铸造铝合金发动机底座的设计【3 。当时，此模型综合了铸造工艺模 拟、疲劳性能设计和无损探伤设计。在并行环境下，铸造过程模拟用来预测铸 件中的微观孔洞缺陷，所预测的缺陷导致破坏的可能性由疲劳断裂生长模拟来 决定，可以在产品设计早期阶段预测铸件的使用寿命。 3 模拟走向并行化、敏捷化、数字化、网络化 铸造成形加工过程的模拟仿真与并行工程、敏捷化工程、虚拟制造相结合， 成为网络化异地设计与制造的重要内容。并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是对产品设计及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行一体化设计 的一种系统化的工作方式，其最明显的特点之一就是多学科协同工作( t e a m w o r k ) ，它的重点就是以并行设计为主。铸造是产品设计的基础环节。铸件的 设计、质量、成本和试制周期对整个产品周期的研制开发都有很大影响。以充 型凝固过程数值模拟为核心的铸造c a e 已经成为并行工程中的一个组成部分。 将开发的铸造c a e 软件集成到p d m ( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t ) 软件工具中， 铸造c a e 产生的数据由p d m 统一管理，使其能够与其他不同的应用系统之间 共享信息【3 6 3 9 1 。这样，铸造过程模拟不仅有助于铸造工艺优化设计，而且可为 其他设计人员提供参考，实现铸造c a e 在并行工程中的集成已经成为目前关注 的研究热点之一。 总之，模拟仿真技术为铸造工业在先进制造技术、新工艺，甚至在用于铸 件的创新材料设计等方面开辟了新途径。在新材料设计方面，包括半圆态工艺、 具有梯度组织的复合铸件的生产和特殊材料如单晶凝固、金属间化合物的凝固、 复合材料的凝固以及具有不同部件的铸件生产。 7 1 4 本课题的提出和主要研究内容 本课题是精密成形及仿真中心同中国电子集团第3 8 所联合研究项目t 形外导体铜合金压铸成型数值模拟研究。t 形外导体是通讯设备上的重要零部 件，目前此零件的成形方式是采用先机械加工两部分，再焊接成形，此种加工 方式成形时间长，废品率高，因此考虑采用一次成形方式即压铸，代替生产车 间目前的生产方式。 本课题根据压力铸造工艺和砂型铸造工艺的相关技术，以铜合金t 形外导 体为研究对象，以数值模拟技术为载体，对比两种成形工艺方式，确定拟解决 的关键问题如下： 1 铜合金t 形件压铸成形工艺可行性分析 2 铜合金t 形件砂铸成形工艺可行性分析 3 铜合金t 形件金属铸成形工艺可行性分析 4 铜合金t 形件生产过程控制和生产稳定性问题 根据上述确定的拟解决的关键问题，本论文只针对l 和2 以及3 进行研究 工作： 1 研究t 形件压铸过程数值模拟技术，通过模拟结果分析t 形件压铸成 形的可行性，并进行实际的样件试制 2 研究t 形件砂型铸造和金属型铸造两种工艺技术，经过细致的工艺分 析，进行实际的样件试制 3 参考压铸成形方式的模拟结果和三种工艺生产的实际试样，得出t 形 件生产的最佳工艺方式是压力铸造 8 第二章压力铸造过程数值模拟基本理论 铸件充型过程中会产生氧化、传热、热损失，冲击破坏等一系列化学和物 理的变化，因此充型过程与铸件质量密切相关。铸造过程中产生的许多缺陷都 与铸件的充型过程有着密不可分的联系。但长期以来，铸造过程的数值模拟主 要集中在凝固过程的模拟研究上，这就使得数值模拟只能对缩孔缩松等缺陷进 行预测，而对于充型过程中产生的缺陷如浇不足、冷隔、夹渣等缺陷则不能很 好的利用计算机模拟技术进行预测。采用数值计算方法，不仅可以模拟出液态 金属在铸型中的流动状态，并根据模拟得到液态金属的流动速度、压力等变化 规律优化浇冒口系统设计，防止浇道中吸气，消除流股分离现象以避免氧化， 减轻液态金属对铸型的冲蚀，而且可以模拟出液态金属的温度分布，从而预测 浇不足、冷隔等缺陷，为后续的凝固过程模拟分析提供初始温度场条件。 传统的凝固过程数值模拟是建立在“瞬时充满”的假设基础上，铸件各部 分初始温度均为浇注温度。对于厚大铸件而言，这种假设是比较合理的：但对 于薄壁铸件，这种假设则会产生较大误差。因此，在有些情况下必须考虑铸件 的充型凝固过程，对充型过程和伴随的温度降低、金属凝固现象一并考虑，这 样得到的初始温度分布可以为进一步的凝固过程模拟提供初始条件。可见，充 型过程的数值模拟是铸造过程数值模拟技术的一个重要组成部分。 虽然液态金属的充型过程模拟日益引起人们的重视，但充型过程不仅涉及 流体的流动问题，而且还伴随着温度下降与金属凝固现象的发生，因而充型过 程的数值模拟极为复杂。涉及的控制方程多、计算量大而且迭代结果容易发散， 特别是自由表面的处理问题难度大，且模拟结果难于验证，因此，充型过程的 数值模拟工作与软件应用水平、数值方法和实验水平的进步都有很大的关系。 铸件充型过程的数值模拟包括很多内容，如充型过程中自由表面的处理、 流场中速度和压力的求解、紊流流动现象的处理、充型过程对凝固过程的影响、 充型过程铸造缺陷形成的影响等【l j 。 由于本课题主要集中于压力铸造数值模拟的研究上，因而本章着重对压力 铸造数值模拟的数学模型进行论述。 2 1 压力铸造充型过程数值模拟 在压铸充型过程中，型腔的填充模式是影响压铸件质量因素之一，因而充 型过程的流场控制是压铸过程的核心环节。压铸充型是在高温高速下进行的， 金属液的流动可以认为是带有自由表面的常物性粘型不可压缩牛顿流体的非稳 态流动。由于充型时间短，而雷洛系数通常大于1 0 5 ，其流动被认为是未充分 发展的紊流流动。流动流体的前沿是不连续的甚至有喷射雾化的现象，因而给 数值模拟带来了很多的困难。目前的研究主要采用紊流模型进行模拟，并着眼 于修正计算模型与算法，使得充型模拟更能接近于实际充型情况。 9 铸件充型过程中液态金属的流动遵循流体动力学规律，可以用质量守恒和 动量守恒的基本控制方程来描述：而充型过程中金属液与铸型之间的热交换可 用热量平衡方程来描述。铸造的充型过程是具有自由表面的非稳定流动，其计 算的关键问题在于确定自由表面的位置，跟踪自由表面的移动，处理自由表面 的边界条件。处理这些问题时，最常用的是s o l a - v o f 法。下面详细地介绍这 些数值模拟方程。 2 1 1 粘性流体流动的基本方程 3 - 8 2 i 1 1 连续性方程 连续性方程实质上是质量守恒定律的数学表达式，由于是运动学方程，与 力学无关，因此既适用于理想流体，也适用于粘性流体。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。数学表达式为： 望+ 亟世+ 型+ 型；o ( 2 - 1 ) 融 瓠 砂 跣 在式中：u 。、u y 、u 广一网格点( x 、y 、z ) 的速度矢量在三个坐标轴方向上的 分量，m s ； p 一一流体的密度，k g ，m 3 。 如果流体不可压缩，则有挲：0 ， 甜 于是连续性方程变为如下形式： 塑型+ 旦盟+ 曼绁；o ( 2 - 2 ) 缸 砂 a z 此时表明不可压缩流体的速度散度为零。 2 1 1 2 动量守恒方程 粘性流体运动方程( n s 方程) 是动量守恒定律的数学表达形式，即根据 牛顿第二定律导出的粘性运动方程式，或称为n a v i e r - s t o k e s 方程式( 简称n s 方程) 。 其形式如下 掣+ 砉( 毛训= p g l ( 2 - 3 ) 式中：u i ，u j 一一分别为单元i 和j 的速度，m s ； x i 单元j 的位置； p 一一压力，p a ： 6i i 一一k r o n e c k e r 函数； o i i 一一单元i ，j 之间的粘度张力； g i 一一单元i 的重力加速度，m s 2 。 2 1 1 3 能量守恒方程 流体在运动过程中也是遵循能量守恒定律的。能量守恒定律表达为：对于 l o 流体控制单元，其所受的作用力( 包括体积力和表面力) 所做的功和加入的热 量应等于该单元的总能量的改变量。其实质就是热力学第一