（材料加工工程专业论文）镁合金铸造成形仿真及板料成形性研究.pdf

埔l 交通人学博舌宄t 怍报告 y1 0 1 4 3 4 6 摘要 近年来，由于人们对产品轻量化的要求，镁合金的性能不断改善，镁合盒的 成形技术同益成熟并且得到了广泛的应用。为了提高镁合金压铸件质量，计算机 仿真技术被用于解决模具设计和凝固过程控制等方面的问题。运用数值模拟计 算，可在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小，部位和发生的时间 进行有效的预测。通过不断改进工艺，有效控制充型凝固过程，达到缩短产品试 制周期，降低生产成本，提高铸件质量的目的。 与铸造镁合金相比，变形镁合会组织更细、成份更均匀、内部更致密，具有 更高性能：变形镁合金比铸造镁合金具有更优良的比强度，更适于制造承力构件， 因此变形镁合金的成形技术被认为是镁合金应用技术中具有广泛前景的课题。 本文对a z 9 1 d 镁合会壳体压铸件真空压铸和普通压铸过程进行了数值模拟 研究。通过选择不同结构浇注系统，进行一定压铸工艺条件下的结构设计优化； 在确定合理结构的情况下，进行多组不同压铸工艺条件下的模拟，优化压铸工艺 参数；进行真空压铸与普通压铸的模拟，对比二者相同压铸工艺条件下铸件中存 在气孔的变化，二者充型与凝固过程的差异，找出缺陷存在的部位及规律，以便 在实际生产中加以克服。 对a z 9 1 d 镁合金圆筒法兰件低压铸造浇注填充过程中的温度场、流场以及凝 固过程中温度场、固相分数变化情况进行了数值模拟计算。并针对出现宏观缩孔 和气孔的情况，对铸件缺陷位置进行预测，进一步优化浇注速度、浇注温度和模 具温度等参数。 研究了a z 3 1 b 镁合金板材在不同变形条件情况下的拉伸性能。测定在不同变 形温度、不同变形速度和不同变形程度下，板厚0 6 m r n 的镁合金板材变形特性及 流动应力，同时获得应力应变曲线，确定了适合镁合金板材的应变速率影响因子 i l l 值及其相关的板材应变硬化指数n 值。通过扫描电镜观察断口形貌，利用会相 显微镜、电子显微镜( s e m 、t e m ) 观察材料微观组织，并对镁合金板材的拉伸变 形机理进行了探讨。 利用热拉深实验，确定了适合镁合会a z 3 1 b 板材成形的最佳温度、拉深速度 和压边力等参数，分析压边力对坯料成形质量的影响，并获得了合会在不同温度 下的极限拉深比。研究了凸凹模圆角、摩擦系数对板材拉深成形的影响。通过各 一f 海交通人学博i 。一训究_ 厂作报告 个参数的分析比较，寻求适合成形的有利工艺条件，以及为镁合金薄壁壳形件的 工业化生产提供可靠的依据。 关键词：镁合会，真空压铸，低压压铸，数值模拟，板材性能，板材拉深 海交通人学博i 。后圳亢下作报告 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm a g n e s i u ma l l o yp e r f o r m a n c ea n dt h e p r o g r e s so fm a g n e s i u ma l l o yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , m a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e n w i d e l ya p p l i e dt of u l f i l l i n gt h ep r o d u c tl i g h tw e i g h t i n gr e q u i r e m e n t i no r d e rt o g u a r a n t e eq u a l i t yo ft h ed i ec a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y , c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i sa d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo fm o u l dd e s i g na n dt h es o l i d i f i c a t i o nc o n t r o le t c m a k i n gu s eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e f e c ts i z e ，l o c a t i o na n do c c u r r i n g t i m eo fs h r i n k a g ea n dp o r o s i t yi nc a s t i n gp a r t sb e c o m ea v a i l a b l eb e f o r ep e r f o r m i n g c a s t i n g a c c o r d i n g l y , t h ep r o c e s s i n gt e c h n i ci si m p r o v e d ，a n dt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo f m o u l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s si sa c h i e v e d ，t os h o r t e nt h ep r o d u c tt r i a l m a n u f a c t u r el i f e ，d e c r e a s et h em a n u f a c t u r ec o s ta n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y c o m p a r i n gw i t hc a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y s ，w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sc o n t a i n f i n e rm i c r o s t r u e t u r e ，m o r eu n i f o r mc o m p o s i t i o n s ，m o r ec o m p a c ts o l i da n dm o r e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sp o s s e s sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n d a r es u i t a b l ef o rs t r u c t u r em a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s i n gt e c h n i co fw r o u g h t m a g n e s i u ma l l o yi sr e g a r d e da sap r o m i s i n gt a s ki nt h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u m a l l o y i nt h i sw o r k ，t h ev a c u u md i ec a s t i n ga n dc o n v e n t i o n a ld i ec a s t i n ga z 91d m a g n e s i u ma l l o ys h e l lp a r t sh a v eb e e nn u m e r i c a ls i m u l a t e d t h r o u g ha d o p t i n g d i f f e r e n ts t r t i c t u r e so fm n n i n gs y s t e m s ，t h es t r u c t u r ed e s i g nw a so p t i m i z e da tc e r t a i n d i ec a s t i n gp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ；t h r o u 曲s i m u l a t i n gu n d e rd i f f e r e n td i ec a s t i n g p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，t h ep a r a m e t e r sf o rd i ec a s t i n gp r o c e s s i n gw e r eo p t i m i z e da f t e r t h ed e f i m t i o no fs t r u c t u r ed e s i g n ；t h r o u g hc o m p a r i n gs i m u l a t i o no ft h ev a c u u md i e c a s t i n ga n dc o n v e n t i o n a ld i ec a s t i n g ，t h ed i f f e r e n c e si nt h et r a n s i t i o no fa i rh o l e s d u r i n gm o u l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o na tt h es a m ec o n d i t i o nw e r ed e t e c t e d ；t h er u l eo f d e f e c t sl o c a t i o nw a sa l s of o u n d ，i nf a v o ro fa v o i d i n gd e f e c t si nm a n u f a c t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fl o wp r e s s u r ed i ec a s t i n ga z 91dm a g n e s i u ma l l o y c y l i n d r i cf l a n g ep a r t sw e r ec a r r i e do u tt oo b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d l l i 海交通人学婢f ：后究t 作报告 a n d f l o wf i e l d d u r i n gf i l l i n gm o u l d ，a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h e c h a n g eo fs o l i dv o l u m ef a c t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n a i m i n ga tt h eo c c u r r e f l c eo f m a c r o s h r i n k a g ea n dp o r o s i t yd u r i n gl o wp r e s s u r ec a s t i n g ，t h el o c a t i o n so fp o t e n t i a l d e f e c t sw e r ep r e d i c t e db ys i m u l a t i o n ，a n ds u c hp a r a m e t e r sa sr u n n i n gs p e e d ，c a s t i n g t e m p e r a t u r ea n dm o u l dt e m p e r a t u r ew e r eo p t i m i z e df u r t h e r t h et e n s i l e p r o p e r t i e s o fa z 31bm a g n e s i u ma l l o ys h e e t su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d u n d e rv a r i o u st e n s i l et e m p e r a t u r e ，r a t ea n ds t r a i n ，t h e m a g n e s i u ma l l o ys h e e t sw i t h0 6m mi nt h i c k n e s sa r et e s t e d i no r d e rt oo b t a i nt h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n df l o ws t r e s s t h er e c o r d e ds t r e s s s t a i nc u r v e sw e r e a n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r a i nr a t es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n tma n ds t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n tnw e r ec a l c u l a t e d t h ef r a c t o g r a p h so ft e n s i l es p e c i m e n sw e r e o b s e r v e db ys e m ，a n dt h em e t a l l o g r a p h sw e r eo b s e r v e db yo m ，s e ma n dt e m ， f o l l o w i n gt h ed i s c u s s i o no nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f m a g n e s i u ma l l o ys h e e t s a f t e ras e r i e so fd e e pd r a w i n gp r o c e s s ，t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sf o ra z 31b m a g n e s i u ma l l o ys h e e t sd e f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，d r a w i n gs p e e da n db l a n k h o l d e rp r e s s u r ee t c ，h a v eb e e nd e t e r m i n e d t h ee f f e c to f b l a n kh o l d e rp r e s s u r eo nt h e d e f o r m i n gq u a l i t yw a sa n a l y z e da n dt h em a x i m u md e e pd r a w i n gr a t i oa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r ew a so b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fm a l e - f e m a l em o u l df i l l e t sa n d f r i c t i o nc o e f f i c i e n to nt h ed e e pd r a w i n gp e r f o r m a n c eo fs h e e tw a si n v e s t i g a t e d v a r i o u sr e l a t i v ep a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e dt od e f i n et h ef a v o r a b l e p r o c e s s i n g c o n d i t i o na n dp r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c ef o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fm a g n e s i u ma l l o y t h i ns h e l lp a r t s k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , v a c u u md i ec a s t i n g ，l o wp r e s s u r ed 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 ，s h e e tp r o p e r t i e s ，s h e e td r a w i n g i v 洱交通人学 雌1 后f l j 究t 竹1 报告 1 1 镁合金材料概述 第1 章绪论 镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，它具有以下特点： 1 密度小：在i 7 4 9 1 8 5 9 c m 3 之问，比铝合金约轻3 6 ，比碳钢约轻 7 3 t ”。 2 强度高：镁合金的强度接近铝合会，其比强度明显高于铝合余和钢，比 刚度则与铝合会和钢相当。 3 阻尼性好：镁合金的能量吸收特性优异，在不同应力条件下其阻尼容 量是铝合余的1 0 2 5 倍。 4 优良的减振性、电磁屏蔽性( 2 卅：屏蔽电磁干扰性优于铝合会。 5 镁合金具有优良的机加工特性：切削抗力小，可以在高速、大切削量 下进行加工。且在切削工程中发热量少，切削易于断裂，刀具磨损小，寿命因此 显著延长而且是可以干切削加工，由于镁合金散热快，不用切削液也可以得到很 好的表面质量，镁合金铸件在一次切削加工后所得到的表面光洁度是其它金属需 要两次甚至多次切削后才能达到，从而减少了加工时间，降低刀具费用。 6 尺寸稳定性：铸件和加工件尺寸精度高，除镁铝一锌合金外，大多 数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零，适于 做样板，夹具和电子产品外罩。 7 镁合金的耐腐蚀性好：经表面处理，镁合金的耐腐蚀性比低碳钢好得 多，超过压铸铝合金。 8 易回收利用：镁低熔化温度、低熔化比热，可利用铸造剩料、切削和 废件重新熔化制作新零件，回收效率高，且回收过程无污染等一系列优点，被称 为“2l 世纪的绿色材料” 5 - 6 。 1 2 镁合金铸造成形技术概述 1 2 1 压铸成形技术发展现状 镁合会压铸技术从1 9 1 6 年成功地将镁合会用于压铸件算起，至今也经历了 7 吩交通人学 啦f 后f l j | _ 究丁作撤告 近九十年的发展。人类在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫 长的探索历程。从1 9 2 7 年推出高强度m g a l 9 z n l 丌始，镁合会的工业应用获得 了实质性的进展。1 9 3 6 年德固大众汽车公司丌始用压铸镁合金生产“甲壳虫” 汽车的发动机传动系统零件，l9 4 6 年单车使用镁合会量达l8 k g 左右。美国在 1 9 4 81 9 6 2 年问用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百力件。尽管如 此，过去镁合金作为结构材料主要用于航空领域【7 。8 】。 压铸是镁合会最主要、应用最广泛的成型工艺。镁合会有优良的压铸工艺性 能：镁合会液黏度低，流动性好，易于充满复杂型腔。用镁合金可以很容易的生 产壁厚l 2 m m 的压铸件现在最小壁厚可达到0 6 m m 。镁合金的铸造斜度为1 5 ， 而铝合金是2 3 。，镁合金压铸件的尺寸精度比铝铸件的高5 0 ，镁合会的熔点 和结晶潜热都低于铝合金，压铸过程中对模具的冲蚀比铝合余的小，且不易粘型， 其模具寿命可比铝合金件长2 4 倍，镁合金压铸周期比铝合金短，因而生产效率 可比铝合金提高2 5 ，镁合金铸件的加工性能优于铝合金铸件，镁合会件的切削 速度可比铝合会件提高5 0 ，加工耗能比铝合会件低5 0 ，生产经验表明由于 生产效率高，热室压铸的镁合金小件的总成本低于冷室压铸的铝合盒同样件。 压铸镁合金可以按其成分分成四个系列：a z ( m g a 1 z n ) 系列( a z 9 1 d ) 、 a m ( m g a 1 一m n ) 系列( a m 6 0 、a m 5 0 ) 、a s ( m g a 1 一s i ) 系列( a s 4 l 、a s 2 1 ) 、a e ( m g a 1 一r e ) 系n ( a e a 2 ) 。 a z 系列具有良好的铸造性能和最高的屈服强度，其压铸件广泛应用于汽车 座椅、变速箱外壳多种形式部件。a m 系列具有较高的延伸率和韧性，用于抗冲 击载荷，安全性高的场合如车轮、车门等。a s 、a e 系列的镁合金是2 0 世纪7 0 年代丌发的耐热压铸镁合金。 近年来，由于人们对产品轻量化的要求日益追切，镁舍金性能的不断改善及 压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进 一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求，镁合金压铸 技术正飞速发展。此外，镁合会压铸件已逐步扩大到其他领域，如手提电脑外壳、 手提电锯机壳、鱼钩自动收线匣、录像机壳、移动电话机壳、航空器上的通信设 备和雷达机壳以及一些家用电器具等【7 4 j 。 与铝合会相比，镁合会的密度、比热和凝固潜热较小，熔点较低，熔化和压 铸时不与铁反应，因此其熔化耗能少，凝固速度快，压射周期可缩短2 0 3 0 ， 压铸型寿命长，一般可达2 0 万次为了避免以上，美国还有压铸型寿命达3 0 0 万 次的报道。但镁合金液易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合会大，在熔化、浇注 衙交通人学睥1 j 后1 0 1 宄t 怍撤告 及压铸型温控制等方面都比铝合金压铸复杂。镁合金压铸时，合金液填压型腔时 的高速湍流运动，使腔内的气体无法排出，会导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包 或变形。为了避免镁合金压铸件出现严重的质量问题，可以引用计算机仿真技术 解决模具设计上的棘手问题。镁压铸件质轻酬用的特点，成为3 c 产品外壳的首 选物料。3 c 产品外型复杂而且纤薄，是制模技术上的一大挑战，计算机辅助设 计设备是不可或缺的工具。 计算机模拟凝固过程，可以帮助工程技术人员在计算机上进行模拟计算。通 过模拟计算。可在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小，部位和发 生的时问进行有效的预测。以便于不断改进工艺，有效控制凝固过程，达到缩短 产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量的目的，使铸造生产由单凭经验的 生产转变为科学理论指导下的生产。应用铸造过程数值模拟技术来改造和提升传 统铸造技术，对于提高企业竞争力，提高企业经济效益具有重要的现实意义。 李日、柳百成【9 j 等人针对船用柴油机链轮探伤缺陷问题，采用数值模拟技术 进行了1 5 种方案的工艺优化并结合现场生产确定了优化方案，经生产实践验证， 方案是成功的。并指出铸钢件要得到致密的少磁痕的基体组织，在工艺设计上不 仅要遵循顺序凝固的原则，在液固界面推进方式上也要注意向逐层凝固的方式 靠近。王君卿【m 1 等人研制开发了湍流与层流流动模式的铸件充型和充型凝固过程 三维数值模拟软件s r i f c a s t ，并在汽车铸件和重大装备铸件上进行了生产应 用，获得了优质铸件。程德新蝌+ 对本公司多品种小批量、单件生产耐压铸钢件 的特点，选用i n t e c a s t ( 华铸c a e ) 软件应用于铸钢件的生产，利用计算机模拟 技术预先进行电脑试浇，确定、优化工艺方案，改变了以往反复试浇、做耐压试 验、解剖或探伤等的耗能、耗时、浪费人力方法，显著降低了生产成本，缩短了 生产周期，提高了产品质量。宋贤发0 2 】引进华铸c a e 软件并应用于球墨铸铁的工 艺优化设计中，利用铸造c a e 技术对不同的工艺方案进行分析、比较及优化，有 效她提供了一个可靠的、快捷的验证过程，使该公司完全实现了无冒口生产厚大 球墨铸件。尹怡民 i3 】等人采用s o l i d w o r k s 三维造型软件对泵体进行三维实体造 型，用铸造c a e 软件对铸件进行凝固过程数值模拟计算，对不锈钢件泵体在凝固 过程中产生的收缩缺陷进行预测，据此制订最优化的铸造工艺，达到了提高铸件 内在质量、缩短试制周期、降低试制成本的目的。冯伟明、柳百成【j 4 】将清华大学 丌发的铸件充型凝固过程模拟分析软件f t - s t a r 应用于大型铸钢件的工艺优化 中f t - s t a r 是国内铸造领域的主要商品化软件包，该系统以可输出s t l 格式文 件的造型软件f 如a u t o c a d 、u g 等) 为三维造型支撑软件，在对铸件进行三维几 海交通人学雠i 后i o h t 作 k 告 何造型并将实体离散为有限差分网格单元的基础上，辅之以一定的边界条件和热 物性参数，进行三维流场及传热计算，最后根据专门研制丌发的判据，定量预测 铸件缩j l 缩松等缺陷产生的部位和大小。李万鹏 ”】等人应用f t - s t a r 软件对叶轮 轮毅铸件进行了三维凝固模拟分析及计算机试浇、优化等工艺设计，确保了铸件 质量，取得了较好的技术及经济效果。赵维民【1 6 】等人以板锤铸件凝固过程的温度 场数值模拟为研究对象，采用有限单元法，利用c a d 和c a e 技术模拟铸件凝固过 程温度场，使其以三维形式真实、直观地展现出来。史东奎7 】等人应f f j m a g m a 软件对汽车铝合会油密封阀壳铸造过程进行了模拟，并分析和预测了铸件可能出 现的内部缺陷的部位和大小，改变传统的底注式浇注系统为顶注式浇注系统，提 高了冒口的补缩效果，排除了通油孔的缺陷，既节约了铝合金材料，又提高了成 品率。马兆敏【l8 】利用a n s y s 有限元分析计算软件，对6 1 0 5 柴油机缸盖狄铸铁件 的三维温度场进行有限元分析，得到从浇注到冷却全过程的温度场。杜强 19 】等人 用v o f ( v o l u m eo ff l u i d ) 法追踪充型过程自由表面进展，采用有限差分法，在 v i s u a l c + + 4 2 平台上，自主开发了铸造充型过程的流动与传热耦合模拟软件 m a p s 。应用此软件对充型过程的b e n c hm a r k 实验【2 0 】进行了模拟，结果与 p r o c a s t 软件和b e n c hm a r k 实验结果符合很好。清华大学李朝霞【2 i 】等应用 f d m f e m 集体成热应力分析系统，模拟了镁合金压铸用模具在压铸过程承受的 应力场和变形。赵康培【2 2 l 立m p r o e n g i n e e r 自带的模流分析模块埋! 料顾问对镁 合金通讯件的压铸过程进行了流场和温度场分析，并根据流动情况分析了潜在的 缺陷，对通讯件的压铸工艺进行了优化的同时，也优化了模具设计方案。马秋【2 应用铸造模拟软件p r o c a s t 对镁合金压铸件的填充过程进行了模拟，以此为依 据对其浇注系统、溢流排气系统进行优化。范立坤【2 4 】等应用s i m t e c 铸造模拟 软件，对摩托车轮毂的压铸充型过程进行了模拟。 1 2 2 真空压铸成形技术发展现状 真空压铸的首次尝试可追溯至1 8 7 2 年，由于早期工作条件不成熟，没能获 得实际成功，几年以后就停止了。到了2 0 世纪2 0 年代，对真空压铸又产生兴趣， 并生产出了号码轮”。1 9 3 2 年，l f r o m e r 将真空压铸归纳为从模具排气道直 接抽气和置模具于真空箱内两种基本方案，但当时都因真空系统存在问题均未付 诸实践，于是又销声匿迹1 。进入5 0 年代术期，真空压铸不但呈现“复苏”的迹 象，而且很快就形成了高潮，各个国家竟相进行研究试验。这一时期，真空压铸 j f ! j _ 交通人学磷i ：后研究1 _ n ：报告 确实有了突破性的进展。然而终因还有技术技术问题难以克服，更主要的是有高 昂的成本为代价，在经济效益方面难以承受。于是真空压铸再次转入低潮【2 ”。就 在这一时期，我国压铸界也大范围地普遍对真空压铸进行了试验。不过这次却给 人们以深刻的启迪。以后真空压铸呈稳步求实、循序渐进的发展趋势，逐步进入 成熟的时期。 近十几年来，真空压铸以抽除型腔内的气体的形式为主流。仅就这种形式而 言，则有真空阀装在模具上与排气道连接的f 2 8 2 9 l ；也有真空阀装在压室浇道料口 上，通过压室抽出型腔气体的；还有在型腔抽气的同时吸入氧气的等。其 中以将真空阀装在模具上较的简便实用，其最大的优点在于模具的设计和结构基 本上与常规压铸相同，分型面、推杆配合面、型腔镶块接合面和冲头压室配合面 等各处都不必加密封填料，只有排气道的设计和计算有所不同( 3 2 】。 真空压铸通过在压铸过程中抽出型腔( 包括压室) 内的气体而消除或显著减 少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。真空压铸过 程中冲头速度最大达l o m s ，充型时间一般为2 0 3 0 s ，真空压铸镁合会铸件的 最小厚度可达1 5 2 o m m ，铸件强度比普通压铸件提高1 0 9 6 以上，韧性提高2 0 5 0 3 3 1 。 真空压铸的关键是在很短的时间内使压铸型的型腔达到要求的真空度，同时 防止金属液进入真空引气管道，实现快速断流。基于此，借助分型面抽真的方法， 将压铸型的排气槽通入断面较大的总排气道，再与真空阀接通，其生产流程【3 4 如图卜1 ： 幽1 1 真空压铸的生产流程幽 f i g 1 - 1p r o d u c a t i o nf l o w c h a r to f v a c u u md i ec a s t i n g 当压射冲头越过浇料口时，行程丌关启动真空阀，通过排气管道在极短的时 5 海交通人学博i j 后f l j | _ 宄丁作报告 问内排出型腔中的气体。当压射冲头进行第二级快压射时，行程丌关控制真空阀 关闭，完成快速断流，同时完成一次真空抽气过程【3 4 】。 真空压铸的特点 3 2 , 3 4 ： 1 ) 对减少或消除压铸件内部的气孔、提高压铸件表面质量和性能、改善压 铸件的成型等方面有良好的效果，同时铸件气密性要求能得到满足： 2 ) 由于在铸型内建立真空，可以减小型腔内的反压力，压射比压可降约2 5 ， 有利于延长模具寿命，同时可选用压射力稍小的压铸机： 3 ) 可消除或减少气孔率，但前提是f 确设计浇注系统、模具结构及f 确选 择压铸工艺参数： 4 ) 不能使缩松减少，尤其在内浇口部位： 5 ) 对模具加工精度要求较高，另外需附加一套真空专用设备，增加了技术 难度和成本，但由于它提高了铸件质量和尘产效率，经济效益也十分可观； 6 ) 增加压铸件的可热处理性和可焊性。 此外真空压铸对其模具加工精度要求较高，另外需附加一套真空专用设备， 增加了技术难度和成本。由于真空压铸提高了铸件质量和生产效率，其经济效益 也是十分可观的。 由此看来，真空压铸在减少铸件内含气量方面无疑是十分有效的。但是，只 有以常规压铸为基础，真空压铸才会有明显的效果，并且采用真空压铸时，还应 注意真空气道的设计及其面积的计算，尤其是计算临界面积，以免错判真空压铸 的效果。 目前己成功地在冷室压铸杌上用真空压铸法生产出a m 6 0 b 镁合金汽车轮毂： 在锁型力为2 9 4 0 k n 的热室压铸机上生产出a m 6 0 b 镁合金汽车方向盘零件。由于 真空压铸对镁合金压铸件性能的改善不如铝合金显著，从而镁合金真空压铸技术 应用并不十分普遍 3 3 】。 1 2 3 低压铸造成形技术发展现状 低压铸造最早由英国人e f l a k e t 3 5 1 于1 9 1 0 年提出并申请专利。其目的是 解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳，避免 气孔、兴渣，一般都采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压 铸造则巧妙地利用坩埚内气压，将会属液由下而上充填铸型，在低气压下保持下 浇道与补缩通道合二为一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解 6 海交通人学 【| ；l j 后i l j i _ 究。r 作报告 决了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。低压铸造 真f 被推广应用是在“二战”以后，当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸 件的壁厚效应，即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的 补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被 应用于厚大断面铸件的铸造。1 9 5 0 年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺 和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而 且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在6 0 年代率先发展 低压铸造汽车轮毂，其后美国、同本、西德相继发展。据1 9 8 9 年统计，美国 p a r k f i c l d 车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达n 2 5 0 万只，日本同立余属制作 所采用1 4 台自动化低压铸造机，年产铝合金轮毂1 8 0 万只。德国s t a h l s c h m i d t m a i w o r n 公司使用3 0 台低压铸造机每年尘产2 0 0 万只铸铝轮毂。8 0 供应0 e m 市场，包括a u d i ，f o r d ，g m ，m e r c e d e s ，8 e n z ，p o r s c h e 和v o l v o 等名车制 造商。法国雷诺公司所有汽车发动机缸盖均采用低压铸造法生产，共1 1 台低压铸 机，日产5 5 0 0 只缸盖 3 6 】。铸铝轮毂市场占有率1 9 8 1 年仅4 ，1 9 9 4 年扩大到4 0 ， 至2 0 0 0 年预计市场份额将扩大n 6 0 ”1 ，铸铝轮毂生产在国际上绝大多数采用低 压铸造法。 目前国外低压铸造机与成套设备著名厂家有：美国e m p i r e 公司，日本i s u z u 公司，英国p l u m e 公司，丹麦公司和德国g i m a 和k u r t z 公司。产品规格比较齐 全，保温炉铝合金容量3 0 0 1 0 0 0 k g 。系列产品已进入中国企业。 汽车零件未来发展的目标是用近净形成形方法生产精密优质的铸件。低压铸 造是近无余量铸造工艺，其特点是铸件充型平稳，并在压力下补缩、凝固，生成 的铸件尺寸精度高，内部质量优良，以及生产率较高等优点，成为镁合金铸件生 产的重要工艺。而在实际生产中往往会出现许多缺陷，如缩孔、缩松、裂纹等， 这些缺陷对产品的使用构成了很大的危险，所以必须找到行之有效的方法消除或 降低。这些缺陷与铸件的充型和凝固过程有很大的关系，通过对铸造过程的分析 可以为消除这些缺陷提供科学的理论依据和方法。 低压铸造三维流动场数值模拟就是利用计算机数值分析技术来模拟低压铸 造各种合理的工艺参数，从而优化低压铸造工艺，提高生产效率。通过数值模拟， 可以科学地计算出低压铸造的充型过程，得到每点的速度值，以此来判断低压 加压规范及模具设计是否合理( 对于低压铸造应尽量做到平稳充型、基本处于层 流状态，所以压力不宜过高；压力场应尽量避免负压区出现，以免卷气、央渣) ， 在此基础上考虑充型过程热量的散失，进行流动与温度的耦合计算，能够得到准 确的初始温度场，为进一步的凝固模拟计算奠定基础，此外，还可以灵活地改变 各种工艺参数，通过模拟一修改一再模拟这一过程，达到优化工艺的目的。 1 9 8 2 年，o t s u k a 对低压铸造铝合金轮毅进行了二维传热分析，模拟了铸件 的顺序凝固，模拟结果与实际吻合较好。自t 9 8 6 年起，s t o e h r 、s w a m i n a t h a m 、 w a n gc h e n g m i n g 等人先后采用s o l a v o f 法对三辐条滑轮进行了模拟及验证，获 得了比较满意的结果。该件采用底注法，由于入口速度可以处理成线性关系，因 此对低压铸造具有参考价值。自1 9 8 8 年起，c m e s a 对低压铸造及永久型铸造凝 固模拟进行了大量的研究，同时对涂料的组织形念、传热性能进行了深入的探讨， 取得了大量的成果。1 9 9 2 年大中逸雄进行了低压铸造的充型模拟，并与实验进 行了比较。1 9 9 5 年安斋浩一用s o l av o f 法及a p iv o f 法对低压铸造铝合金轮毂 充型模式的研究。研究表明，如果充型速度过快则会在辐条处产生卷气，过慢则 会造成金属液充到轮网部位时前沿温度过低，形成浇不足缺陷。j e o n g k i lc h o i 采用了s o r s m a c 法对低压铸造铝合余轮毂的充型凝固过程进行了模拟，并将两 种模拟工艺进行了比较和优化，消除了铸件的缺陷。s w w e n 用m a g m a s o f t 软件 对低压铸造铝合金轮毂进行了充型凝固过程数值模拟，分析铸件的缺陷，优化了 冷却工艺。k k u b o 基于有限元开发出模拟软件s f l o w ，并用以对低压铸造铝合金 轮毂进行了流场分析，充型状态及获得的初始温度场比较理想。同时，采用单元 离散实体，利用直接差分法进行传热计算，对低压铸造铝合金轮毂进行了传热计 算，优化了冷却工艺。国内华中科技大学进行了低压铸造充型过程数值模拟研究 工作，对铝合金轮毂铸件进行了模拟计算。清华大学自1 9 9 3 年起发展了低压铸 造充型凝固过程数值模拟研究工作，进行了铝合金轮毂铸件的充型凝固过程的实 验研究，开发了低压铸造凝固充型模拟分析软件，对铝合金轮毂铸件的充型凝固 模拟分析结果与实验结果一致，提出了低压铸造条件下缩松预测判掘并进行了实 验验证。针对轮毂类型铸件，开发了充型过程模拟简化模型，简化算法可以在较 短的时间内获得铸件的初始温度场，应用于后续的凝固模拟 38 1 。王涛等人利用 z - c a s t 软件模拟了低压铸造锥简美合金的充型和凝固过程，对铸件充型行为、 温度变化及可能产生的缺陷进行了分析，依据分析结果对工艺进行了改进。使用 改进后的一共生产出轮廓完整、性能优良的铸件【3 9 】。在镁合会低压铸造方面我们 应用专业铸造软件p r o c a s t 对镁合会铸件的充型过程和凝固过程进行了数值模 拟，根据所得到的流场情况和缺陷情对其铸造工艺进行了优化。 海交通人学托孽i 后研究丁佧报告 1 3 镁合金板料成形技术概述 变形镁合金研究的一大热点是镁合会板材的成形性研究 4 。国际镁协会 ( i m a ) 带a 定的镁合金丌发与应用三个阶段中，长期的目标就是要丌发变形镁合金 的新合会和新工艺。他们指出，虽然铸造镁合会目前占主导地位，但经过挤压、 锻造、轧制等塑性加工工艺的镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性和更多 样化的机械性能【4 1 - 4 3 1 。发达国家很重视变形镁合会的研究、丌发和应用。 r 本组织实施了“p l a t f o ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u m a l l o y ”计划【”，着重研究镁的新合金、新工艺，丌发超高强变形镁合金材料和 可冷压加工的镁合余板材。1 9 9 9 年，日本索尼、同立会属和东京精锻所共同丌 发成功镁合金冲锻成形技术( p r e s sf o r g i n g ) ，在产业界引起了极大的轰动。与压 铸和半固态成形工艺比较，精密冲锻成形具有生产效率高、成品率高和成本低等 优点，因此，该技术在开发出来的当年就得到了工业应用，达到了月产2 0 万套 的生产规模。精密冲锻成形技术是将冲压成形与锻造成形相结合产生的新技术， 主要工艺过程为将镁合金薄板加热至3 0 0 左右，将加热后的镁合金坯料在加热 模具中进行冲压和锻压，其生产设备采用普通机械式锻压机床即可，其技术关键 在于成形模具与成形工艺，包括模具设计、模具温度控制、变形率与变形速度等 参数控制【”, 4 6 1 。 日本的m a n a b e 【4 7 , 4 8 等采用局部加热坯料的法兰和冷却已成形的杯形件侧壁 工艺来改善镁合金杯形件的极限拉深比，实验还需采用可变动的压边力进行控 制，成形件的拉深比可达到5 0 ，不足之处在于该工艺较复杂，不易控制。温度 是决定镁合金能否良好成形的主要因素，另外，也存在着一些其它影响因素，如 润滑情况、材料性能、模具形状尺寸及成形速率等【4 ”。 泰国的p a i s a r n 5 0 】等采用表面镀类金刚石膜( d l c ) 的模具进行镁合金热拉 深实验，采用这种工艺可以明显改善模具的润滑情况，不仅增加了模具的耐磨性， 成形件也具有良好的表面质量。 台湾的l e e 和c h e n t 5 1 5 2 研究了板材的热等温气压成形技术，取得了一定进 展。在板材热拉深和热气压成形两个实验中，零件的形状均取决于模具的形状， 所不同的是热气压成形时采用加热的气体作为凸模，将坯料不断压入凹模内成形 出所需零件。 j u n i c h ik a n e k o 【5 3 】等研究了织构对a z 31 合金板材成形性的影响，发现a z 3l 板材的各向异性随温度提高而降低，2 0 0 时织构硬化消失，该合金板材具有较 好的杯突深度值。 海交通人学博i 后圳究t 作搬告 s h u h e i ”l 等人研究表明，提高温度可提高a z 3l 合会板材的冲压( 拉深) 能力， 2 0 0 时冲压( 拉深1 能力己较好，最大拉深比可达3 0 ，拉伸延伸率从室温的l o 提高到8 0 9 0 。 d o c g e