（材料加工工程专业论文）铜合金压铸工艺的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 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，这种工艺方法已广泛地应用在国民经济的各行各业中。在压铸过程中，铸件内部 经常出现气孔和缩孔、缩松等缺陷。针对该问题，本课题在铜合金压铸过程中，如何避 免气孔缺陷以及压铸成型性等方面进行了研究。 本文分析了s o l i d w o r k s 和p r o c a s t 的数据结构。利用了两者接口的s m l + s m 2 = s m 3 形式解决了压射室运动模拟模型创建的问题。解决了数据接口难的问题，建立实验用慢 压射压射室部分模型。并利用s h e l l 模型在p r o e 环境中建立包括铸件与铸型实体表 面的特殊壳体，该方法可以解决c a d c a e 软件之间数据传递问题。 利用p r o c a s t 模拟，得出在给定压射室参数条件下，慢压射加速度在2 m s 2 时，压射 室内金属液将气体完全排出，该加速度条件下，当模具温度2 0 0 ，浇注温度1 1 5 0 c 时， 获得最佳铸件。 真空压铸可减少铸件内部气孔、改善铸件表面质量和保持生产过程铸件尺寸的稳定 性、降低压射比压。延长模具寿命。本文设计并制造了铜合金压铸用真空系统。并对该 系统进行了计算验证。 在真空压铸模具设计过程中，通过对原有铜合金轴承保持架模具的改造，实现了在 不需全封闭模具的条件下，通过对排气道的多点抽气，加螺旋形排气道的方法，对模具 型腔进行抽真空。该方法模具改进简单，减少技术难度和成本，并提高了铸件质量。 推出慢压射理论加速度理论计算公式，以及真空压铸理论加速度理论公式，通过实 际计算，得出实验室一定条件下的加速度范围1 1 3 虬4 4 m s z ，有效地解决了铜合金压铸 过程中，由于压射室慢压射卷入气体以及压铸过程中常见气孔缺陷。 从产品解剖的各个断面来看，产品出现缺陷的部位与凝固状况的模拟结果基本一致 从而达到预测产品缺陷的目的。通过该工艺参数，可以获得完整铸件。 关键词：慢压射，真空压铸，数值模拟 铜合金压铸工艺的研究 t h er e s e a r c ho f p r o c e s so f c o p p e ra l l o yd i e c a s t i n g a b s t r a c t d i e - c a s t i n gi s as o r to fh i g he f f i c i e n c y , f e wc u t t i n go fm e t a lf i g u r a t i o ne x a c t i t u d e f o u n d r ym e t h o dw h i c hd e v e l o p e dq m c m y i nl a t t e r - d a ym e t a lp r o c e s sc r a f t t h i sc r a f tm e t l l o d h a sb e e nw i d e l yu s e di ne v e r yw a l ko fw o r ki nn a t i o ne c o n o m y d u r i n gt h ew o c 鼯so f d i e - c a s t i n g ，t h ea i rh o l ea n ds h r i n kh o l ef r e q u e n t l ye x i s ti n t h ec a s t i n g t h i sp a p e rw i l l r e s e a r c h h o w t o a v o i d a i r h o l e a n d t h e q u a l i t y o f m o u n d i n g d u r i n g d i e - c a s t i n g t h ed a t ec o n f i g u r a t i o no fs o l i d w o r k sa n dp r o c a s tw a sa n a l y s i si nt h i sp a p e r , u s i n gt h e m e t h o do fs m l + s m 2 = s m 3t os o l v et h ep r o b l e mo fs i m u l a t i o nm o d e lc o n s t r u c t i o n t h i ss o l v e d t h ed i f f i c u l t yo f d a t ei n t e r f a c e a n dc s t a b l i s ht h es h o ts l e e v em o d u l ef o rs l o ws h o tp h r a s e u s e t h es h e l lm o d e lt of o u n dt h es p e c i a ls h e l lb e 似e e nm o u l d c a s t i n gi np r o e t h i sm e t h o dc a l l s o l v et h ep r o b l e mo f d a t et r a n s f e rb e t w e e nc a d c a m t h ea i rc 锄b ev e n tt oc a v i t ve n t i r e t yw h e nt h es l o ws h o ta c c e l e r a t i o ni s2 m s zs i m u l a t e d b yp r o c a s t u n d e rt h ep r e s e n ts l e e v ep a r a m e t e r t h eb e s tc a s t i n gc a nb eo b t a i n e dw h e nt h e m o d e lt e m p e r a t u r ei s2 0 0 4 c t h e p o u r t e m p e r a t u r ei s1 1 5 0 u n d e r t h i sa c c e l e r a t i o n t h ev a c u u md i e - c a s t i n gc a nd e c r e a s ea i rh o l e 、i m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t ya n dk e e pt h e s i z es t a b i l i t y 、r e d u c et h es p e c i f i cp r e s s u r e 、e x t e n dt h el i f eo fm o u l d t h ec ua l l o yv a c u n n l d i e c a s t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n dp m d u c e d t h es y s t e m sw e r ec o m p u t e d t ov a l i d a t e d u r i n gd e s i g nt h ev a c u u md i e c a s t i n gm o u l d s ，w er e a l i z e dv a c u u m i n gc a v i t yo f m o u l d s w i t h o u tt o t a l l ye n c l o s i n gm o u l d sb ym u l t i s p o tb l e e d i n go fs t e a ma n ds p i r a la i rc h a n n e l t h r o u g hi m p r o v eo r i g i n a lc ua l l o yb e a r i n gc a g em o u l d t h i sm e t h o dw a se a s y t om e n dm o u l d ， d e c r e a s et h ec o s ta n dt h ed i f f i c u l t yo f t e c h n o l o g y , i ta l s oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ec a s t i n g t h es l o ws h o tt h e o r ye q u a t i o na n dt h ey a c u u r nd i e - c a s t i n gt h e o r ye q u a t i o nw a sd e d u c t e d ， w eo b t a i nt h er a n g eo fa c c e l e r a t i o n1 3 9 4 4 m s 2u n d e rl a bc o n d i t i o n t h ec o m m o nf l a wo f g a sh o l eg e n e r a t e db yi n v o l v e dg a si nt h es h o tr o o mw a ss e t t l e de f f e c t i v e l yi nt h ec o n r s eo f c ua l l o yd i e - c a s t i n g j u d g i n gf r o mf r a c t u r e so f p r o d u c t s ，p o s i t i o no f f l a w si nt h ep r o d u c t sk e p tc o n s i s t e n tw i t h s i m u l a t i o nr e s u l t so fs o l i d i f y i n gs t a t e t h ep u r p o s eo fp r e d i c t i n gf l a w sw a sr e a l i z e d t h e p e r f e c tc a s t i n g sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h e s ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 沈阳工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s l o ws h o t ，v a c u u md 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 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：二啤日期：丝卑尘生竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：避导师签名：j 歪过日期：三掣， 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造 方法，这种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、防止器械等行业。其中汽车和摩托车制造业是最主要的 应用领域，汽车约占7 0 ，摩托车约占1 0 。在常规压铸过程中，铸件可能出现的缺陷 是气孔和缩孔。真空压铸可减少铸件内部气孔、改善铸件表面质量和有利于生产过程铸 件尺寸的稳定性。其它方面还有：压射时的比压可以降低约4 0 ，有利于延长模具寿命。 有关文献还做出这样的预言：真空压铸是推动压铸工业进入2 l 世纪的关键因素之一【“。 而数值模拟能在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、大小及 发生时间进行有效的预测，对现有工艺进行优化分析，可以获得铸件成形的物理场模拟 结果，并对铸件品质进行预报等一系列的优点f 2 引，从而在实际生产前就采取对策，确保 铸件质量，这无疑对铸造生产来说具有非常重要的意义。 1 1 压铸发展 1 1 1 压铸的发展 一般认为最早的压力铸造机械出现在1 9 世纪初期，那时印刷行业广泛使用铅锡合 金来压铸铅字，1 9 世纪中叶已有专利提出【4 】o1 8 8 5 年o 默根瑟勒研究了以前的专利， 发明了印字压铸机。1 9 0 5 年h 多勒成功研制了用于工业生产的压铸机，这是既能压铸 铅、锡合金，又能压铸锌合金的最早的一台压铸机。随后1 9 0 7 年v 瓦格内设计了鹅颈 式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。1 9 2 0 年英国开发了冷压室压铸机，使压铸机有可 能生产铝合金和镁合金等压铸件。1 9 2 7 年捷克工程师j 波拉克发明了立式冷压室压铸 机。由于储存液态金属的坩埚与压射室分离，可显著地提高压射力，使之更适合工业生 产的要求，克服了气压热压室压铸机的不足之处，从而使压铸生产技术向前推进了一大 步，使铝、镁、铜等合金铸件可广泛采用压铸生产。由于整个压铸过程都是在压铸机上 完成，因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用，将对压铸设备不断提出新的、更 高的要求。而新型压铸机的出现及新工艺、新技术的采用，又促使压铸生产更加迅速地 发展。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，1 9 5 8 年真空 铜合金压铸工艺的研究 压铸在美国获得专利”l ，1 9 6 6 年美国g e n e r a lm o t o r s 公司提出精、速、密压铸法， 出现了双冲头压铸，1 9 6 9 年美国人爱列克斯提出了充氧压铸的无气孔压铸法，为了压铸 带有镶嵌件的铸件及实现真空压铸，出现了水平分型的全立式压铸机。为了提高压射速 度和实现瞬时增加压射力以便对液体金属进行有效的增压，以提高铸件致密度，而出现 了三级压射系统的压铸机【6 】。 当前国外压铸技术发展的趋势是：压铸机向系列化、大型化及自动化发展；计算机 在压铸生产中应用日益增多；压铸工艺不断采用新技术以及开展延长压铸模服役寿命研 究等【7 】o 压力铸造在我国约起始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 7 年上海就有人利用热压室压铸机生 产锌铝合金挂锁，也有的厂用旧式冷压室压铸机生产电风扇上的铝件。但在工业上大量 应用压铸件是始于2 0 世纪5 0 年代，即在1 9 5 8 年以后。在这时期引进了捷克的p o l a k 系列立式压铸机和原苏联卧式压铸机，在汽车、电工和仪表行业中大批量应用压铸件， 从此压铸工艺在我国得到迅速发展。在这以后的十年中，我国的压铸技术取得了一定的 成就，自行设计制造了压铸模，除掌握了常规压铸生产工艺外，尚对一些新工艺，如真 空压铸和黑色金属压铸进行了探讨，压铸件的应用范围扩展到农机、机床、办公用具、 军工等领域【8 】。至2 0 世纪9 0 年代，我国的压铸技术达到相当水平，已自行设计和制造 出成系列的、性能良好的压铸机。国产压铸机从一般小型到5 0 0 0 k n 、6 3 0 0 k n 、8 0 0 0 k n 、 1 0 0 0 0 k n 、1 2 5 0 0 k n 及1 6 0 0 0 k n 的大型压铸机均有生产。目前国内压铸机厂正致力于 2 0 0 0 0 k n 和2 8 0 0 0 k n 压铸设备的研制、完善和投产工作，这标志着我国大型压铸机的 设计、制造技术已具备国际水平。同时，对压铸工艺参数测试技术与装置进行了探讨和 研制，开展了压铸基础工艺参数对合金性能影响的研究，建立了新的压铸合金系列并拓 展了新牌号的压铸合金。研制成水基分型剂，采用从国外引进的大型压铸机，生产出了 大型压铸件，并开始在压铸工艺和模具设计中应用电子计算机技术。更重要的是在这一 时期，我国已建立了自己的压铸技术队伍，培养出一批具有相当水平的压铸技术人才， 已有能力在压铸技术与生产领域的各个方面进行开拓性的工作 g a o l 。近年来，压铸的飞 速发展得力于汽车和摩托车、电子通信、家用电器等行业的高速发展，这几个行业是压 铸件的主要用户。迄今，压铸技术已经在我国形成了自己的体系，并正在稳步发展之中 1 3 1 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 2 压铸的实质及特点 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 1 4 q r 】。 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。压铸时，常用的压射比压在几兆帕至几十兆帕范围内，甚至高 达5 0 0 m p a 。充填速度在o 5 1 2 0 m s 范围内；充填时间很短( 与铸件的大小、壁厚有 关) ，一般为0 o l o 0 3 s ，最短仅有干分之几秒。此外，压铸模具有很高的尺寸精度和 很低的表面粗糙度值【1 8 】。 ( 1 ) 压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度值低尺寸精度可达i t i1 i t l 3 级，有时可达 i t 9 级。表面粗糙度达r a 0 8 3 2 9 m ，有时达r a 0 似1 1 3 ，产品互换性好。 ( 2 ) 材料利用率高由于压铸件具有尺寸精确、表面粗糙度值低等优点，一般不再进 行机械加工而直接装配使用，或加工量很小，只需经过少量的机械加工即可装配使用，所 以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时。其材料利用率约为6 0 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因为熔融金属在高压高速 下保持高的流动性，因而能够获得其它工艺方法难以加工的金属零件。例如，当前锌合金 压铸件最小壁厚可达0 3 m m ；铝合金压铸件可达0 5 m m ；最小铸出孔直径为0 7 m m ；可铸 出螺纹最小螺距为0 7 5 r a m 。 ( 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，使制造工艺简化。 ( 5 ) 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度因为液态金属是在压力下凝固的，又 因充填时间很短，冷却速度极快，所以在压铸件上靠近表面的一层金属晶粒较细，组织致 密，不仅使表面硬度提高，并具有良好的耐磨性和耐蚀性。压铸件抗拉强度一般比砂型铸 造提高2 5 3 0 ，但伸长率有所下降1 9 1 。 ( 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。在所有铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法。 1 1 3 压铸的缺点 铜合金压铸工艺的研究 ( 1 ) 压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在，这是由于压铸时液体金属充填速度极快，型腔 中气体很难完全排除所致，从而降低了压铸件质量。另外，高温时气体内的气体膨胀会使 压铸件表面鼓泡，因此，压铸件一般不能进行热处理，也不宣在高温下工作。 ( 2 ) 不适合小批量生产，其主要原因是压铸机和压铸模费用昂贵，压铸机生产效率高， 小批量生产不经济。 ( 3 ) 压铸件尺寸受到限制，因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。对内凹复杂的铸件，压铸生产也较为困难。 ( 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( 如黑色金属) 压铸模寿命较低，难于用于实际生产。目前，用来压铸的合金主要是锌合金、铝合金、镁 合金及铜合金。 1 1 4 压铸工艺参数的选择 ( 1 ) 压铸压力的选择：从压铸工艺出发，如何合理的确定和选择压射比压和充填速度 是一个重要的问题。为了提高铸件的致密性，增大压射比压无疑是有效的。但是，过高比 压会使压铸模受熔融合金流的强烈冲刷并增加合金粘模的可能性，降低压铸模的使用寿命。 在当前压铸生产条件下，压射比压的选择应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、 合金的特性、温度及排溢系统等确定，一般在保证压铸件成形和使用要求的前提下选用较 低的比压。 ( 2 ) 压铸速度的选择：与比压一样，充填速度也是压铸工艺主要参数之一，充填速度 的高低直接影响压铸件内部和外观质量。充填速度过小会使铸件的轮廓不清，甚至不能成 形。充填速度选择过大，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，降低力学性能。充填 速度的选择，一般应遵循的原则：对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充 填速度和高的增压比压：对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应选择较高 的比压和高的充填速度。此外，合金的浇注温度低、合金和材料的导热性能好、内浇道速 度较大时，也要选择较高的充填速度。 ( 3 ) 浇注温度参数的选择：浇注温度是指从压室进入型腔时液体金属的平均温度。由 于对压室内的金属温度测量不方便，一般用保温炉内的温度表示。 浇注温度过高，合金收缩大，使铸件容易产生裂纹，铸件晶粒粗大，还能造成脆性； 浇注温度过低，易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷。因此，浇注温度应与压力、铸型 沈阳工业大学硕士学位论文 温度及充填速度同时考虑。经验证明：在压力较高的情况下，应尽可能降低浇注温度，最 好使液体呈粘稠“粥状时压铸，这样可以减少型腔表面温度的波动和液体金属流对型腔的冲 蚀，延长压铸模使用寿命；减少产生涡流和卷入空气；减少金属在凝固过程中的体积收缩， 以使壁厚处的缩孔和缩松减少。因而，该经验提高了铸件的精度和内部质量。但对硅含量 高的铝合金则不宜使金属液呈“粥状时压铸，否则硅将大量析出，以游离状态存在于铸件内 部，使加工性能变坏。 ( 4 ) 压铸模温度的选择：压铸模在使用前要预热到一定的温度，预热的作用有两个方 面：其一是避免高温液体金属对冷压铸模的“热冲击，以延长压铸模使用寿命。在压铸过程 中，高温金属液直接冲击型腔，使温度产生周期性变化，如果模具温度变化过大，会因热 应力的变化而使压铸模过早疲劳失效。其二是避免液体金属在模具中因激冷而很快失去流 动性，使铸件不能顺利充型，造成浇不足、冷隔、“冰求等缺陷，或即使成形也因激冷增大 线收缩，引起铸件产生裂纹或表面粗糙度增加等缺陷【2 l 】。 在连续生产中，压铸模温度往往升高，尤其是压铸高熔点合金时，温度升高很快。温 度过高除产生液体金属粘型外，还可能出现逐渐因来不及完全凝固、推出温度过高而导致 变形、模具运动受阻、卡死等问题。同时过高的压铸模温度会使铸件冷却缓慢，造成晶粒 粗大而影响其力学性能。压铸模工作温度一般可按下式计算： 白：昙魄加 式中，t 型是压铸模工作温度( ) ；t 是液体金属的浇注温度( ) ；a t 是温度控 制公差( 一般控制在2 5 ) 。 ( 5 ) 充填、持压和开模时间：充填时间是自液体开始进入型腔起到充满型腔为止，所 需时间称为充填时间。充填时间长短取决于铸件的体积、壁厚的大小及铸件形状的复杂程 度。对大而简单的铸件，充填时间要相对长些；对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。充填 时间与内浇道的截面积大小或内浇道的宽度和厚度有密切关系，必须正确选定。持压时间 和铸件在型中停留时间是指从液态金属充填型腔到内浇道完全凝固时，继续在压射冲头下 的持续时间称为持压时间。持压的作用是使压力传递给未凝固的金属，保证铸件在压力下 结晶，以获得致密的组织【2 2 】。 铜舍金压铸工艺的研究 持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。对熔点高、结晶范围大和厚壁的铸件，持 压时间要长些。若持压时间不足，易造成疏松，如铸件内浇道处的金属尚未完全凝固，由 于压射冲头的退回，金属被抽出，铸件内形成孔洞；对结晶范围小而壁又薄的铸件，持压 时间可短些。 从压射终了到压铸模打开的时间，称为铸件在型中的停留时间。若停留时间过短，由 于铸件强度尚低，可能在铸件顶出和自压铸模落下时引起变形，对强度差的合金还可能因 为内部气孔的膨胀而产生表面气泡。但停留时间太长，则铸件温度过低，收缩大，对抽芯 和顶出的阻力亦大；对热脆性合金还能引起铸件开裂，同时会降低压铸机的效掣2 3 l 。 1 1 5 慢压射理论及其技术研究概况 就普通压铸而言，在压铸过程中，压铸型腔内的气体在很短的充型时问内没有机会逸 出，几乎全部被卷入铸件内，其压力有时可达4 0 1 5 0 m p a 【刎，这些气体在随后的热处理过 程中受热膨胀，使铸件产生鼓包和变形，因此，压铸合金一般被认为不能通过固溶热处理 强化。这就制约了压铸铝合金力学性能的提高，近年来各国学者开展了减少压铸过程卷气 方面的研究，并提出了一些新的压铸技术，比如真空压铸、充氧压铸等以获得少气孔或无 气孔的压铸件，但这些技术现在实现起来还有一定困难。美国的lwg a r b e r 博士研究了慢 压射过程对压铸卷气的影响，发展了普通压铸条件下减少气孔的慢压射理论及技术圆。 慢压射技术及其要点为，卧式冷室压铸时，压室内金属液的上部空间被气体所占据， 在慢压射阶段中，气体或通过模具排出，或卷入金属液内一同进入型腔，成为铸件产生内 部气孔的主要原因之一。为此，多年来，对慢压射阶段的动态行为进行了深入的理论分析 和试验研究，建立了慢压射理论。又随着科学技术的不断进步，为实现这一理论提供了条 件，从而在理论的指导和推动下，对压铸机作了改进，压铸工艺也有了新的提高，于是， 便配套地发展成为慢压射技术1 2 6 - 2 8 1 。 针对压室内气体的影响，lwc r a r b e r i r a 研究了慢压射阶段压室内金属液的波的生成及形 态以及冲头速度和压室初始充满度对波的影响，并以流量守恒和能量不灭定律为基础，开 发了一个理论模型，揭示了压室内波的形成的基本原理，创造性地推导出计算慢压射临界 速度的方法，奠定了临界速度理论。g a r b e r 理论认为，在慢压射阶段，冲头一启动，金属 液的前沿突然掀起而形成为“波”，波掀起的高度是冲头速度的函数，当冲头速度达到一定值， 6 沈阳工业大学硕士学位论文 波掀起的高度恰好达到压室的顶面，波面平稳，而跟随其后的金属液充满整个压室推着波 前进，这个一定值时的速度，便定义为慢压射临界速度。 可以用图1 1 所示的示意图简单地加以解释。图1 1 a 表示冲头速度高于临界速度，金属 液的前沿生成的波突然掀起冲到压室顶面，在过多的能量的推动下，便沿着顶面向前流动 直到能量耗尽，于是，波的最前沿失去垂直速度，从顶面落下，出现翻越而造成包卷气体。 图1 1 b 表示冲头速度以临界速度推进，液流前沿平稳，不发生飞溅，气体聚集在前部金属 液自由表面的上方，被后部充满整个压室的金属液有序地推着前进，气体不会卷入到金属 液内。图1 1 c 表示冲头速度低于临界速度，金属液前沿波难以形成，金属液到达最前端而 折回，并且与后部还在向前的金属液碰撞而产生飞溅，于是，在金属液的后部( 靠近冲头端 面) 出现空间，而使气体卷入到后部的金属液内。同时上述的波的流动形态，在g a l b e r 再次 进行的水模拟试验和高速照相中得到进一步的证实p 0 丑1 。在国内，清华大学自行开发了计算 机程序，对不同慢压射速度压室内的流动形态进行了数值模拟，结果见图1 2 ，模拟结果验 证了g a f b 盯的理论。 壅留醋晶 眩型趁左冱乙弦叨盈盈左左互z 尉亡主要s = 划 li 三三三兰|il 二二三三i - 一 a ) v p v ( c r i t i c a l )b ) v p = v ( c r i t i c a l ) c ) v p v ( c r i t i c a l ) 图1 1 不同慢压射速度下的金属液流动形态及引起的卷气简图 f i g 1 1 t h e f l o w o f f i q u i d s t a t e m a t e r i a l a t t h c d i f f e r e n t p r e s ss p e e d 小结：慢压射技术的理论的基本概念包含： ( 1 ) 慢压射阶段应有一个最佳的波形稳定和包卷气体最少的冲头速度，此即为慢压射临 界速度，它与压室直径和压室初始充满度有关。 ( 2 ) 冲头从静止至达到临界速度应有一个平稳的加速过程，这个加速过程应采用恒量加 速来实现。 ( 3 ) 加速过程所用的行程( 位移距离) 应小于慢压射行程，这样，慢压射结束之前，冲头尚 有一段行程保持以临界速度推进。慢压射技术是压铸基础工艺的理论的深化和发展的结果， 是压铸的摹础理论的组成部分。其功能和作用就是从压射的第一阶段就开始对气体的影响 一7 一 铜合金压铸工艺的研究 加以抑制或阻止，为后面的阶段提供有利条件。所以，原有的工艺技术如正确的模具设计( 尤 其是浇口系统和排溢系统) ，常规的工艺规范和合理的操作规程等，不但必须执行和遵守， 还应相互协调和互为补充，特别是型腔的排气条件，在采用慢压射技术时显得更 图1 2 不同慢压射速度下计算机模拟的流动形态 f i g 1 2t h ef l o w 蜥o f e o r r c n n e r 8 i n l l l l a t i o na tt h ed i f f e r e n t 删 为重要，若配合采用模具定向抽气的真空压铸工艺，则效果会更为明显。 慢压射技术在国外的一些技术领先的压铸机上已经成熟地加以应用。在国内要加以应 用，尚有一个过程，或因压铸机不具备这种性能，或进口了有这种性能的压铸机，亦因各 种原因应用较少。然而，随着压铸件市场的激烈竞争，对压铸件的质量( 尤其是内部质量) 的要求也不断提高，可以预见，慢压射技术的应用将会逐步成熟和日益广泛，我国的压铸 事业也将会有一个新的进展 3 2 - 3 4 1 。 1 2 真空压铸技术 1 2 1 真空压铸的发展及趋势 在压铸工业史上，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t t 3 5 1 。到了本世纪2 0 年代，对真空压铸又发生兴趣， 并曾经生产出了号码轮1 3 6 1 。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现，于是又销 声匿迹p ”。进入5 0 年代末期，真空压铸不但呈现“复苏”的迹象，而且很快就形成了高潮， 一r 一 沈阳工业大学硕士学位论文 各个国家竞相进行研究试验，这一时期，真空压铸确实有了突破性的进展。然而，终因还 有一些技术问题难以克服，更主要的是以高昂的成本为代价，在经济效益方面难以承受， 于是，真空压铸再次转入低潮3 8 1 。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【3 9 】。不过，这次却给人们以深刻的启迪。以后，真空压铸呈现稳步求实、循序 渐进的发展趋势，并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 4 0 , 4 1 】；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1 4 2 1 ，还有在型腔抽气的同时吸入氧气( 设定的且少m - ) 4 3 1 的等。其中以将真空阀装 在模具上的较简便实用，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、型腔镶拼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( 也就是抽气道) 的设计和计算有所不同。 1 2 2 真空压铸的特点 ( 1 ) 显著减少了铸件中的气孔，增大了铸件的致密度，铸件可进行热处理，提高了压 铸件的力学性能。 ( 2 ) 消除了气孔造成的表面缺陷，改善了铸件的表面质量。 ( 3 ) 从铸型型腔抽出空气，显著地降低了充填反压力，并可在提高强度的条件下采用 较低的比压( 较常用的比压约低1 0 1 5 ) 压铸出较薄的铸件，使铸件壁厚减小2 5 5 0 。 ( 4 ) 可减小浇注系统和排气系统尺寸。 ( 5 ) 采用真空压铸法可提高生产率1 0 2 0 。 ( 6 ) 密封结构较复杂，制造安装较困难，成本较高。气孔虽有所减少，但对于壁厚不 均匀、特别是有较厚凸台的铸件，缩松会变得更严重削。 1 2 3 真空压铸密封的方法 ( 1 ) 利用真空罩封闭整个压铸模的方法：合模时将整个压铸模密封，液体金属浇注到 压室后，将压室密封( 利用压射冲头) ，打开真空阀，将真空罩内空气抽出，再进行压铸。 但此方法操作不方便，很少使用了。 ( 2 ) 借助分型面抽真空密封的方法，将压铸模排气槽通入断面较大的总排气槽，再与 铜合金压铸工艺的研究 真空系统接通。压铸时，当压铸冲头封住浇口时行程开关自动打开真空阀开始抽真空。当 压铸模充满金属后，小液压缸将总排气槽关闭，防止液体金属进入真空系统 4 5 j 。 1 2 4 真空压铸模具设计注意事项 ( 1 ) 由于型腔内气体很少，压铸件激冷速度加快，为了有利于补缩，内浇道厚度 比普通压铸加大l o 2 5 。 ( 2 ) 因压铸件冷凝较快，结晶细密，故合金收缩率低于普通压铸 4 6 1 。 1 3 压铸的数值模拟 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能技术，是当今世界各国专 家学者关注的热点m 。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【鹋阍。 铸件凝固过程数值模拟开始于2 0 世纪6 0 年代，丹麦人i c 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剐。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p 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1 5 ”， 1 9 8 4 年j t b e r r y 和j a m b o u l e t 在经过数十年的努力，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【5 2 侧，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。 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，在此领域，美国俄 亥俄州州立大学的精确制造工程研究中心，从合会材料到操作工艺的每个细节都进行了 细致而又深入的研究。 一1 n 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 1 铸造数值模拟技术存在的问题 尽管科技工作者在铸造数值模拟的数学物理模型建立上取得了惊人的进展，但是源 于对材料本质的本构关系认识还有相当的局限、现有检测手段和可以利用的计算资源的 束缚，铸造各领域的计算模型还有许多不完善的地方。比如：应用最为成熟的温度场模 拟在铸件铸型之间气隙热阻问题，高温环境下应力场模型及高温力学性能测试问题，组 织模拟中合金的形核和长大模型以及宏观微观结合问题等等。合金材料的热物性参数直 接影响模拟结果的精确性。随着研究的深入，合金高温状态下的热物性越来越为人们所 关注，而实际生产工艺的复杂性又为这一问题增加了难度。对于复杂过程的三维模拟， 存在着数值方法的适用性、精度保证和网格划分等一系列问题。数值模拟的计算量都很 大，一般都需要在高档图形工作站上甚至并行计算机上进行，即便如此仍然存在效率能 否满足生产需求的问题【5 6 1 。具体讲，p r o c a s t 作为具有世界先进水平的铸造数值模拟 软件，在使用过程中也存在一定问题，比如：由于p r o c a s t 与三维设计软件接口问题、 适合企业需要的热物性参数数据库问题、现有版本p r o c a s t 软件处理铸件凝固收缩后 铸件，铸型气隙热阻问题等等。 1 3 2 数值计算的一般过程与方法 计算机数值模拟系统工作流程如图1 3 所示，一般包括几何模型的建立，网格划分， 求解条件( 初始条件和边界条件) 的确定，数值计算，计算结果的处理及图形显示等具体 环节 5 7 5 a 1 。 实际铸件一般是复杂的三维形状，其凝固过程中的传热也属三维传热问题。因此要 使铸件凝固过程数值模拟软件能够实用化和有较高的精度，必须进行铸件凝固过程的三 维传热计算。为实现这一目的，首先要解决铸件三维实体造型问题。 实用的三维实件造型软件很多，并随着计算机技术的进步不断发展，而且以往只能 在工作站上运行的软件，也可以在微机平台下运行。目前三维实体造型软件的市场主流 品种有k l e a s 、u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 等。国产的三维实体造型软件有高 华c a d 、c a x a m e 、g s c a d 、金银花等产品【3 9 】。 铜合金压铸工艺的研究 图1 3 数值模拟系统工作流程 f i g 1 3w o r kf l o wc h a r to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m 网格划分主要有有限元网格及有限差分网格两种方式，采用边界元法的商品化软件 相对较少。 在有限元或有限差分网格划分基础上，加载边界条件、初始条件，计算出凝固过程 中每个单元( 按点处理) 各个时刻温度、应力、热流密度等物理量，以文件形式存贮，并 对缩孔、缩松、热裂等可能性缺陷的分布提供一种有效的、科学的分析手段。 数值计算即将本来求解随时间、空间连续分布的问题转化为在时问域和空间域有限 离散点上的问题，用这些离散点上的值去逼近连续的分布。理论上，该方法不如数学分 析法直接求解微分方程直观，但是对于处理铸件凝固传热问题却体现出灵活性和适应性 1 4 0 1 。 常用的数值计算方法有三类：有限差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 和边界元法 ( b e m ) 。 有限元法节点配置的方式比较任意，因此，对于具有复杂形状的物体，可以使边界 节点完全落在区域边界上，而在边界上给出较好的逼近；对于由几种材料组合而成的系 统，也可以通过把节点取在分界面上而得到较好的处理：同时，可根据实际需要，在一 部分求解区域中配置较密集的节点( 如温度变化急剧处) ，而在另一部分求解区域中配置 较稀疏的节点，使在不过分增加节点总数的情况下，提高计算精度。 有限元网格剖分相对困难，甚至可能成为数值模拟的“瓶颈”。大型c a d 软件均配 备有限元网格剖分模块，如i - d e a s 、u g 、p r o e ；还有一些专用的有限元分析软件可以 进行网格的划分，如n a s t r a n 、a n s y s 、p a r t r a n 等。 沈阳工业大学硕士学位论文 本课题采用的软件p r o c a s t 是基于有限元算法的铸造工艺数值模拟软件，包括专 门的有限元网格剖分模块m e s h c a s t 。 ( 1 ) 不稳定传热过程的数值计算：铸件凝固过程实际上是“铸件一铸型一环境”之间 的不稳定热交换过程。热传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。在这三种方 式中，热量传递的物理本质是各不相同的【5 9 l 。 热传导是由于导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。热传导理论 是研究物体内部有温差存在时各部位随时间温度变化的规律，用微分式可以表示如下： d q ：堕：一旯塑 ( 1 2 ) 枷- 出观 其中，a 为热导率。 热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。热对流可以表示 为： 由：窖：吼( z t o ) ( 1 3 ) 1 幽疵 。、 其中，哎= ( l 写，u ，五，q ，p ，a ，妒) ，为对流传热系数，是一个关于流体温度、 流速、热导率、比热容、密度、粘度，放热表面形状系数的复杂函数。 热辐射是物体受热后，内部原予振动而出现的一种电磁波能量传递。辐射热交换用 公式可表述为： q = g c ；( 五4 一霉) ( 1 4 ) 其中，占，g 分别为黑度系数和黑体辐射系数。 对于铸造过程，铸件在铸型中凝固，其传热方式是三种方式同时作用的，但是以热 传导方式为主体，同时热对流及热辐射在处理上比热传导复杂得多，一般常忽略两者的 作用，以热传导为主进行讨论 6 0 - 6 1 】。由热传导微分式及傅立叶公式和能量守恒定律，对 三维传热问题可建立如下热传导微分方程： “窘+ 矿0 2 t + 窘 = p c 鲁 弋万+ 矿+ 万j = 百 ( 1 5 ) 铜合金压铸工艺的研究 ( 2 ) 单值条件：热传导问题的完整数学描述，必须根据具体条件才能得出所要求 的计算结果，因而只有热传导微分方程是不够的，必须附加单值条件，即导体的初始条 件和边界条件。 初始条件：物体开始导热的瞬间( 即仁o ) 的温度分布。显然要精确确定铸件开始凝 固时的初始温度场，只能通过铸件充型过程的数值模拟或实测。 边界条件：指物体表面与周围介质热交换的情况。通常遇到的边界条件有以下三类： 第一类：给出物体表面温度t w 随时间t 的变化关系： 瓦= f ( t ) ( 1 6 ) 第二类：给出物体表面的比