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浙江工业大学硕士学位论文 铝合金压铸件压力铸造成形数值模拟研究 摘要 压铸铝合金有良好的使用性能和工艺性能，因此铝合金的压铸发展极为迅速，在各个 工业部门中得到广泛的应用。采用数值模拟方法研究铝合金铸件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。 本文利用铸造数值模拟软件p r o c a s t ，结合压铸充型凝固过程数值模拟基本理论，分 析铝合金压铸件充型凝固过程数值模拟结果，预测压铸件中出现的气孔、缩孔缺陷，从而 进一步优化压铸工艺参数，建立合理的工艺方案，满足企业实际生产的需求。本文主要在 以下几个方面做了研究： 1 p r o c a s t 软件没有c a d 造型系统，使用u gn x 4 0 软件进行三维实体建模。分析 u gn x 4 0 与p r o c a s t 软件的两种接口方式，通过数据交换的对比实验，确定采用 p a r a s o l i d s 格式文件进行数据传输。建立合理的压力铸造数值模拟程序流程。 2 根据圆盘压铸件的特点，利用p r o c a s t 软件进行试浇注数值模拟结合经验数据， 建立合适的浇注系统。结合实际情况建立模拟所需要的材料热物性参数和压铸工艺参数， 完成模拟的前处理。由模拟结果分析铸件流场、温度场、凝固情况，预测压铸件气孔、缩 孔等缺陷的形成部位。 3 进行多组工艺参数的压铸成形数值模拟，分析充型凝固过程的流场、温度场，缺 陷预测等结果，得到最佳压铸工艺参数。 4 通过对不均匀壁厚圆筒压铸件的充型凝固过程数值模拟，预测充型凝固过程中产 生缺陷的部位。实际浇注与模拟基本吻合，说明在p r o c a s t 中进行数值模拟的可靠性，为 工艺设计和各项压铸参数的确定提供了科学的指导。 5 本文对压铸充型凝固过程的流场温度场进行耦合分析，而没有进行应力场的耦合。 后续工作可以进行流场温度场应力场的耦合计算，进一步提高数值模拟的精确性。 关键词：压力铸造，铝合金压铸件，充型凝固过程，p r o c a s t ，数值模拟 r e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fd i e c a s t i n go fa l u m i n u ma l l o y d i ec a s t i n g s a b s t r a c t b e c a u s ed i ec a s t i n ga l u m i n u ma l l o y sh a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n dp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s ，t h e d e v e l o p m e n to fi t si n d u s t r y i sv e r yf a s ta n dw i l d l ya p p l i e di nv a r i e si n d u s t r i a ls e c t o r s b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fa l u m i n u ma l l o yd i ec a s t i n gf o r m i n gp r o c e s so fm o l df i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o n ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h ep r o c e s sd e s i g nl e v e l ，e n s u r i n gt h eq u a l i t y o fd i ec a s t i n g sa n di n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t y b yu s i n gc a s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o c a s t , c o m b i n i n g t h eb a s i ct h e o r yo f m o l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o n ，a n a l y z i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ta n dp r e d i c t i n gp o r o s i t y , s h r i n k a g e sd e f e c t sa p p e a r e d i nt h ed i ec a s t i n g s ，i no r d e rt oo p t i m i z ed i ec a s t i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s ，e s t a b l i s hr e a s o n a b l et e c h n i c a lp r o g r a m s ，m e e tt h en e e d so fe n t e r p r i s ep r o d u c t i o n t h e r ea r es e v e r a lr e s e a r c h e si nt h i sp a p e r , a sf o l l o w sm o s t l y ： 1 p r o c a s th a s n ，tc a dm o d e l i n gs y s t e m ，s ou s eu gn x 4 0f o rt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l i n g a n a l y z i n gt w og r a p h i c a ld a t ee x c h a n g es t a n d a r d sb e t w e e nu g n x 4 0a n dp r o c a s t s o f t w a r e ，d o i n gd a t ee x c h a n g eo ft h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s ，s od e t e r m i n ep a k a s o l i d s f o 玎n a tu s e df o rd a t at r a n s m i s s i o n r e a s o n a b l ed i ec a s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf l o wp r o c e s si s e s t a b l i s h e d 2 i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s cd i ec a s t i n g s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s t s o fd i ec a s t i n gc o m b i n e dw i t he m p i r i c a ld a t eh a v et a k e nt ob u i l dt h ea p p r o p r i a t eg a t i n gs y s t e m c o m b i n i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o ns e tu p b ya n a l o gn e c e s s a r yt h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f m a t e r i a i sp a r a m e t e r sa n dd i ec a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ep r e t r e a t m e n to fs i m u l a t i o n h a s f i n i s h e d f r o mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h ef l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s o l i d i f i c a t i o ns t a t e sa r e a n a l y z e da n d t h ep o r o s i t ys h r i n k a g ed e f e c t ss i t ei nt h ep r o d u c ta r ep r e d i c t e d - 3 m a n yg r o u p so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s t sa b o u td i ec a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e t a k e n ， t h r o u g ha n a l y s i so ff l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dd e f e c t sp r e d i c t i o nf r o mm o l df i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o nr e s u l t s ，a tl a s tt h eb e s td i ec a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si sg o t 4 d on u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u tm o l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o no fn o n - u n i f o r m w a l lt h i c k n e s so fc y l i n d e rd i ec a s t i n g ，d e f e c t i v ep a r t si sp r e d i c t e d t h ea c t u a lc a s t i n ga n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tt h a tm a n i f e s tt h er e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c a r r i e do u ta tp r o c a s t , p r o v i d es c i e n t i f i cg u i d a n c et op r o c e s sd e s i g na n dd i ec a s t i n gp a r a m e t e r s c o n f o r i l l 5 t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tf l o wf i e l d - t e m p e r a t u r ef i e l dc o u p l i n ga n a l y s i so fd i ec a s t i n g m o 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 s ，b u tw i t h o u ts t r e s sf i e l dc o u p l i n g f o l l o w u pw o r kc a n t a k ef l o wf i e l d t e m p e r a t u r ef i e l d s t r e s sf i e l dc o u p l i n gc a l c u l a t i o n ，a n df u r t h e ri m p r o v et h e a c c u r a c yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d i ec a s t i n g ，a l u m i n u ma l l o yd i ec a s t i n g s ，m o l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o n ，p r o c a s t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 罗缘予考 7 日期：叼年歹月1 肇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 呀磊警 7 秒抑 日期：p 雩年 日期：叫年 r 月训日 r 月可厂自 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少切削的金属成形精密铸造 方法。由于压铸的高精度、高生产率等优点，这种工艺方法己广泛地应用在国民经济的各 行各业中。压铸件除主要用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外，还广泛应用于家用电器、 农机、通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机等行业。 1 1 压力铸造概述 压力铸造实质上是在高压作用下，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方法【i j o 1 1 1 压力铸造的特点 压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的铸造方法。液态金属在高速高 压作用下射入紧锁的模具型腔内并保压、结晶直至凝固，形成半成品或成品。它所获得的 铸件尺寸精度高( 可达i t 2 5 级) ，机械性能好，表面粗糙度通常可达r a l 6 - 2 5 a n ，是一 种生产效率高的精密成形工艺。在压力铸造中，一般作用于原料上的压力在2 0 - 2 0 0 m p a 范围，充型的初始速度为1 5 7 0 m s ，充型时间仅为0 0 1 0 2 0 s 2 1 。正是由于这种特殊的充 型方式及凝固方式，导致压力铸造具有自身独特的一些优点和缺点【i - 3 优点：( 1 ) 尺寸精度高，表面粗糙度值低。尺寸精度可达i t l i t l 3 级，有时可达i t 9 级。表面粗糙度可达r a 0 8 3 2 o n ，有时达r a 0 4 a n ，产品互换性好。 ( 2 ) 材料利用率高。由于铸件具有尺寸精确、表面粗糙度低等优点，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 8 0 ，毛胚 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。通常铸件的壁厚在l - 6 m m 范围，小铸件可以做得更薄，而大铸件的壁厚可以更厚。对于复杂的零件，或其他铸造方 法无法制备的零件，即使产量小，只能使用压力铸造方法。 ( 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。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。由于铸件在会属型中在压力作用下 凝固，所获得的晶粒细小、组织十分致密，体现出的强度较高，另外由于激冷造成铸件表 面硬化，形成约0 3 - 4 ) 5 m m 的硬化层，表现出良好的耐磨性。 ( 6 ) 生产率极高。因为压力铸造生产易实现机械化和自动化操作，生产周期短，效 率高。一次操作的循环时间约5 s 3 m i n ，一般多为3 0 件m i n ，这种方法适于大批量的生产。 另外，压铸型寿命长，一付压铸型压铸铝合金寿命可达几十万次，甚至上百万次。 缺点：( 1 ) 压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在，这是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。 ( 2 ) 由于压铸机和压铸模费用昂贵，不适合小批量生产。 ( 3 ) 压铸件的尺寸受到限制。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 ) 压铸合金利，类受到限制。由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点合金( 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 2 压力铸造的分类 目前压力铸造技术可分为普通压铸和特种压铸。特种压铸包括真空压铸、加氧压铸、 挤压铸造、半固态压铸等。对于力学性能和内在质量要求较高的铸件需采取特种压铸方法。 压力铸造按压铸机种类，可分为热压室压铸和冷压室压铸 2 , 3 1 。 ( 1 ) 热压室压铸。热压室压铸的压室浸在保温坩埚的液态金属中，压射部件装在坩 埚上面。热压室压铸具有效率高、合金消耗少、金属液干净、工艺稳定、易实现自动化等 优点。但由于压室、压头长期浸在金属液中，使用寿命较短，因而适用于各种低熔点合金， 如锌合金、镁合金等。 ( 2 ) 冷压室压铸。冷压室压铸的压室与保温炉是分开的，压铸时从保温炉中取出液 态金属浇入压室后进行压铸。冷压室压铸按压力传递方向不周又可分为立式和卧式两种。 冷压室压铸适用于压铸各种有色合金和黑色金属，其中立式和卧式压铸适用于有色合金压 铸。 1 1 3 国内外压力铸造研究现状 。建国5 0 多年来，我国的压铸工业从无到有，压铸生产有了相当大的发展，随着我国汽 车、摩托车、家用电器、计算机等工业的发展，对压铸件的需要量日益增加，以生产优质、 - 2 - 浙江工业大学硕士学位论文 精密、大型压铸件的压铸工业得到高速的增长和发展。目前国内压铸机厂正致力于3 0 0 0 0 k n 以上的大型压铸设备的研制、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 4 - - 7 1 。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。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。 已有能力在压住技术与生产领域的各个方面进行开拓性的工作。 然而同国外压力铸造相比，我国压力铸造仍然存在很多不足，主要表现在以下方面： 国外压射系统始终在不断地改进，平均5 8 年就有一次重大改进。而我国压射部分的所有 压射参数的调节均为人工手动，无参数显示系统配套，给压铸工艺规范的实施造成困难， 因而压铸件的质量无法保证，也难以实现自动化【6 1 。合模部分一般采用曲轴机械扩力结构， 其扩力系数只有1 8 左右，而国外高达2 0 多，这在合型力相同时，合型油缸比国外压铸机大 l 4 以上，增加了能量的消耗，也增加了原材料和加工成本。而且合型部分的一些关键零部 件至今未完全过关，直接影响到机器的正常工作1 7 , 8 。 液压系统无法实现压铸机的自动控制。而国外有名的压铸机公司在这方面早已普遍应 用。虽然有少数压铸系统采用，但只是计算机的简单应用，计算机的主要技术没有真正利 用，因此机器的结构与性能就没法得到真正的提高与改进。国产压铸机大都存在漏油的现 象，主要原因是密封件质量差和加工质量问题。我国在压铸模的设计和制造方面，进展较 为缓慢。在压铸模设计中，目前仍主要依靠设计人员的经验。 国外的压铸技术研究目前集中在，压铸机向系列化、大型化及自动化的发展：计算机 软硬件在压铸生产中的应用。以及不断的采用新技术延长压铸模的服役寿命。 1 1 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【9 】： 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、型腔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。 3 浙江工业大学硕士学位论文 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，如新型铝合金、镁合金及金属基复合材料。在原有 的压铸合金的基础上，进一步优化元素组合，进行有效的合金材料设计，提高压铸合金的 性能。 1 2 铝合金压铸的发展 1 2 1 压铸铝合金的分类及特点 压铸铝合金有良好的使用性能和工艺性能，因此铝合金的压铸发展极迅速，在各个工 业部门中得到广泛的应用，用量远远高于其他有色合金，在压铸生产中占有极其重要的地 位。按所含基本元素可将铸造铝合金分为a 1 s i 合金、a i c u 合金、a l m g 合金、a i - z n 合 全【2 ，8 】 皿o ( 1 ) a 1 s i 合金 由于共晶a 1 s i 合金具有结晶温度间隔小、合金中硅相有很大的凝固潜热和较大的比 热容、其线收缩系数也比较小的特点，因此其铸造性能一般要比其他铝合金为好，其充型 能力也较好，热裂、缩松倾向也都比较小。a 1 s i 共晶体中所含的脆性相( 硅相) 数量最少， 质量分数仅为1 0 左右，因而其塑性比其他铝合金好，组织中仅存的脆性相还可通过变质 处理降低其脆性。实验还表明a 1 一s i 共晶体在其凝固点附近温度仍保持良好的颦性，这是 其他铝合金所没有的。 铸造合金组织中常要有相当数量的共晶体，以保证其良好的铸造性能；共晶体数量的 增加又会合金变脆而降低力学性能，两者之间存在一定的矛盾。但是由于a l s i 共晶体有 良好的塑性，能较好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，所以a 1 s i 合金是目前应 用最为广泛的压铸铝合金。 我国压铸铝合金品种中，绝大多数以a 1 s i 合金为主，这类合金存在强度较低、切削 性能不够好、螺纹加工困难等现象，所以近年来我国正在向国际上高强度a 1 s i c u ( j i s ：a d c l o ，a d c l 2 ) 合金标准靠拢。 在美国的高强度a 1 s i c u 合金包括( s c 8 4 a 、s c i1 4 a 、s c 8 4 b 、s c l 0 2 a ) 等中铜的 质量分数为2 o 4 o ，锌的质量分数不超过3 ，硅的质量分数为7 5 12 0 ( 具体见 4 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1 ) ，具有较高的力学性能、良好的压铸工艺性能和机械加工性能【8 5 7 】。近年来我国研 究的a 1 s i c u 新型高强度铝合金有y l i1 2 、y l l1 3 、y l l1 7 等。 表1 1美国标准a s f mb 8 5 9 8 压铸铝合金【5 7 】 合金编号 s if ec um n m g n iz ns n t i a l 其 a n s ia s t mu n s他 余 3 6 0 0s g l 0 0 ba 0 3 6 0 09 o i o o2 o o 6 0 3 5 0 4 0 - 0 6 0 o 5 0o 5 00 1 5o 2 5 量 余 a 3 6 0 os g l o o a a 1 3 6 0 09 o l o o 1 3 o 6o 3 50 。4 0 - 4 ) 6 0 o 5 0 o 5 0 o 1 5o 2 5 量 余 3 8 0 0s c 8 4 ba 0 3 8 0 07 5 9 52 o3 o 一4 0o 5 00 1 00 5 03 00 3 5o 5 0 量 余 a 3 8 0 0s c 8 4 aa 1 3 8 0 07 5 9 。51 33 ，0 - 4 0o 5 0o 1 0o 5 03 oo 3 5o 5 0 量 余 3 8 3 0s c l 0 2 aa 0 3 8 3 0 9 5 1 1 51 32 0 - 3 0o 5 0o 1 0 0 _ 3 0 3 o o 1 5o 5 0 量 余 3 8 4 0s c i l 4 aa 0 3 8 4 01o 5 1 2 o1 33 肛4 5o 5 0o 1 00 5 03 0o 3 5 0 5 0 量 余 3 9 0 0s c l 7 4 aa 0 3 9 0 0 1 6 o 1 8 0 1 3 4 m 。5 oo 5 00 4 5 - 0 6 5 0 1 0o 2 00 2 0 量 余 b 3 9 0 0s c l 7 4 ba 2 3 9 0 016 o l s o1 34 o 5 oo 5 00 4 5 - - - 0 6 50 1 01 5 0o 1 0o 2 0 量 余 3 9 2 0s 1 9a 0 3 9 2 018 0 - 2 0 01 5 0 4 - - 0 8o 2 0 o 6 0 0 8 0 1 2 0o 5 00 5 0o 3 0o 2 00 5 0 爨 余 4 1 3 0 s 1 2 b a 0 4 1 3 01 1 0 - 1 3 。02 o1 oo 3 5o 1 0o 5 0o 5 0o 1 5 o 2 5 受 余 a 4 1 3 os 1 2 aa 1 4 1 3 01 1 0 1 3 o1 31 o o 3 5 o 1 0o 5 0o 5 0o 1 50 2 5 量 余 c 4 4 3 0s 5 c a 3 4 4 3 04 5 - - 6 o 2 o 0 。6o 3 5o 。1 0 o 5 0o 5 00 。1 5o 2 5 量 余 5 1 8 og 8 aa 0 5 1 8 0o 3 51 80 2 5o 3 57 5 8 5o 1 5o 1 5o 1 5 0 2 5 量 ( 2 ) a l - m g 合金 a i m g 合金的性能特点是：室温力学性能好；抗蚀性强；铸造性能比较差；力学性能 的波动和壁厚效应都比较大：长期使用时，有因时效作用而使合金的塑性下降，甚至压铸 件出现开裂的现象；压铸件产生应力腐蚀裂纹的倾向也较大等。a i m g 合金的缺点部分抵 消了它的优点，使其在应用方面受到一定的影响。 ( 3 ) a i z n 合金 a i z n 合金压铸件经自然时效后，可获得较高的力学性能。当其锌质量分数大于1 0 时，强度显著提高。此合金的缺点是耐腐蚀性差，有应力腐蚀的倾向，压铸时易热裂。常 用的y 4 0 1 合金流动性好，易充满型腔，缺点是形成气孔的倾向性大，硅、铁含量较少时， 易热裂。 ( 4 ) 特殊性能的压铸铝合金 国内外研制的特殊性能的压铸铝合金有： 5 浙江工业大学硕士学位论文 装饰型a i m n 合金：适用于阳极氧化处理和着色处理，伸长率高，还具有相当的耐蚀 性。但其强度不高，收缩率大，易粘模。 热处理型a i s i - c u 合金：可进行淬火后不完全人工时效和淬火后完全人工时效至最大 硬度。 此外还有表面处理和热处理复合型的a i m n z n 合金、耐磨型过共晶a l - s i 合金和防爆 防振型a i z n 合金等。另外还有压铸铝合金复合材料，目前尚不普遍。 1 2 2 铝合金压铸件的气孔缺陷 铝合金压铸生产的工件常因气孔存在而导致报废，产生气孔的原因很多，在解决这一 产品质量问题时常常无从下手，如何快速、正确地采取措施减少因气孔而造成的废品率， 这是各铝合金压铸厂家所关注的问题。 在铝合金压铸生产中，依气孔产生的原因，常有如下几类。 ( 1 ) 精炼除气质量不良产生的气孔 在铝合金压铸生产中，熔化了的铝液浇注温度一般常在6 10 - 6 6 0 。c ，在此温度下，铝 液中溶解有大量的气体( 主要是氢气) ，铝合余氢气的溶解度与铝合金的温度密切相关， 在6 6 0 。c 左右的液态铝液中约为0 6 9 c m 3 1 0 0 9 ，而在6 6 0 左右的固态铝合金中仅为 0 0 3 6 c m 3 1 0 0 9 ，此时液态铝液中含氢量约为固态的1 9 2 0 倍。所以当铝合金凝固时，便有 大量的氢析出来以气泡的形态存在于铝合金压铸件中f l o , 1 2 。 减少铝液中的含气量，防止大量的气体在铝合金凝l 古| 时析出而产生气孔，这就是铝合 金熔炼过程中精炼除气的目的。如果在铝液中本来就减少了气体的含量，那么凝固时析出 气体量就会减少，因而产生的气泡也就变少并显著减少。因此，铝合金的精炼是非常重要 的工艺手段，精炼质量好，气孔必然少，精炼质量差，气孔必然多。保证精炼质量的措施 是选用良好的精炼剂，良好的精炼剂是在6 6 0 c 左右可以起反应产生气泡，所产生气泡不 太剧烈，而是均匀不断的产生气泡，通过物理吸附作用，这些气泡与铝液充分接触，吸附 了铝液的氢带出液面。因此冒泡时间不宜过短，一般要有6 8 m i n 的冒泡时间。 当铝合金冷却到3 0 0 时，氢在铝合金中的溶解度仪为o 0 0 1 c m 3 1 0 0 9 以下，此时仅为 液态时的1 7 0 0 ，这种凝同后氢气析出而产生的气孔是分散的，细小的针孔，这不影响漏 气和加工表面，肉眼基本看不见。 在铝液凝固时因氢气析出所产生的气泡比较大，多在铝液最后凝固的心部，虽然也分 散，但这些气泡常常导致渗漏，严重时常导致工件报废。 ( 2 ) 因排气不良产生的气孔 6 浙江工业大学硕士学位论文 在铝合金压铸中，因模具的排气通道不畅，模具排气设计结构不良，压铸时型腔内的 气体无法完全顺畅排出，造成在产品某些固定部位存在气孔。这种由模具型腔中气体形成 的气孔时大时小，气孔的内壁呈铝与空气氧化的氧化色，与氢气析出产生的气孔不同，氢 气析出气孔内壁不如空气孔光滑，没有氧化色，而是灰亮的内壁。对于因排气不良而产生 的气孔，应改进模具的排气通道，及时清理模具排气通道上的残留铝皮是可以解决的。 ( 3 ) 因压铸参数不当造成卷气产生的气孔 在压铸生产中压铸参数选择不当，铝液压铸充型速度过快，使型腔中气体不能完全及 时平稳的挤出型腔，而被铝液的液流卷入铝液中，因铝合金表面快速冷却，被包在凝固的 铝合金外壳中，无法排出形成了较大的气孔。这种气孔往往在工件表面之下，铝液进口比 最后汇合处少，呈梨形或椭圆状，在最后凝固处又多又大。对于这种气孔应调整充型速度， 使铝合金液流平稳推进，不产生高速卷气。 ( 4 ) 铝合金的缩气孔 铝合金同其它材料一样，在凝同时产生收缩，铝合金的浇注温度愈高，这种收缩就愈 大，单一的因体积收缩产生的气孔是存在于合金最后凝固部位，呈不规则形状，严重时呈 网状。往往在产品中，它与凝固时因氢气析出的气孔同时存在，在氢析出气孔或卷气孔的 周围存在缩气孔，在气泡周围有伸向外部的丝状或网状气孔i l 引。 对于这种气孔，应从浇注温度着手解决，在压铸1 二艺条件允许的情况下，尽量降低压 铸时的铝液浇注温度。这样可以减少铸件的体积收缩，减少缩气孔及缩松。如果常在加热 部位出现这种气孔，可以考虑增加抽芯或冷铁，使其改变最后凝固部位，解决渗漏缺陷问 题。 ( 5 ) 因产品壁厚差过大而引起的气孔 产品形状常有壁厚差过大问题，在壁厚中心是铝液最后凝固的地方，也是最易产生气 孔的部位，这种壁厚处的气孔是析出气孔和收缩气孔的混合体，不是一般措施所能防止的。 对产品的形状在设计时就应考虑尽量减少壁厚不均匀，或过厚的问题，采取空心结构， 在模具设计上应考虑增设抽芯或冷铁，或水冷，或增加模具此处的冷却速度。在压铸生产 中，要注意厚大部位的过冷量，适当降低浇注温度等。 从上述气孔的分类中可知，在铝合金压铸生产中产品产生气孔的原因很多，但必须找 出原因对症下药才能解决问题。防止气孔的措施和途径主要有【i i - 1 4 ： ( 1 ) 保证铝合金熔炼的精炼除气质量，选用好的精炼剂除气剂减少铝液中的含气量， 及时清除液面浮渣、泡子之类氧化物，防止再次带入气体进入压铸件中。 ( 2 ) 选择良好的脱模剂，所选用的脱模剂应是在压铸中不产生气体的，又有良好脱 7 浙江工业大学硕士学位论文 模性能的。 ( 3 ) 保证模具的排气通畅不堵死，排气顺畅，保证模具中的气体完全排出，尤其是 在铝液最后聚合处排气通道必须通畅。 ( 4 ) 调整好压铸参数，充型速度不可过快，防止卷气。浇注温度也要控制好。 ( 5 ) 产品设计和模具设计中应注意抽芯和冷却的使用，尽量减少壁差过大的缺点。 ( 6 ) 对常在固定部位出现的气孔，应从模具和设计上改善。 1 2 3 铝合金压铸件技术的新发展 近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题，使之能生产出高强度、高 致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善真空压铸以外 又发展了挤压铸造和半固态压铸等新技术，并概括地称之为“高密度压铸法”。 l 、真空压铸技术 真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中的气压，以利于充型和排 除合金熔体中的气体，使合金熔体在压力作用下充填型腔，并在压力下凝固而获得致密的 压铸件。 2 、充氧压铸技术 压铸件中的气体绝大部分为n 2 和h 2 ，几乎没有0 2 ，主要原因是0 2 与活性金属发生 反应生成了固体氧化物，这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸是住压铸前将氧气 充入型腔，取代其中的空气。当进入型腔时，一部分氧气从排气槽排出，残留的氧与金属 液发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸 件。 3 、半固态压铸技术 半固态压铸是在液态金属凝固时进行搅拌，在一定冷却速度下获得约5 0 甚至更高固 相组分的浆料，然后通过压铸使浆料成形的技术。目前，半固态压铸有两种工艺：即流变 成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装 置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋 压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使半周态金属颗粒经压铸成形。 4 、挤压压铸技术 挤压压铸又称“液态金属模压”。其铸件致密性好，力学性能高，且无浇冒口。我国 一些企业已将其应用于实际生产中。挤压压铸技术具有极好的工艺优势，它不仅能替代传 统的压铸、挤压铸造、低压铸造、真空压铸工艺，还能对差压铸造、连铸连锻、半固态流 r 浙江工业大学硕士学位论文 变铸造工艺进行兼容。专家认为，挤压压铸技术是一项前沿性的新技术，横跨多个工艺领 域，内涵丰富，创新性强，极具挑战性。 5 、电磁泵低压铸造技术 电磁泵低压铸造是一种新崛起的低压铸造工艺，同气体式低压铸造技术相比，在加压 方式方面与其完全不同。其采用非接触式的电磁力直接作用于液态金属，大大降低了由于 压缩空气不纯及分压过高所带来的氧化和吸气等问题，实现了铝液的平稳输送和充型，可 防止由于紊流造成的二次污染。另外电磁泵系统完全采用计算机数字元控制，工艺执行非 常准确、重复性好，使这种工艺在成品率、力学性能、表面质量和金属利用率等方面都具 有明显优势。随着研究的不断深入，这项工艺也愈来愈成熟。 1 3 选题的背景与意义 从近年来的国内外压铸研究来看，随着理论研究方面工作的更加深入，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、型腔内金属 液体的流动压力、模具的温度梯度、模具的变形等方面有很大的理论突破。计算机数值模 拟技术已经日益成熟。 压力铸造成型数值模拟研究在国外已经进行了比较深入的研究，并取得了很多成果。 美国、德国、日本等国家采用m a g m a s o f t 、p r o c a s t 等软件包成功地对各种铝合金压铸 件进行充型过程数值模拟研究，降低生产费用，并使铸件的设计和生产周期大大缩短，提 高了经济效益。结合实际生产状况，迸行试浇注模拟优化工艺设计和工艺参数，因此压铸 成形数值模拟技术有着重大的现实意义。 铝合金圆盘、圆筒压铸件由于其壁厚的不均匀，容易产生气孔和缩气孔等压铸质量缺 陷。对于这样的压铸件，从生产准备到批量生产，牵涉的环节很多，影响因素也很多，包 括材质、模具、设备、工艺等各方面。通过对压铸件进行充型凝固过程数值模拟分析，查 看并分析气孔、缩孔等压铸缺陷产生的原因，为工艺设计的优化提供了科学的依据，节约 生产成本。 通过不断的试浇注试验，工程师可以寻求更优化的压铸工艺参数。这样既能选择合理 的工艺参数，又能避免实际浇注的成本浪费，为企业带来显著的经济效益。希望能通过本 课题能对实际生产有一定帮助，最终的目的都是生产出合格的压铸件，满足企业实际生产 的需求。 浙江工业大学硕士学位论文 一 1 4 压力铸造成形过程模拟仿真研究现状 在压力铸造生产过程中，液态或半固态的金属在高速、高压下充型，并在高压下迅速 凝固，容易产生流痕、浇不足、气孔等铸造缺陷，同时易于造成模具的冲蚀，疲劳裂纹等， 缩短了模具的使用寿命。因此，充分了解充填过程的流动和换热规律，设计合理的铸件、 铸型结构及浇注系统，选择恰当的压铸工艺参数，实现理想的型腔充填和模具的热平衡状 态，不仅可以降低铸件废品率，提高铸件的质量，提高压铸生产率，而且可以延长模具的 使用寿命。 1 4 1 压铸充型凝固过程数值模拟发展现状 目前，国际上压铸过程的数值模拟研究主要有以下几部分：模具与压铸件温度场数值 模拟，型腔的充填过程的流场、温度场数值模拟，模具与压铸件应力场模拟。 模具与压铸件的温度场模拟技术已基本成熟，已有一批实用化软件包投入使用，现正 在深入研究的方向是考虑多种边界条件和完善的热物性参数使模拟更加接近实际过程， 改进算法，提高模拟计算效率。 型腔填充过程的研究开始较晚，是当前压铸数值模拟的热点和难点。1 9 9 0 年，日本学 者安斋浩一等人采用准三维流动解析方法成功地对压铸平板件的充型过程进行了模拟。黄 文星等f 2 1 1 用s o l a v o f 法模拟了压铸充型三维流场，预测了压铸件缺陷。美国的 b 。m i n a i e l 2 2 】将显焓方程与动量方程耦合，研究充型后的残余流动。美国的s c h e n l 2 2 】在s m a c 法的基础上提出了s m u ( s u f a c em a r k e ru s e ) 方法，对二维犁腔中型芯对流体流动产生的影 响做了研究。l h k a l l i e n 2 3 1 利用k - f 双方程模型将紊流的作用结合到m a g m a s o f t 软件 中，对一个具有浇不足缺陷的锁盖压铸件进行了充型过程的模拟分析。y a s u h i r om a e d a 等 1 2 5 数值模拟的方法并且结合实验研究了浇注系统尺寸对铝合金压铸件的充型和铸件质量 的影响。 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1 2 6 1 ，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 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 t ，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。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 由于压铸充型在高压高速条件下进行，是属于非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现象，因而给数值模拟带来了很大的困难。目前研究正在着 眼于改进和完善数学模型和计算方法，使充型模拟更能接近于实际充型情况。 应力场的数值模拟主要着眼于研究热疲劳对模具寿命的影响以及铸件变形等问题。在 这一研究领域中，目前最为活跃的是设立在美国的俄亥俄州州立大学的精确制造工程研究 中心，他们从合金材料到操作工艺，对压铸的每个环节都做了细致而又深入的研究。 国内也有一些学者1 2 7 】对压铸过程数值模拟进行了研究。东南大学、沈阳铸造研究所进 行了压铸充型的二维流场数值模拟研究。上海交通大学采用有限元法进行了压铸模的温度 场模拟。清华大学进行了压铸凝固模拟技术和工艺c a d 的研究，并在此基础上进行了压 铸过程三维温度场、流场及压铸模具应力场数值模拟的研究工作。 1 4