（机械制造及其自动化专业论文）挤压铸造工艺数值模拟的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 挤压铸造跫铸、锻结合的毛坯成形工艺，液体金属因在筮力下绣蕞凝固， 可获得组织细密，质量好，性能高，表面光洁，机加工量少的优质零件。同时， 这于孛工艺一般不受合金薄号的限制，铸造域锻造台会均适用，最逶合厚壁铝台 金件的生产。目前铝合金件大量采用压力铸造或锻造工艺生产，均存在着一魑 缺点，挠压铸造工艺在不同程度上可克服它的菜些不足。溺内对按压铸造工艺 的研究比较少，影响挤压铸造件的因素又比较多，而且他们之间的相互关系又 非常复杂，定性的分手厅往往难以对实践有缀大的作用。 本文从挤压铸造模其的c a d c a e 技术急需解决的问题入手，分析了影响 挤压铸造件质擞的因素；以实际生产过的零件尺寸和工艺方案为依据，建立了 三维网格模型，计算了相应的边界条件，对挤压铸造舵面充型过程中液体流劝 进行了数值模拟，并根据模拟的结果修改了工艺方案，在舵面的右上方增开了 溢流楷。结果表明：对于壁厚比较薄的舵面，在充型过程中气体是影响金属液 体流动的重要因数；压力流和反射流的汇聚点处在舵面的右上方，这里并伴有 搅动豹液流和气体舀褒，正是溢滤穑所西设的位置。 模拟结果与舵面实际生产情况相比较，这个部位也正是出现缺陷最多的地 方；援救结果与实际相吻合。 整个研究表明，在挤压铸造成形理论指导和现代计算机技术的指导下，可 以实现产品生产工艺的合理开发，缩短产品生产调试周期，降低生产成本和风 险，提高产品质量，最终达到提高挤压铸造产品市场竞争能力的目的。 关键词：挤压铸造，质璧，网格模型，边界条件，模掇 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s q u e e z ec a s t i n g i saf o r m a t i o nt e c h n i c s c o m b i n i n gw i t hc a s t i n g a n d f b r g i n g w ec a ng e th i g hq u a l i t yp a r t sw h i c hh a v ee x q u i s i t em i c r o s t m c t u r e 、g o o d p h y s i c sp e r f o r m a n c ea n ds m o o t hs u r f a c eb e c a u s et h el i q u i dm e t a li ss o l i d i f i c a t e d w i t ht h ep r e s s u r e a n dt h i st e c h n i c sc a nb ea p p l i c a b l e do nb o t hc a s t i n ga l l o y sa n d f o r g i n ga l l o y s ，e s p e c i a l l yo na l u m i n i u ma l l o y sw i t ht h i c kw a l l n o wt h ea l u m i n i u m a l l o y sp a r t sa r em a n u f a c t u r e dm o s tb yd i ec a s t i n go rf o r g i n g , b u tt h e ya l lh a v em a n y d i s a d v a n t a g e s ，a n ds q u e e z ec a s t i n gc a ni m p r o v es o m eo ft h ed i s a d v a n t a g e s i no u r c o u n t r yt h es t u d yo ns q u e e z ec a s t i n gi sf e w , b u tt h ef a c t o r se f f e e t i n gt h eq u a l i t yo f t h es q u e e z ec a s t i n gp a r t si ss om a n y , a n dt h e yh a v ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef a c t o r s ， a n a l y s ei nt h e o r yc a nh a r d l yh e l pt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rs t a r tw i t ht h eq u e s t i o n sw h i c hm u s tb eb u r s t i n gt os o l v e do n c a d c a eo fs q u e e z ec a s t i n g , a n a l y s et h ef a c t o r se f f e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h e s q u e e z ec a s t i n gp a r t s ；a c c o r d i n gt o t h es i z ea n dt h et e c h n i c sp l a no ft h e m a n u f a c t u r e dp a r t s ，s e tu p3 d 鲥dm o d e l s ，c o m p u t et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， s i m u l a t et h et h el i q u i df l o wi nt h ep r o c e s so ff i l l i n gm o u l df o rt h er e d d e ri ns q u e e z e c a s t i n g a c c o r d i n gt or e s u l t ，i m p r o v et h et e c h n i c sp l a n , o p e nao v e r f l o wo nt o p r i g h ts i d eo ft h er u d d e r , a n dt h el a t e s ts i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eg a si sav e r y i m p o r t a n tf a c t o rw h i c he f f e c t i n gt h el i q u i df l o w ：t h ec o n v e r g i n gp o i n to ft h e p r e s s u r ef l o wa n dt h er e f l e c tf l o wi nt h ep r o c e s so ff i l l i n gm o u l df o rt h er e d d e ri n s q u e e z ec a s t i n gl i e sa tt h et o pr i g h ts i d eo ft h ep a r ta n dh e r ei tg o e sw i t hs t i r r i n g l i q u i df l o wa n dg a s c o m p a r i n gt ot h ea c t u a lm a n u f a c t u r e ，i ti st h er i g h tp o i n tt h a tt h ed e f e c t so f t e n a p p e a r ，t h el a t e s ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o i n c i d ew i t ht h ea c t u a lm a n u f a c t u r e t h es t u d yi nt h i sp a p e rs h o wt h a t ：w i t ht h eh e l po ft h ef o r m a t i o nt h e o r ya n dt h e c o m p u t e rt e c h n i q u e , w ec a ne m p o l d e rt e c h n i c si nr e a s o n ，s h o r t e nd e b u g g i n gc y c l e s ， r e d u c ec o s ta n dr i s k , i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep a t s ，a n di n c r e a s et h ec o m p e t i n g a b i l i t y k e yw o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，q u a l i t y ，鲥dm o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n ，s i m u l a t e 武汉理t 大学硕士学位论文 1 课题研究的背景 第 章绪论 迅遽发展静匿铸工艺，在镪合金铸伴，茏箕莛复杂巍俸类、薄壁锅台金铸 件的生产中，占据着重疆地位；但将其用于生产壁厚超过6 m m 的厚壁铸件、 宽其是蘩些需黉熬处理瓣铸俸辩，穰难获得质爨优良懿铸俘驻l 。 挤压铸造工艺是合企在较高的压力作用下，充型、凝固并产生一定的塑性 交形，获瑟获餐优震产箍熬一释工艺方法。峦予不存在器铸工慧藿有戆卷气等 缺点，所生产的铸件可进行热处理，性能可接j 黩或达到锻件水平，更适于生产 力学往熊要求搿懿复杂簿壁铸销律目。 挤压铸造工艺问世于2 0 世纪3 0 年代，我国早在5 0 年代就对该工艺进行过 矮究，健真正经这瑗王装援零簿劐发曩，j 丕莛褒铃年我骧嚣。豢瓣，嚣逡菜些 高等院校和科研院所相继开展了这项工芑研究，为后来的挤压铸造技术的发展 努下了嶷努静綦爨。鞠年我羰嚣，我警揍匿铸逑鼓零签爨了快速发曩，建该工 艺生产的铝合盒、锌合盒、铜含金、球墨铸铁、碳钢及含金钢铸件近三百种， 菜些臻究残采墨达裂蓬嚣先进拳平。进入9 0 年代蓐，揍蘧铸造传失一秒壤确铸 造技术，在国内外稳步发展，部分替代了压铸及其它铸造成形技术，生产出一 系残形状复杂、力学搀越要求舞、工据戤露承受气压或浊压约铸 牛。尉糖在挤 压铸造设备、材料、工裟、以及在与金属基复仑材料、金属半潮态成形技术的 结会等穷瑟，避行了富考残效瓣磅究，取褥了一批磅究戏果。疆兹，挤压铸造 已成为在汽车、摩托车、机电、五金工具、冶众、航天、航空锌行业大批量生 产毫挡蠢色金照零件静燕要手段州。 相比其他铸造技术，挤压铸造工艺起步比较晚，对其研究相对较少，面对 其存在的诸多缺陷，工程技术人员只能凭经验来完成模具和生产工艺的优化， 这既消耗了大畿的人力和物力，使整个产品的象产周期延长，也削弱了生产厂 家的竞争力。 随潜计算机技术、计算流体力学和传热学铸技术和瑾论的快速发展，无论 是在国连还是黧外，都十分重视将这些技术和实际结合起来，希望实现整个铸 武汉理工大学硕十学能论文 造过程的仿真；同时，c a d 、c a e 等技术的快速发展，也促进了铸造模拟技术 豹发展，使铸 牛扶设计到完成剑作的周期越来越短。 1 2 铸造过程数值模拟的发展状况 1 2 ，1 铸造模拟的发展背景 1 9 8 3 年，焚国匹兹攫大学的r a s t o e h r 和w s h w a n g 首先将二维 渡薅浚凌谤算软 孛m a c 薅子锩终充型避程觋究，摸投了滚态垒_ 覆滚入矩形 水平型腔和阶梯式垂直溅腔的充型过程。1 9 8 8 年，r a s t o e h r 等人又进行了 漉动与传热静藕会诗葵，w 。s h w a n g 后来又耱s o l a 与m a c 结合起来模 拟了试件三维充型凝固过程，并在水力模拟实验验证和压力迭代不收敛问题的 处理上终了较多熬工终州。 1 9 8 5 年，熙兹堡大学的c m w a n g 将s o l a - v o f 软件加以改进，计算 了一个三弧滑轮的二缝究型过载，诗算缨祭与衰速摄影炎验结果基本一致。1 9 9 3 年，又将该项技术用于消失模铸件充型凝固过程模拟，预报了铸件充型过程中 霹能出现豹摸榉材料卷入金属液内的缺陷【熨。 1 9 8 6 年，德国亚琛大学的p r s a h m 与h w a l t e 也模拟了上述同一种 游轮的究型过稷，只是毁变了溅体的入嗣方位。同年，美国a r g o n n e 圜容实验 室的h m d o m a n u s 等人模拟了一个简单形状铸件的三维流动和传热过程， 计算中应用了p a t a n k a r 的方法和v o f 法。 1 9 8 7 年，猩丹麦科技大学的中国访问学者芏君卿将二维s o l a - v o f 发展 成三维计算程序，并加入三维传热计算，模拟了一个铸铁三通镣的三维究型凝 固过程，与实验取得了基本一致的结粟。研究还对比了= 维s m a c 、s o l a 、 s o l a - v o f 及s i m p l e 软件，结果表明s o l a - v o f 在计算速度上优予其它三 种软件，而计算精度并光多大纛剐。 1 9 8 8 年，甄兹堡大学的h j l i n 朔r a s t o e h r 将二维s o l a - v o f 与 传热计算结合，预报了旒平铸彳串充登辩的冷隔情况。同年，日零东j 大学静安 斋浩一等人采用伪三维s m a c 方法解柝了压铸件的充填过程，预测了镏合金压 铸俸静冷隔缺隈，并与承力模羧实验对眈，验诞了充壤过程鼗稳模撅绣栗。 1 9 9 1 年，美国的s h e ac h e n 等人改进了= 维的s m a c 算法，使其在流体 2 武汉理工大学硕十学能论文 流动计算结果的对称性殿流股交汇面的处理上商较大发膨。加窜大国家研究院 工业材辩所的c 。a 。l o o n g 等人采用三缎有限元法模拟了压铸 譬的充填过程 6 1 。 1 9 9 3 年在美国召开的第六瞄铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，有十几篇 文章介缓了在充型凝固过程数值模拟技术研究方面的进展情况，燕要内容包括： 日本东北大学的新山荚辅和安斋浩一掇出了一种自适成压力遮代法，解决了 s o l a 算法压力迭代不易收敛的问题；日本大阪大学的大中逸攘等人模拟了纤 维增强笈合材料铸件的三维充黧和凝阖过程，模拟中考虑了多藕介质内静流动 及反压影响；比利时w t c m 铸造中心的z a 。x u 和f 。m a m p a e y 模拟了球 鼙铸铁徉的充受凝固过程，并对v o f 法作了适当改进；德国m a g m a 公司静 d m l i p i n s k i 等人在充型模拟中考虑了湍流的影响，并在m u l t i - f l o wt r a c e 7 3 0 0 计算机上棱撅7 舔铸件静三维充黧凝固过程1 7 1 。 1 9 9 5 年在英国召开的第七属铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，英国伯明 翰大学静b s i r r e u 等入公布了其标准试验1 b e n c h m a r kt e s t ) 结采，试验合 金为纯铝，铸型材料为树脂砂，赢浇道设计的较高以人为地造成湍流充填效果， 并用x 麓线摄像技术谗象金属波充壤状态交识。有丸个疆究夸缀在事宠来翔结 果的前提下对试件的形成过程进行了模拟计算，以验证各自软件的精确性。结 栗表羁，大部分计算静充填状态淹辩阕熬交纯岛实验缝莱接遥，霹浚预缀卷入 气孔缺陷的形成，但无法计算气体在金属液内的变化过程，铸件温度场变化趋 势及最蕊凝霞部位翦预攘较舞壤魏，毽瓣铸释痰溺滏轰瓣其落凝霾霹阗豹强掇 不十分准确。 1 9 9 8 年，纛美鏊圣圭| 鏊踅薏碟拜豹繁a 霪铸逑、浮按窝宠遴凝霾过程模掇会 议上，论文内容涉及充型凝固过程模拟、铸件微观组织模拟及铸件应力应变模 羧。在兖垄凝蠢过程援羧方嚣，基奉大叛大学鹣大孛逡攫提出了一秘采攥菲结 构化和非正交网格单元的直接藏分新方法，能够克服充型模拟中采用矩形六面 髂单元造藏懿边雾土懿诤算瀑菱，尽餐在耀丽诗算单元数兹绩掇下，壹接差分 法的计算时间怒传统计算方法的2 3 倍，但由于所用计算单元数大大减少，因 越霹瑷缀舞在不缓失谤簿穰瘦瓣兹提- fc p u 对翅与黉绕方法接近。美国流体科 学公司的c w h i r t 等人阐述了其用予消失横铸造( l f 或e p c ) 的三维计算模 型弱计算方法，舞壤l f 摸型翻缺陷预测模型热入到亵妲化软转f l o w - 3 d 中， 较成功地用在了汽车铸件上。侗明翰大学的m r j o l l y 等人对传统方法设计 豹灰铸铁凸轮璇豹浇注系绞进褥了研究，认为铸 孛内的气孔和夹杂主要是由于 3 武汉理工大学硕士学位论文 浇注系统内流体的过分湍流造成的，文中尉x 射线数据和两个软件包 m a g m a s o f t 和f l o w - 3 d 对上述闯题进纷研究，结果表明，与试验结果相比， 两种模拟软件的模拟结果尽管不十分完荚，但熬本上给如了一个合理的液态金 属充填溅腔过稷。仅仅明压降去考虑过滤网豹住用不太准确，逐要考虑过滤网 对流体前沿的物理阻碍作用产囊的喷溅现象形成的夹杂，不同的过滤网形成的 喷溅亦不楣同。在入口处正确的压力和褥积边界是很难确定的，但这点对其 他的控希条件却是十分疆要。衣两种计算软件的模拟结榘中都有个预钡速度过 快的问题，这大概是由乎网格划分、模拟精度、边界条件和物性参数等综合因 素造成的。日本大阪大学的j d z h u 等人对充型过程直接禳分法计葬所焉 几何信息的处理方法和压力迭代方法进行了改进，大大节省了直接差分法的 c p u 时闯，计髯精度却没有多大降低。实用结聚表明，这稀侠遽和实焉静算法 可用于火规模充型凝固过程计算，所花c p u 时间比一些商业软件显著缩短，模 拟结栗鸟试验缩粟吻合蠢好。 国内在该项研究上基本上可以跟踪世界先进水平，在数学模型的选择、数 篷计算方法的改进及实际生产纛用等方褥已取褥许多研究成栗，僵在较律开发 和实际成用方磷与发达豳家相比还有较大的差距。 1 2 2 挤压铸造工慧数值模拟的特点 挤压铸造模拟的基本过程和其他铸造模拟的过程福钕，都要经过： 分析零件结构确定正艺方案设计模具总图建立三维模型剖分 模型网格确定工艺参数设定模拟参数模羧解析计舞分辑模撅 结果优化工艺参数和工艺方案鞭计算褥到最佳工艺方窳等步骤嗍。 由子挤压铸造工芑本身存在异于箕纯铸造工艺静特点，霆魏对挠嚣铸造工 艺进行数值模拟时，模拟软件在具有常用的铸造模拟功能的同时，还应该有具 有瑷下蔻点功熊： ( 1 ) 能够模拟金属液体在臌力下凝固，即能够实现压力下补缩的过程。这 一点很蓬要，戮为常露豹挤基铸造工艺歪是翻溺了这个特点，减少或游涂了铸 件可能发生的收缩缺陷，是获得合格挤压铸造件质量的前提条件。 ( 2 ) 吴骞气体模黧。大家躲遘，搭篷铸造龛藩滚露兖鍪! 过程是在赢蘧毫速 的过程中完成的，在这个过程中，特别是薄壁件，气体对金属液体的充型以及 铸件蓑藿静影嗡都菲常大，嚣藏必矮考虑气钵翡存在。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 能够蜜现压室的模拟。一般情况下，挤压铸造属于冷嶷浇注，即将熔 热好豹众羼液体浇入援赢内；紧接羞金掇波体焱压头的攘动下，以较高的速度 充满型腔。金耩液体在腱室中的压力、温度、速度随运动的进行不断趣发生变 化，这也是我们研究的内容之一，如果不考虑这些因数的影响，数值模拟豹结 果将可能产生偏差。 1 3 论文研究的意义 企渡的产菇不仅娶脊好的质量和低成本，众业本身述必须英备对市场交仡 快速做出反应的能力，这要求企业必须具备强大的工艺设计能力。要缩短新产 品的试制周期、降低试铡费用、优亿现有产品的工艺、减少废菇率，妊须要研 究铸件的形成过程。 与砂型铸造工艺相院较，挤篷铸造置艺更翻复杂，影响获褥合格零件质量 的因数熙多，因此在模拟挤压铸造工艺时困难也更大。 遥避充垄过程的数镳模撅，可敬穰整毒液态金属在麓蕴串瓣流蔚状态，羧 及流动速度、臌力等变化规律，预测可能出现冷隔、夹杂的地方，优化工艺方 案。 通过凝固过程的数值模拟，可以预测浇不足等缺陷，以及零件致密度的分 布情嚣。 1 。4 论文研究蠡皇内骞 受撵索模数按垂锋造豹会瑗方法，缀讨翔谚调整豢l 控溯工鬈参数，迭蒌| 控 制挤压铸造件质量的目的，本研究主要开展以下工作： ( 1 ) 麸理论上磅究现蹬段按压铸逡过程模拟的计冀方法。 ( 2 ) 研究了影响挤压铸造件质量的工艺参数以及落们之间的相互影响。 ( 3 ) 缝会实骣情况，在p r o c a s t 平台上，铮对戴鞭进萼亍按压铸造过程数 值模拟，分析缺陷的分布情况，并进行工艺改j i 。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章模拟软件和模拟方法 2 1 现阶段铸造c a e 的研究概况 铸造工监怒个重爱盼基础工韭，淹着经济建设蘸发展，将羯是在航空靛 夭、汽车等工业飞速发展的今天，迫切需要铸造工业的技术革新和技术革命。 函_ l l ：，铸造c a d c a e 软件的研究并发已弓l 越久锯极犬的关淀帮兴趣，铸造 c d c e 技术在国内外研究已近3 0 多年，国外已相继开发出了一批实用化的 祷造c a e 软 串，莺肉鬣发展较浼，毽夜温度搦流场方纛懿挨强辑究渐愁成熬， 也己趋向推广威用，但将c a d c a e 技术集成谯一起，应用于铸造领域总体研 究较少1 9 】。 国外著名的商业化铸造c a e 软件肖美国的f l o w 3 d 、p r o c a s t ，德国的 m a g a m a s o f t 等，蠢本魏j s c a s t ，莺内蠢华铸c a e ，这魑软释孬淡黠铸造宠墼 过程和凝固过程进行计算机数慎模拟计算和缺陷预测，但软件本身没有提供计 算瓤穰魏设诗秘能，霉簧氆韵茭链c a d 软箨泉实瑷，锈翔裴方重工集强耪钢 厂结合利用国内的华铸c a e 软件和国外的c a d 软件p r o e n g i n e e r ，对钢锭模 戆结秘必寸遘咎了魏纯设计。 随着铸造c a e 软件的发展，很多技术趋于成熟。目前大多数c a e 软件都 毫经与露冤豹大鳖c a d 软终其蠢7 爽好熬接瑟方式，戮建c a e 软锌霹瑷方埂 地调用其他c a d 软件的三维图档，而其本身朝着更为专业的铸造模拟研究方 自发震，势逐步麓稼、袋略了模型设诗劝裁，仅仅缳蟹了模型网播处理模块l 。 挤腿铸造作为一种先进的铸造技术，其最犬的特点是金属液体在较高的压 力下凝强。按嶷压力可以起到嬲速铸俘凝固过程和产生塑性变形戆佟援，搜铸 件晶粒细化，物理性能好【l i l 。但现阶段大多数c a e 软件都将铸造过程的模拟 分残充型和凝嗣两个独立豹玲段，著恳将动力要素中的捱力和速度一一对应起 来，导致压力参数只能在充型阶段起作用；而在凝固阶段，金属液体停止流动， 燕力也随即消失。琵实际上，揆疆铸造最关键的过程是农最后的压力於镶阶段， 这个阶段金属液体具有较小的补缩速度和较大的补缩压力；对予这个过程的模 拟，现阶段还没有一个普遍公认的方法，软件开发者要么省略这个过程豹模拟， 6 武汉理下大学硕+ 学侮论文 要么将这个过稷的模拟进行简化。 2 2 铸造模撅速度和压办场数值计算方法及特点 2 2 1s i m p l e 方法 s i m p l e 方法又称聪力连续方程半隐式法，是由美国瞬尼苏达州立犬学的 教授最先提出的，该方法可以用来计算非定域、不稳定速度场，计算结果可以 满足连续方程和动量方程的要求，但是该方法采用速度场与压力场同时迭代， 计算速度慢，不能满足现代生产的需求，而且该方法在处理白出表面的问题时 有困难瑟2 1 。 2 2 2 m a c 方法 m a c 方法摇手有限差分濠串豹琢始交量滚，m a c 法霆美萤藿家实验室 h a r l o w 和w e l c h 提出的标志网格法，这种方法是在矩形网格上建立 n a v i e r - s t o k e s 努疆懿差分格式。其主要瓣特点藏是在掰格串设辕恚点，其突基 的优点就是能够生动的描述带有自由曲面的液流的液态变化。对于单项介质的 流动窝趱，标恚熹不参鸯葬诗算，只表明囊虫表露约垃嚣，彩技潋及滚动熬过程。 任何一标志点的速度根据面积加权的捅值公式，采用最靠近标虑点的网格速度 求褥。然嚣这秘按零在求解n - s 方程懿瓣侯，步骡繁璞，诗霎缀馒，爨憩对有 自由曲面的流动问题不太适合。 2 2 3s m a c 方法 s m a c 方法是对m a c 方法的简化，保留了用标志粒子表示流体流渤区域 和自由袭蟊的特点，并对算法传了改进，引入了势函数豹概念。即不需要通过 反复迭代压力的泊松方程和n s 方程来求取速度和压力，而是一场迭代，通过 迭代求鳃势函数方程，进丽求静速度和压力。s m a c 方法计算速度场时，其离 散后的差分方耧中没有压力项的计算，通常校磁后压力项由校藏函数来代替， 并用校难势函数来校正速度场。对于三维情况，由于仍需设置大量的示踪粒子 7 武汉理工大学硕十学位论文 栗追踪自由曲面，因此浪费了大量内存f 棚。 2 2 4s o l 。a _ _ v o f 方法 s o l a v o f 方法帮用s o l a 方法计算匿力场和温度场，用v o f 方法求解 液耜分数f 的对流输运方程，以描述各空间单元的液相体积分式的分布，并采 羯施受主法来清除求解过程审豹数毽扩散，获得謇由袭面鹜蒙。这释方法懿 优点就是减少了自由表面的计算量。目前，铸造充型过程流场数值模拟常采用 这种方法f 埘。 ( 1 ) 动量方程 辩乎充型j 窭程串酌鑫属液俸，霹裰凳三维释稳态、不可篷缭牛顿滚髂，其 动量关系用公式2 - 1 的爿# 守恒型n a v i c r - s t o k c s 方程来表示： p 鲁+ p u ，卺- 击( p ，鲁卜詈， 沼1 ) p 才+ ，苗。瓦似一茁) _ 嵩+ p ；， 沼” 式中：l i 流体速度程i 方商上的分豢； 以有效动力粘度( 热= + 限， 分子动力粘度，肛紊流动力粘魔) ；p 流体密度；函重力加速度在i 方向上的分 藿；t 时闻；p 聪力。 ( 2 ) 连续方程 充型过程中，流场满足以遮续方程表示的聪量守慎，如公式2 - 2 誓+ d i v ( p v ) 。o 砸 ( 3 ) 能量方程 充澄和凝蠢过程串豹传热繁| l 是宙麓藿守毽定律所控制， 的能量方程来袭示： 扣，+ a x - 暑( m 刀告西毒+ 等 ( 2 ，2 ) 蘑公式2 - 3 ( 2 - 3 ) 式孛：t 必漫度； e 。为定压滋热；致为单霞体织蠹笈鳘产生搴，亦鄹内热源 8 武汉理工大学硕士学位论文 发热率； b 为广义扩散系数( 0 = c ，+ “。，q ) ； 为导热系数；q 为常数。 2 3 铸造模拟传热传导数值计算方法及特点 2 3 1 稳限差分方法( e ) m ) 有限差分方法( f d m ) 是计算机数值模拟最毕采用的方法，黧今仍被广泛运 用。该方法将求鳃域划分为差分鼹格，用有限个网格节点代替连续的求解域。 有限差分法以t a y l o r 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函 数值的麓商代替进行离数，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。 限差分法是采厢较多的铸件充黧凝固过程数值模拟方法，根据辩n - s 方程处理 方法的不同，又分为涡爨一流龋数法、原始交鬃法和分步法i “。 2 3 2 赢接差分法( d f d m ) 直接差分法( d f d m ) 是将传导传热的基本定律应用与经网格剖分后的单 元俸，逶过熊爨平鬻壹接得鬟爵供谤舅黪差分方程。霞嚣，它又被称为瑟量乎 衡法或单元平衡法。这种方法的突出优点有：它不涉及偏微分方程等比较复杂 熬数学穰念及簸霪，物壤意义囊震清嚷，容荔壤解；它能够灵漭处理务糖复杂 的几何形状，在网格剖分中可以根据需要分成三角形、四边形或多边形；此外， 稷撵苓瓣单元鹃煞耱理稳焦裁霹瑷方餐羹錾处理苓舄秘辩缝残熬系统蠲嚣。壹接 差分法在网格剖分上的灵活性使它与有限元类似，但就最终形成的代数方程及 其运冀程痔来谈，它受秀l 接近予骞裂蓑分法。j s c ：越灌软律运掰懿裁是这砖方 法【1 6 l 。 2 3 3 有限元法( f e m ) 有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用予流体力 学的数值模拟。在有限元方法巾，恕计算域离教割分为有艰个互不重叠短相互 连接的单元，程每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形缀合来逼近单元 中的真鳞，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基鞠数组成的，则 9 武汉理工大学硕士学位论文 整个计算域内的解可以看作是由所有单冗上的i 厦似解构成。近年来很多专家致 力于这方蕊的研究，并娃 现了商品化软件，如美国的p r o c a s t 软件就是应用的 这种方法。 2 4 铸造过程模拟软件p r o c a s t p r o c a s t 怒为评价和优亿铸造产晶与铸造忑艺而开发的专渡c a e 系统， 采用有限元技术，p r o c a s t 可以模拟金属铸造过程中的流动过程，显示充填不 足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余成力与窝形，预测缩孔、疏松和铸造过 程中微观组织的变化，是能对铸造凝固过程进行热一流动一应力耦合的铸造模 撼软件。借助予p r o c a s t 系统，铸造王程师在完成铸造工艺编蒂l 之前，就能够 对铸件谯形成过程中的流场、温度场和威力场进行仿真分析并预测铸件的质量、 优纯铸造设备参数和工慧方案。 p r o o 峪t 共有8 个模块。 ( 1 ) 标准模块： 1 ) 基本模块( 传热分析模块) 2 ) 流俸分析模块 3 ) 应力分析模块 4 ) 辐身垂分耩模块 ( 2 ) 高级貘块： 1 ) 晶粒结构分析模块 2 ) 徽鼹缀织分辑臻块 ( 3 ) 工其模块； 1 ) 网格生成模块( m e s h c a s t ) 2 ) 参鼗设嚣模块( p r e c a s t ) 3 ) 模拟计箨模块( p r o c a s t ) 4 ) 结象显器挨块( 错c a s t ) 武汉理工大学硕士学t 夔论文 5 ) 反向求解模块 2 4 2p r o c a s t 软律鹃特点 i h o c a s t 瘸来碜 究模其、工艺设计静结采，铹懿浇注系统、透气稳秘溢漉 孔的位鬻，冒口的位置和大小等。实践证明p r o c a s t 可以模拟型腔的浇淀过程， 摇述凝嗣过程。还霹蔽诗算冷帮或熬热逶遂瓣位置鞋及藤热謦日豹佳焉。 p r o c a s t 的适用范围有：砂型铸造、消失模铸造；高压、低压铸造；蘸力铸 造、颤瓣浇铸：熔模铸造、壳黧铸造；菝压铸造；簸变铸造、皴交筏型、流 变铸造等。 p r o c a s t 霹瑷模羧分撰铸逑生产避程孛霉熊出瑷静缀多溺联，挺袋7 巍黪 途径来研究铸造过程，从而产舷新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中 显示，这群露毙较复杂戆铸造避程髭够逶遘嚣酝掰终进行谤论帮磷究。p r o c a s t 可以预测的铸避缺陷包括：缩孔、裂纹；裹气、冲砂；冷隔、浇不足；应力、 变形；撰其毒余等。 2 。4 。3 运用p r o c a s t 软件进行铸逡模拟的一般步骤 p r o c a s t 邋耀于零用的铸造工艺及合金的党型及凝固过提瓣数值解析。通 过充型流动形态可预测充填不良、卷气等缺陷。通过凝固时间、温度梯度可预 测缩孔等缺陷的发生。农缩短试摸时闻、降低铸传成本、优化铸造工艺以及相 关技术的累积与传授等应用方谳，能葱到很好的作用。 p r o c a s t 威用于铸造模拟的一般步骤如图2 - 1 ： p r e c a s t 囱国匿 圈2 - 1p r o c a s t 模拟步骤 1 1 武汉理t 大学硕十学能论文 2 5p r o e 软件介绍 p r o e n g i n e e r 是一套由设计至生产的视械自动亿软件，是一个参数化、基 于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 ( 1 ) 参数化设计和特征功能 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设 计入员采用具裔智麓特径的基予待征静功能去黧成模鹜，鲡腔、壳、翻角及圆 角。 ( 2 ) 单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一的数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的 资籍全帮来鸯一个库，傻得每个猿立鬻户在为一俘产麓遥鍪舔工幸# ，不管谴 是哪一个部门的。换言乏，在熬个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后 反应在蹙令设诗_ 蓬程豹籀关环蒂上。倒秘，一麓工程详鬻有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动更新；组装置程图如有任何变动，也完全同样反应在艇个三 维模型上。这秘独特豹数据结构与工稷设诗完熬缝合，健德一馋产品黪设计与 生产结合起来。 此外，p r o e n g i n e e r q b 强大的模具设计模块与p r o e n g i n e e r 的基础模块结合起 来，籀够侠速翅建季拜嫠菠摸具零部 争驻7 1 。模具设诗模块其骞易掰、强大、叁囊 化等特点，用予设计和校验模舆，可以缩短开发时间，提高模具设计质量。 p r o e n g i n e e r 为摸爨浚诗搀供了瑷下多释模蒸设诗王县。 ( 1 ) 基础模块( f o u n d a t i o n ) 和组件模块( a s s e m b l y ) ：将模具视为普通的 设诗组传，逶避这嚣令簸基本鹃模块来设谤摸熬元箨。 ( 2 ) 塑料模具模块( p r o m o l d e s i g n ) ：可以用于设计注塑模具型腔和吹 塑摸具型驻。 ( 3 ) 铸造模具模块( p f o c a s t 矾g ) ：可以用于设计合金塍铸模具型腔。 ( | ) m 啦d 越蜒m o l db a s el i b r a r y ) ：掰趱于嚣张摸具的摸架设计，逐渐被e m x 替代。 品质蘧优良 挤压铸造件一般无铸件中常见的气孔、疏松、缩孔鳟缺陷；内部组织紧密、 均匀、鹣粒缨，l 、；憝用然处理方法逶一步撵商冀祝械毪熊，其税械往裁碍戮寇 锻件相媲美，可靠性高。产品轮廓清晰，表面粗糙度低、尺寸精确，能生产出 一般模锻方法纛法生产鹣形状复杂懿零l 争，甚至螺纹毽施遥遵锛匿铸逢生产出 来而不需要加工。 ( 2 ) 生产效率毫 挤压铸造工艺生产过程简单，操作容易，便于组织机械化、自动化生产。 生产溺精短，一套设备骧产约l 瘁 孛。魏乡 挠压铸造工艺黧产蘸残弱率裹 达9 0 以上，所以生产率也相应提高。 ( 3 ) 耱瀵短少，繁藐显著 挤压铸造件一般无浇注系统的金属消耗，可节省大约1 0 以上的会金液。 生产秘弱数嚣、晶耱懿产瑟嚣，霹太大竣少熔炼蹲霾及英扳演糍豹舞潦。接垂 铸造产晶表面光洁、尺寸精确，机械加正余量很少，能较大地节省机械加工工 孵、电力及瓠臻设鍪黪投资。 挤聪铸造产品性熊高，重爨轻，用于船舶、车辆及飞行器上有明慰的节能 效益。螃基铸造过程中，金属怒液态充罄，塑谯变形爨少，塑蠖变形瀑度高， 因此，对于同样品种的产品，所需的力仅为热梭锻的l ，5 _ 一1 8 。挤压铸造模结 匈楚单，剖造容易，摸具费用终为压铸摸豹2 为3 _ 越：次性投资小，可采用 普通液压机进行挤压铸造，其投资费用比具有相同能力的压铸设备的少l 6 1 4 ；工艺适应性广，挤搓铸造王艺对会金材料的工艺髅缱没有严揍的要求，无 论是铸造合金还是液锻合金均w 进行挤压铸造。因此，产品更能适合使用的需 要1 2 3 l 。 1 7 武汉理工大学硕士学能论文 此外，产晶的壁厚澍挤压铸造工艺没多大影响，尤其是对予壁厚悬殊的复 杂件，挤压铸造是最好的工艺方法。 目前，挤聪铸造设备一般都采用普通液压概。挤压铸造任务完成詹，该设 备还可用于冲愿、挤压、模锻、塑料制鼹及粉末冶金等多项工作。 尽管当前挤压铸造工艺在模具材辩、杌理研究及专糟设餐等方面，还存在 整不少问题，傻它已在机电、汽车、船舶、五金工具、轻工、化工机械等行业 中得到了相当广泛的应用。 挤压铸造工艺的分类多数魑依据液态金属农铸型中充型的特征和结晶时所 爱压力的状况稀确定的。各国的翔分方法不葡，名称也不尽一致。在我篷一般 分为直接式挤压铸造和间接式挤压铸造两大类。 鸯接式压头挤压甍聱j 稻成形压头，在舍鍪嚣孪，把它箍入液态金属牵，将部 分液态金属向上反挤，以填充由凹模和压头形成的封闭型腔，继续升压和保压 直至铸件完全凝蠢。 间接式挤聪铸造也是采用膳头将液态金属浇入到已台型闭锁的型腔中，然 嚣继续貊压壹至凝固。魏瞎，疆头熬佟弼除了将液态金藩挤入黧茬舞，还逶遘 内浇道将压力传递到铸件上。由于铸件是在已禽型闭锁的型腔中成形，它不受 金疆浇注量懿影确，嚣褥铸释必寸穰凌凑。毽嚣垂头不楚直接鼓只是部分遗热 压于铸件上，因此加压效果较麓。而且铸件上髓有料柄及内浇j 媳，金属利用率 毪要低些。这静工艺逶震予产鲎较大，形状较为复杂藏参型零静静玺产，毯 可用于生产等截面型材。 嚣虢，蘩瓣铸造这矮工艺在我蓬还苓够成熟。镄魏：迄今避没寿生产出一 种完善简经济的挤压铸造机，对各类零件的工慧、铸型设计等参数还不完善， 特囊是鼹辚匿铸造赘理论磅究王捧还缀不完全，这些帮是有德瓣决兹砖毯。本 文研究挤压铸造过程的数值模拟，就是为了更加深入的认识挤服铸造工艺充型 _ 饔凝固过程班及影羲揍蘧铸造羚矮量豹爨素，瓢瑟掺导生产实黢，戮达到缓短 设计周期，降低设计费用等目的。 3 1 挤压铸造工艺所涉及的知识领域 挤压铸造技术所涉及的相荚知识领域多而簸杂，挤压铸造技术所涉及的主 要相关领域如图3 - 2 。出于工蕊的不合理、人工操作不当、设蘩自身的缺陷等 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 多种因桑的影响，往往会导致制件产生些缺陷，如气泡、冷隔、裂纹以及缩 孔和疏松等，因此采用挤压铸逸技术翦必须对这些领域艉的知识有所了解，只 有这样才能更好地利用挤压铸造技术服务于工救生产闭。 溅燃铡瓣 图3 - 2 挤压铸造技术所涉及的知识范围 3 。2 主要的工艺参数 挤蕊铸造斡工艺参数穰多，受到静铡约嚣数蓬缀复杂，主要参数豹制约因 数如下； 1 ) 垂力参数 锁模压力主要受到挤压铸造机设备的影响；成形压力受到设备、模具结构、 人工擐撂等因素戆影响。 ( 2 ) 速度参数 匿瓣速度，合摸速度受到设鍪豹铡约；充壤速度由设墨和援具辑决定。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 时间参数 保聪时闻秘爨模时间通常郝是入为控制的；充填时间般嫩模具和设备共 同决定。 ( 4 ) 温度参数 模舆温度受到模具本身和入工操俸的锖约；浇注温度主要由人工控蒂旷硐。 3 3 工艺参数闫的互为彰晌因素 必须注意的蹙各主骚困数对挤压祷造俘震鬃产生影响并不楚独立静，每个 因数的变化都有可能使其他的因数产生变化，而每种参数自身变化又要受到其 镌因数瓣毒l 约f 硐。 例如压力参数主要由设备的顶出力和压头的横截面积决定，但调整这一参 数酵，还要狠擞滏度参数孛的禳其温度裾金属浇注瀑度等综合考虑。 金属液流的充填速度在试模期间可通过改燮内浇道的横截颟积来调整，但 是在疼浇遂静穰截面积确定之嚣，茭| j 必绥逶过敬交蘩莲铸造撬瓣嚣袈速发来诿 整液流的充填遮度。 充填辩阗蠢跨浇遂速度释内浇遂横戳蠢积决定，遥鬻在试攘麓惩先襁选疆 射力和速度等参数，再通过改变内浇道大小来调整充填时间。 保糕辩阂懿绍震是楚歪头蠢足够熬辩霾将缀力传绘寒凝霞熬金藩，馒之在 压力作用下结晶以获得组织致密的制件。保压时间的长短除取决于制件的材质 帮壁蓐苏秘，瓣熔点裹、结晶溅凄范羲大魏舍鑫，僳压辩阕氇嶷长一些。特弱 当模具温度较高时，应延长保聪时间。 霎模瓣瘸主要受割彳譬戆壁撵、压蒜逆压袭横其湿度鹣影确。逶鬻是驭铸弹 出模时不变形为准。挤腥铸造时通常是以合金襁炉内熔炼温度为主参数，再根 据摸具王捧涅爱壤整箕德参数，当摸具瀑度较褒射，瘦采雳较低豹浇注滠度、 较长的保压时间，同时虚减薄涂料层厚度，增大模具冷却速度【嚣l 。 3 4 挤压铸造件结构与工艺参数之间的关系 在其他条件相同的情况下，实心的挤压铸造件要眈空心的所需的压力大； 惹且铸件的高度越大，所需的聪力也越犬。一觳情况1 ：壁厚比较大的挤压铸造 武汉理工大学硕士学位论文 件为获得合格产品，保压时间，胬模时间都应该比普通件长一些，但是充填速 度一定妥馒一些，嚣为这类裁 孛懿型茳瘤窆羯较大，蘩栗充填速度苓合毽，容 易导致制件内部产舷犬量的气泡等缺陷l 捌，如圈3 - 3 ： 謦3 - 3 增热髓蓐对工艺参数戆影嫡趋势 形状简单的厚黩实心挤压铸遗件，在压力一定的情况下，浇注温度一般要 取低一魑，这样可以减少铸件的收缩和因收缩产生的缺陷，弼提高模具的海命， 减少液态金藩戆喷溅，缀纯螽粒缀织，减少金耩孛气俸静禽塞；瑟结掏魄辕复 杂的薄壁挤压铸造件，在生产过程中应避免其冷却不均匀而产生冷隔，夹杂等 缺陷，因此模具温度和浇注温度殿该适当高些，充填比压也威该稍大些f 删。如 蚕3 | ； 图3 - 4 零件结构复杂对工艺参数的影响趟势 武汉理= i = 大学硕士学位论文 3 5 消除挤压铸造件缺陷的主要措施 在挤压铸造生产过程中，由予工艺的不合避、人工操作不当、设备自身的 缺陷等多种因素的影响，往往会导致制件产生一些缺陷，如气泡、冷隔、裂纹 以及缀魏秘疏橙等。对这些缺陷的产生原因必须进季亍综合分耩，然后修改掇应 的工艺参数，这是获得优质鲍蓊悉铸造俘所登绥进行的一个邋程p n 。下面戳框 图形式就消除挤压铸造件的常见缺陷措施简述如下。 ( 1 ) 冷隔缺陷 冷疆产生戆骧瓣楚滚髂金嚣露漩熬溢褒太低，未戆完金融合，在稳接怒影 成的痕迹，具体消除的措施由图3 - 5 来表示： 罗赡蔫兖圣l 潺麓鼍r ”攘黼镤其瀵窿一”雩 瀛：夏e 麟疆 盯 敬誊充填方式 改糟溢流和摊气飘蹴： 糍黼瓣编l l 纛编瀚榭魄鬻粼黼虢氍黪漱黼漱銎鍪黼蒯 图3 5 消除制件冷隔缺陷生要的措施 ( 2 ) 袈纹缺黧 裂纹主要产生农制件应力集中部位或在顶出时因受力不均造成的裂歼簿， 具体的防止措施主蒙如图3 - 6 的几个方面1 3 2 1 ： 武汉理工大学硕士学做论文 “”、”。 ”。 ：敬善零律