（机械设计及理论专业论文）铝合金压铸工艺与压铸模具优化设计.pdf

摘要 本文通过对实际中各种压铸件浇道进行分析，在此基础上对铸件工艺参 数建立了数学模型。该模型可以压铸模具进行良好的参数设计。同时，为优 化模具设计，以某一气动元件为研究对象，融合流体动力学分析方法对模具 浇道、溢流槽、排气道的布置以及缺陷产生如卷气分布、凝固收缩产生的缩 孔等运用流体动力学分析技术对模具进行了分析，优化了分析参数，并与实 际压铸效果进行对比。经实际压铸表明，压铸件气孔少、尺寸精确，满足铸 件使用要求。而且，在模具制作工艺上，对模芯与模框配合尺寸在压铸过程 中热力作用下的承载能力问题进行了分析，得出应用性结论。本研究结果对 模具公司模具制造工艺规范具有实际价值，而且也对解决压铸过程中模具滑 块卡住问题有着相同效果作用。 关键词：压铸工艺数学模型压铸模具优化设计 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y z e ss o m ea l u m i n u ma l l o yd i ec a s t i n g sa n dt h e r u n n e rs y s t e mo fm o l d s ，c r e a t e st h em a t h e m a t i cm o d u l et o o p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fd i ec a s t i n gp r o c e s sa n dm o l d u s i n gb o t ht h ef l u i dd y n a m i cm e t h o da n dt h em e t h o do fh e a t t r a n s m i t ，t h em 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 e so f a l u m i n u ma l l o yb yd i ec a s t i n gw e r es i m u l a t e d o nt h eb a s i s o fa n a l y s i sp r o c e s s ，t h em o l ds t r u c t u r ei so p t i m i z e d t h e p r a c t i c a ld i ec a s t i n gp r o c e s sh a ss h o w e dt h a tt h ed e f e c t s a n dd i m e n s i o n so fd i ec a s t i n gp a r tm e e tt h ed e m a n do fu s a g e o nt h ea s p e c to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ， a p p li c a b l e r e s u l t sa n di m p o r t a n tp o i n t sa r ee m p h a s iz e d k e y w o r d s ：d i ec a s t i n gt e c h n o l o g y ，d i ec a s t i n g d i e m a t h e m a t i cm o d u l e ，o p t i m i z a t i o n 5 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 轻金属压铸件由于重量轻且组织致密、尺寸精度高、表面光洁、强度和 硬度商，而且容易与其他金属部件嵌铸，同时应用性能方面能予以保证，从 而减少了加工以及装配工作量，降低了成本，因而其应用领域不断成增长趋 势。由于压铸过程比较错综复杂，涉及人员、设备、环境，生产的压铸件很 容易出现各种缺陷。目前国内些技术先进的压铸公司，整个压铸过程采用 全自动程序控制，甚至车间温度控制在一定范围，人员操作误差以及环境因 素的影响减少到最低程度，从而保证了工艺稳定性。压铸模具是压铸生产的 主要工艺装备，价格比较昂贵，由于压铸件缺陷的产生而导致模具的更改将 延误生产的顺利进行，故对模具寿命也有很大影响，因此在压铸模具设计时 要考虑到各种因素，如压铸合金材料特性、压铸件几何形状、压铸件技术要 求、制造成本以及模具加工工艺、模具寿命、压铸机及其压铸工艺等。然而 由于模具公司制作模具产品具有多样性特点，很容易导致问题的复杂性，出 现如模具滑块压铸过程中卡住，生产的铸件出现尺寸超差、冷隔、缩孔缩松、 夹渣、气孔多、变形、粘模等问题，往往需通过反复试模、修模来改善模具， 使得整个试生产过程变得极为复杂。 为获得优质压铸件，须根据铸件技术要求，确定压铸模具合理结构，尤 其是压铸模浇排系统设计合理，并且模具加工、装配到位，以及配合压铸机 采用适当的甚至优化的压铸工艺，因而压铸工艺的优化也是极为重要。然而 目前对压铸工艺优化方面缺乏对实际生产数据的整理分析，导致优化的可行 性缺乏有力的技术支撑。 压铸相关计算软件以及压铸模c a e 技术在国外已得到很好的应用，如五年 前的统计表明，美国所有的汽车生产厂家都在使用模拟程序1 t 1 。目前国内公 司应用还处于起步阶段。随着市场竞争的残酷性。以及对产品要求不断提高， 对性能要求已非常接近压铸技术的极限，因此采用新技术新工艺变革传统落 后作业方式，是企业未来生存与发展的根本保障，也是一种必然趋势。 苏州永佳模具有限公司鉴于该公司的快速发展以及为国外模具生产量的 扩大，拟根据铸件特点对模具制造工艺标准化以及在模具设计中引入优化技 术，来解决压铸模具中存在的问题。本课题和该公司合作研究，针对为国外 公司设计制作的气动元件c d t l l 0 铝合金压铸模进行优化设计。 1 1 1 d ? l l o 结构图以及技术要求 该压铸件壁厚相差悬殊，气孔多的问题比较容易出现。而且根据协商 要求，为提高压铸生产效率，模具须采用一模六件设计方案，涉及多浇口问 题，模具型腔充型顺序对压铸件的质量以及生产节奏具有重要影响。压铸件 生产量预计达l o 万件，压铸件结构如图1 】1 所示，材料为a d c l 2 铝合金， 最大壁厚7 5 舢，最小壁厚1 3 r r g n 。 图1 1d ? l l o 压铸件结构图 压铸件技术要求： 1 ) 除产品图规定公差外，铸件未注尺寸公差4 - 0 1 0 。 2 ) 未注圆角r 1 ，未注脱模斜度2 9 。 3 ) 铸件轮廓清晰，表面光洁，顶出面无顶针痕迹。 4 ) 要求无缩孔、夹渣、麻点、裂纹等缺陷，组织致密，强度和硬度高。 5 ) 表面处理。 1 2 压铸工艺优化与压铸模c h e 背景综述 压铸成型属于精密金属成型方法，这种工艺目前广泛应用在各行各业。 自从1 9 0 5 年在美国诞生第一台应用于工程零部件生产的压铸机以来，压铸技 术取得极大的发展。压铸工艺过程的不稳定性因素比较复杂，压铸机的动态 特性以及液压油粘性的变化、能量损耗等导致生产过程的不确定性增加。过 程控制的优劣取决于各个参数如压射力、增压时间、压射速度、二速起动点 的调节、模温、合金温度、涂料的控制程度以及合金的精练与除气处理。由 于传感器技术以及计算机控制技术的发展，目前新型压铸机己内置参数数字 化输入，免除人手调节的误差，可直接存取每批工艺参数，控制系统内置的 控制软件可监察每个参数的变化，以便作出及时的反馈调整，然而适合批量 生产的准确工艺参数依然在于实际与实验。 在压铸本质方面认识突破，可以为压铸生产提供强有力的支持，如日本 研究了“铝合金压铸的压力传递与铸件质量的关系” 2 1 ，文献 2 作者认为 测定型腔内的压力传递和合金液充填行为对压铸件质量的影响是同样重要 的。但压力传递现象及其对压铸件质量的影响，由于检测技术未过关至今尚 搞清，为此他们开发了一种测定铸型型腔内压力传递的新技术，由于压铸件 在很大的温度梯度下很快凝固，表面完全凝固后，铸件内层的压力往往无法 测得，作者在测压处的表面覆上厚0 1 m m 的绝热材料，使表面的凝固时间和 铸件心部相同甚至更长，能测得心部来自浇道的合金液压力，解决了难题，从 而获得了准确的数据，搞清了金属液流速、最大传递压力及压铸件表面粗糙 度与残留气孔 之间的关系。这对实际压铸操作上以及分析技术的准确性都具有实际价值。 压铸模具优良程度在很大程度上取决浇注系统以及排溢系统设计。压铸 生产中，很多对候因为模具浇道形状、浇口与排溢口位置及压铸力等控制参数 选择不合理导致压铸件缩孔、冷隔或者气孔等缺陷。因此浇道和排溢口的形 状、大小、位置以及压铸机压射工艺参数经过优化后可以大大减少这些缺陷。 1 0 目前模具公司在试模修模问题上主要集中于模具浇道系统的修改。压铸工艺 优化软件在国外得到广泛应用，但这些通常属于压铸公司内部使用，很少公 开。 近2 0 年来随着计算机技术迅猛发展，压铸模c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) 成为模具行业的一项新型应用技术。采用c a e 技术后，就能在 制造模具之前，预测合金在型腔中的成型行为，帮助研判潜在的问题，有效地 控制问题的发生，或者对产品做相应修改。压铸模c a e 目前主要以压铸模充型 的流场数值模拟、压铸模压铸件温度场模拟、压铸模压铸件应力场数值 模拟为主。如美国福特汽车公司通过使用计算流体动力学软件( c f d ) 来模拟液 态金属在压铸模内的流动状态，从而减少压铸模溢流槽的体积( 量) 【3 l 。由于 压铸过程中熔融合金以高速度进入模具内，流动成紊流形态，同时由于摩擦 损失以及涡流损耗，模具分型面以及滑块间隙的排气，导致合金在模具内实 际流动过程比较复杂，因此对模拟趋势的把握以及对结果的分析成为关键， 这需要合金、模具、压铸工艺等多方面的知识与经验。压铸件凝固收缩产生 的缩孔缺陷部位预测以及浇口部位凝固时间，对冷却通道的合理位置以及实 施压铸补压时刻增强铸件致密性具有重要意义。 模具温度在生产过程中对产品质量、生产效率有很大影响，模温不平均或 不适当都会导致铸件尺寸不稳定、铸件顶出困难、易变形，产生热应力、粘 模、表面冷隔等缺陷。因此在压铸生产中也产生了一些新技术，如目前国内外 著名压铸厂家在使用高精度模具生产高品质的铸件时，采用模温调节器，通 过对导热油加热的方法，提高模具温度，当导热油不断流过模具内的管道时， 使模具的温度总体均匀地提高到适宜的温度，由于导热油还可以象水一样进 行冷却，当模温超过设定值时，导热油开始起冷却作用，从而使模具温度能 保持在一定范围之内，从而可以保持模具温度的均匀性，提高产品表面质量 和模具使用寿命。因此，模具冷却孔的大小、位置以及冷却介质的流速对模 具温度分布具有重要影响。如上海交通大学采用有限元法模拟压铸模的温度 场，可将压铸模任一截面上不同冷却时间的温度场用图形方式显示出来，运行 结果与红外热成像仪实测温度场接近眈 目前，对铸件以及模具在压铸的过程中变形分析等问题的研究与应用较 少，这涉及到热力耦合场以及铸件凝固后的残余应力分布等问题。由于高温 高压，模具的变形与弯曲时时发生，同时铸件凝固收缩，导致压铸件的形状尺 寸发生变化，如图l t2 所示。 m ( b ) 热模具 “) 热模具锁紧 ( d ) 舍金压力作用 图1 2压铸模具热变形 在应力分析中，清华大学李培峰等对复杂大型铸件的凝固过程热应力进行三 维数值模拟，比较了鼓风机机壳在两种不同工艺方案中的残余应力，并且分 析了水轮机长轴头的热裂倾向，指出了鼓风机启动中裂纹出现与机壳加强筋 方案无关，对铸件品质及生产工艺提供了指导1 5 1 。 综上所述，要生产出优质的压铸件，必须考虑到各种因素的影响，各 环节的疏漏都可能导致铸件缺陷的产生，从而延误正常生产的顺利进行。计 算机技术在压铸行业的逐步应用，对提高质量与效率产生重要影响。 mu麒 一 模具 曲刚 1 3 论文工作主要内容 1 )通过对实际生产中各种压铸件浇道以及压铸机压射参数进行分析，在 此基础上通过神经网络建模技术建立压铸参数数学模型； 2 )对模具进行方案设计； 3 )建立模具分析模型，运用辅助分析方法对所设计的模具浇道、溢流槽、 排气道等合理布置以及缺陷产生如卷气分布、凝固收缩产生的缩孔部位进行 趋势性预测并分析结果和优化设计； 4 )模具加工装配； 5 )通过实际压铸效果进行检验。 第二章压铸工艺优化及模具设计 2 1 压铸工艺设计 压铸过程比较复杂，具有不确定性的特点，因此协调工艺参数是保证压 铸件质量的关键。压铸模具浇道系统是压铸工艺的重要组成部分，由于热交 换、相变、气体与合金的发生反应与作用、压射缸输入与输出非线性关系等， 传统的建模方法很难能够获得精确的数学模型。同时压铸企业经验调试法在 获得压铸主要工艺参数优化值方面不一定能够成功，模具修改比较频繁，比 较延误正常生产。 最近几年来，试图通过模拟人脑功能的人工神经网络( a n n ) 在解决输入与 输出非线性关系映射方面研究越来越多，应用也很广泛。因此在工程中基于 过程输入与输出方法可以取得比较好的效果。由于模具公司制作的压铸模具 供应给压铸厂商比较多，而各厂商生产用的压铸机型号以及控制系统先进程 度参差不齐，这必然涉及到模具浇道与压铸机的配合的稳定性问题，从而影 响铸件的质量。这也是模型建立难的一个因素。因此，对模具公司而言，为 更精确地适合不同的设计制造用途，采用a n n 方法前，对压铸企业压铸机进行 分类，分类方法如图： 图2 1压铸机分类图 分类可以细分到压铸企业同一型号机器的不同机台，通过收集原有生产数据， 建立输入与输出关系的数学模型，从而为压铸调试提供最优参考值。这样分 类的好处在于可以尽最大可能地充分发挥压铸企业自身的机器特性，从而保 证模具与压铸机协调，生产出高质量的压铸件。 a n n 是在人类对大脑神经网络认识理解的基础上人工构造的能实现其某 种功能的、理论化的数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立 的一种信息处理系统，它实际上是由大量简单元件相互连接而成的复杂网络， 具有高度的非线性，能够进行复杂的逻辑操作和模拟复杂的非线性系统鹳。 它是一个数学模型，可以用电子线路来实现，也可以用计算机程序来模拟， 是人工智能研究的一种方法。 1 9 4 3 年心理学家w m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 首次建立了神经网络模 型。此后，神经网络的发展大致经过三个阶段：1 9 4 3 年至1 9 6 9 年为初期，在 这期间科学家们提出了许多神经元模型和学习规则，如m p 模型、h e b b 学习规 则和感知器等；1 9 7 0 年至1 9 8 2 年为过渡期，这个期间神经网络研究经过了一 个低潮期。直到1 9 8 2 年，美国学者j r o p f i e l d 教授提出t b o p f i e l d 网络模型， 将能量函数引入到对称反馈网络中，使得网络的稳定性有了明确的判据。 h o p f i e l d 网络模型可以用电子模拟线路来实现，所执行的运算在本质上不同 于布尔运算，从而对新一代神经网络的研究及其复苏起了关键性作用。1 9 8 6 年d e r u m e l h a r t 等人提出了误差反向传播神经网络算法，用于解决多层网络 权值修正。简称b p 神经网络算法；1 9 8 6 年至今为发展期，神经网络算法得到 长足发展，形成神经网络发展的另一个高潮。神经网络具有以下优点： ( 1 ) 可以充分逼近任意复杂的非线性关系； ( 2 ) 具有很强的鲁棒性和容错性，因为信息是分布贮于网络内的神经元中； ( 3 ) 并行处理方法，使得计算快速； ( 4 ) 可以处理不确定或不知道的系统，因神经网络具有自学习和自适应能力； ( 5 ) 具有很强的信息综合能力，能同时处理定量和定性的信息，能很好地协 调多种输入信息关系； 如前所述，压铸过程是一个多输入多输出的高度复杂的非线性系统。因 此，考虑烈压铸过程的复杂性，通过对压铸过程建立网络模型。剩用人工神 经网络，直接对系统输入、输出关系进行辩识，从而建立网络模型。 目前b p 网络在众多领域成为得至广泛应用，是对非线性可微分函数进行权值 训练的多层网络，其运算过程是一个映射，训练过程则是动态的。这种网络 除了输入层和输出层外，还有一个或多个中间层，也称隐层。b p 网络运行时， 输入模式首先通过加权传到隐层节点，经过激活函数的作用在传到输出节点。 激活函数f 须是可微的、非减的，通常取为s 型函数。多层前馈型网络模型 对于每个输入输出数据对，网络的每一个权值均需要调整，这样的神经网络 称之为全局逼近神经网络。全局逼近神经网络学习速度很慢，容易陷入局部 最小点，隐层节点数的选取无理想的规则可循，会导致无法确定合适的网络 拓扑结构。为避免b p 网络这些缺陷，一些新的网络算法不断发展起来，径向 基函数( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n 简记为r b f ) 网络就是其中之一。 2 2 径向基函数神经网络理论 1 9 8 5 年，p o w e l l 提出了多变量插值的径向基神经网络方法，1 9 8 8 年， b r o o m h e a d 和l o w e 首先将r b f 应用于神经网络设计，构成了径向基函数神经网 络，即r b f 神经网络。径向基函数网络属于局部逼近网络，所谓局部逼近网络 就是对于每个输入输出数据对，只有少量的权值需要进行调整，也正是基于 这一点才使得局部逼近网络具有结构简单、学习速度快的优点。r b f 网络在逼 近能力、分类能力和学习速度等方面均优于b p 网络。如图2 2 所示为径向基函 数神经网络结构图。径向基神经网络由三层组成，其中，隐含层的高斯函数 对输入数据将在局部产生响应，即当输入数据靠近高斯函数的中央范围时， 隐层节点将产生较大的输出；反之，则产生较小的输出。径向基函数网络输 出单元是线性求和单元，所以输出是各隐单元输出的加权和。隐单元的作用 函数用径向基函数，输入到隐单元问的权值固定为1 ，只有隐单元到输出单元 的权值可调。 输入隐含输出 图2 2r b f 网络拓扑结构 隐含层径向基函数一般为高斯函数，其函数表达式为： f t p , h , ) = e x p ( 一学) 。一， 式中： p - 垴，p 2 ，p 。 7 为样本输入； h 为径向基函数的中心值； 仉为非线性变换单元宽度； f 1 ，2 ，m 为隐含层的单元数； 由图可知r b f 径向基函数它是一种局部分布对中心点径向对称的非负非线性 函数，当自变量逐渐远离其中心点时，函数值将逐渐衰减为零。 图2 3高斯函数 径向基神经网络的输出为隐含层单元输出的线性求和，其关系式为： 式中： y 。- - 2 w 。 y j 为输出层第币个神经元节点输出； ( z 一2 ) w 为为第t 个隐单元与第币个输出之间的计算权值； i _ 1 ，2 ，m 为隐含层的单元数； j = l ，2 ，t ) ，t 为输出变量个数： 径向基神经网络的训练分为两个阶段i 第一阶段是对隐含层神经元的训练，包括径向基高斯函数的中心值h 。以及非 线性变换单元宽度q 的确定；对于求取中心值h i ，假设共有p 个训练样本，m 个隐含层神经元，每个隐含神经元都具有一个中心点，对样本进行聚类运算， 则可求得m 个隐含神经元中心值。单元宽度矾描述了每一样本点分散程度，其 计算表达式为： n 2 。= 专车( l - h , ) ( 2 - 3 ) 第二阶段，根据隐含层的参数采用最小二乘对样本进行训练，调整输出层的 权值w ，权值校正过程需要人为确定一个训练样本。 2 3 径向基神经网络建立压铸参数设计数学模型的应用 实际中压铸工艺比较复杂，各参量之间处于高度非线性状态，传统的方 法难以精确地描述它们之间联系。而神经网络可以通过对数据样本进行学习， 识别或发现复杂关系中输入与输出之间的映射关系，通过对输入与输出响应 进行比较分析，建立模型，从而对复杂过程或关键工艺、工序以及设计功能 合理性进行有效控制。如利用充型过程数值仿真软件，通过数值计算获得一 些有关控制参数的实验结果，然后将数值实验结果作为样本数据，运用 l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法训练神经网络，建立起输入参数( 各个工艺参数) 和 输出值( 充型时间和充型结束时型腔内最高温度与最低温度之差) 之间的函数 关系，再使用遗传算法对该问题寻优，从而得到最合适的浇铸参数”1 。国内 已有学者对神经网络模型在压铸工艺过程中的应用进行了研究，根据b p 神经 网络模型预测了压铸压力状况由此进行了浇注工艺参数的整体性设计“。 周勤、罗延科等结合模糊论与与b p 人工神经网络算法创建了内浇口速度与充 填时间的模糊神经网络数学模型嘲。神经网络虽然不能对压铸过程提供本质 上的理解分析，但却能很好地应用于实践，解决实践中碰到的各种问题。压 铸模设计流程如图2 4 所示。 图2 4 压铸模设计流程 模具浇道系统是压铸工艺中的重要组成部分，在根据铸件特点进行模具浇道 系统设计成了设计中的关键。由于压铸工艺中其他参量可以调节如浇注温度、 压射压力等，但模具浇道不合理性无法通过压铸机压铸参数来调整，导致模 具更改频繁从而影响模具正常交付使用且影响模具寿命。 因此，影响压铸过程中压铸件质量的模具浇道内浇口截面积、内浇口厚度是 比较重要的参量，同时压铸机压室冲头直径的大小也是重要因素，这些因素 在压铸调整中比较烦琐。本文为建立从铝合金压铸件到模具之间的精确映射 关系，得到比较满意的模具设计以及压铸效果，以压铸件最小壁厚t 、压铸件 体积v 以及压铸件最大流程l 做为输入参数，以模具内浇口截面积f 、内浇口厚 度t 、冲头直径d 做为输出层，建立r b f 神经网络模型，如图2 4 所示。 压铸件最小壁厚 压铸件体积或重量 压铸件最大流程 隐含层 圈2 4压铸r b f 神经网络模型 内浇口面积 内浇口厚度 冲头直径 本文训练用的样本数据见表2 1 中的将序号为1 2 的数据用作检验用。 输入参数输出参数 铸件重量最小壁最大流内浇口内浇口冲头直 序 ( k g ) 厚程面积 厚度 径 号 ( 哪)( m m )( m i l l 2 )( 唧)( 唧) l3 5 2 5 3 0 04 5 01 5 m m巾1 0 0 22 53 53 8 05 6 02 1m i l l由l o o 32 72 54 0 06 0 02 3 m m 巾1 0 0 4 5 44 5 5 03 9 02 1 l l a巾1 1 0 51 42 52 4 07 51 5n g l l巾6 0 60 721 1 04 01 6t r i m 由5 0 7o 853 9 57 92n l mm 6 0 8o 821 0 03 01 7m i l l由6 0 9o 6 58 9 0 1 9 02 5f i l m 巾7 0 1 03 61 61 4 01 8 62 5m m 由7 0 1 11 6 4 1 5 02 4 61 8t f l m由8 0 1 21 83 。51 6 01 9 71 6f i l m巾7 0 表2 - 1压铸模型样本数据 压铸神经网络计算源程序： p = 3 52 53 0 0 ：2 53 53 8 0 ：2 72 54 0 0 ：5 445 5 0 ；1 42 5 2 4 0 ： 0 7 21 1 0 0 85 3 9 5 ：0 821 0 0 ：0 6 589 0 ：3 61 61 4 0 ： 1 641 5 0 ：1 83 51 6 0 ： t = 4 5 01 51 0 0 ：5 6 02 11 0 0 ：6 0 02 31 0 0 ：3 9 021 1 0 ：7 51 56 0 ：4 01 65 0 7 926 0 ：3 01 76 0 ，1 9 02 57 0 ：1 8 62 57 0 2 4 6l - 88 0 ：1 9 71 67 0 ： l = 1 83 51 6 0 ： o = 1 9 71 67 0 ： f o ri = 1 ：1 1 p m a x - m a x ( p ( i 。：) ) ： 2 0 通过输入的样本建立起神经网络模型，输出模具内浇口截面积f 、内浇口厚度 t 、冲头直径d 的数据值，在模具设计时，可以根据压铸件的特征参数，如铸 件重量，最小壁厚，最大流程等，通过人工神经网络模型预测，得到符合实 际生产条件的参数，从而提高设计效率，减少试模次数和成本。 图2 5 为不同输入参数对应的输出参数( 压铸模设计参数) 。 断 一 础 一 渊捌 一一训一一一一刚刚一一一一训一一一州一一一一一删一一一 擎 媾 蓉 埘 压铸参数样本皴 。 图2 5 压铸神经网络输出图 将序列号为1 2 的数据输入模型，输出结果对比见表2 2 。 内浇口截面积f 内浇口厚度t冲头直径d ( m m 2 )( 啪)( f i l m ) 输出参数 1 8 61 8 由6 6 检验值 1 9 71 6 巾7 0 误差( ) 5 6 1 2 5 5 7 表2 _ 2压铸神经网络输出与实际值对比 由表所示，压铸神经网络输出误差控制在相对较小的范围，可以很好地反映 实际生产条件，说明该网络模型具有可操作性。 2 2 2 2 模具结构设计 2 2 1 压铸件工艺分析 压铸工艺分析采用图1 1 1 所示的d 7 1 1 0 压铸件，该压铸件规格为l l l 2 h ，材料为a d c l 2 铝合金，重n g ，壁厚相差悬殊，最大壁厚7 5 m m ，四个 孔位须铸出，孔位周边需具有足够的强度。内部腔体壁薄，最小壁厚1 3 呻， 表面经处理，铸件气孔多的问题比较容易出现，而且缩松缺陷易出现在厚壁 部分。由于采用一模六件方案，协调浇道与多型腔的分布也是个重要问题。 2 2 2 模具浇道系统设计 压铸模浇道系统包括浇道( 直浇道、横浇道、内浇道) 以及排溢系统( 溢流 槽、排气道) 两大部分。浇道系统对压铸过程中熔融金属的填充形态、压力的 传递、金属进入型腔的速度、排气以及模具的热平衡、压铸件清理工作、合 金的重熔费用有着直接的影响，起着控制和调节作用，尤其对铸件质量影响 很大。因此浇道系统的位置、形状、尺寸为模具设计中最重要的部分之一。 在进行浇道系统设计前，模具分型面的确定是比较重要的前期工作，尤 其是复杂压铸件，得综合考虑铸件形状、质量要求、内浇口位置、脱模方向， 以及模具结构简单，加工、维修方便等因素。在考虑内浇口在压铸件上的位 置时，有一些般性规律： 内浇1 ：3 一般靠近厚壁部分，有利于缩短补压行程； 一般优先充填复杂拐角形状部位，充填流程要短； 铸件内部有足够空间设置浇口，则内浇口设置在内部，有利于模具温度 分布均匀，减少热变形和模具成本； 浇口一般偏离模具型芯部位或者沿型芯轴线方向充填，以免使金属液 飞溅、型芯过热、补压时型芯受力变形； 分型面上浇口宽度受限制，则可设置多浇口进浇，前提条件是使得多 股液流容易融合； 浇口液流方向尽量顺着型腔深度方位，避免直接冲击型壁，以防液流 紊乱而卷入气体； 浇口切除方便而且不伤及铸件，同时浇道对铸件变形影响少。 在内浇口设计时，也必须考虑到溢流槽、排气道的合理位置。溢流槽的 作用主要是作为容纳冷污、产生卷气韵金属液，以及模具型腔排气的过渡区 域，同时对模具的热平衡也有重要作用。设置溢流槽的位置及形状应考虑以 下方式： 横浇道末端或型腔深处； 金属液最后填充的部位； 金属液汇合处及容易产生涡流卷气或氧化夹杂的区域； 内浇口两侧或其他金属液不易直接填充的死角部位： 大平面等容易产生铸件缺陷的部位； 型腔温度较低的部位，借以提高型腔温度； 铸件壁厚变化大，过薄难以填充的部位； 铸件壁厚较厚容易产生缩孔的部位； 其他捧气条件不良的区域。 排气槽一般与溢流槽配合，设置在溢流槽后端，在有些情况下也可在型 腔的部位单独布置排气槽。然而实际中压铸件形状复杂多样，得具体分析考 虑，综合从整体上协调。 c d 7 1 1 0 铸件外形上比较典型，因此分型面为平面形，设置在铸件中间面， 有利于补缩厚壁部分。模具采用一模六腔设计，浇道系统与多型腔的空间布 置为首要问题。 1 )六腔模型腔与浇道系统的空间布置方案 在模具分型面确定之后，内浇道也基本上被确定下来。横浇道末端至压 铸模型腔之间的一段通道称为内浇道。内浇道最重要的任务是使熔融合金形 成良好充填压铸模所需的最佳流动状态。考虑到排气等因素，内浇口设置在 该铸件窄边上，从外侧充型，浇道也方便切除。对多腔模浇道而言，主要是 考虑使得这些型腔同步充填，以防冷热金属不能融合而使铸件产生缺陷。 图2 6 模具浇道系统与型腔空间布置方案一 由图2 7 ，浇道与型腔布置，主浇道采用截面积逐渐缩小，可以减少浇道内涡 流的产生，以免卷入空气；、分支横浇道与内浇道相连，同时在浇口对面设置 溢流槽和排气道，收集冷料以及排出气体。该方案模具结构较为紧凑。 图2 7 模具浇道系统与型腔空间布置方案二 图2 7 为另一方案，为共用一分流锥，左右采用单独的浇道，这种方案 好处在于可以避免处在同一方向的分支浇道以及型腔因为流动损耗的不同而 产生充填型腔的差异性，但这对压铸工艺调整难度大些。 对于其他设计方案，涉及到模具成本的增加以及冷却孔位问题，综合考虑采 用方案一布置。 2 ) 模具内浇口截面积确定： 内浇1 ：3 截面积的确定比较复杂，涉及到充填时间以及流束引起的充填方式。 而且内浇口的宽度以及厚度也是重要的问题。 f = v - ( t )( 2 - 4 ) 其中v 且= v 斛+ v 雌 式中f 一内浇口截面积( 删d v t - - - - 通过内浇口总的金属体积( 加n 3 ) m 一内浇口处金属液的流速( 啪s ) t 型腔充填时间( s ) 六个压铸件的体积v * 忤为6 0 1 9 2 m m 3 ，v 龋根据铸件特点以及质量要求来设置， 一般可确定为压铸件体积的8 - 5 0 ，厚壁中小件可取大值。现取v 盘蠢为 1 8 0 0 0 m m 3 ，因此va 为7 8 1 9 2 m m 3 。 确定内浇口截面积的式为： f = o 0 7v o 7 - o 0 7 x ( 7 8 1 9 2 ) “7 = 1 8 6 3 4 m f f 。 ( 2 5 ) 型腔充填时间t 是金属液在模具内充满并且未发生凝固或者固相率低于3 0 的一段时间，主要是要考虑使得金属液快速充填，从而有利于补压作用的发 生，同时稍长的充填时间又有利于排气充分。最佳充填时问受各种因素影响， 如金属液浇注温度、模具温度、型腔最大流程、金属的热物理性质等。 充填时间式： t2 0 0 2 9 2 ( t y - t g + 8 3 ) h ( t g t m 一3 2 ) ( 2 6 ) 式中：t g 内浇口处熔融金属的温度，： t y 金属液浇注温度，： t m 填充前模具表面温度，； h 铸件平均壁厚，m m ； 金属液浇注温度t y 一般比液相线高6 0 - 9 0 ( 2 ，模具温度t m 一般为1 7 0 - 2 6 0 ，内浇口处熔融金属的温度取为6 2 0 1 2 ，铸件平均壁厚为3 7 m ，因此计算 充填时间t 为0 0 3 1 - 0 0 4 2 s 。 内浇口处金属液的流速 主要与压铸件壁厚以及流程有关。实际中u 。一般 依据压铸件的壁厚来决定。如表2 所示： 内浇口速度经验值 壁厚 ( m ) 内浇口速度 ( s m ) 1 2 7 0 一i 5 2 5 1 9 0 5 2 2 8 6 2 5 4 0 2 7 9 4 2 8 5 8 3 8 1 0 4 5 6 0 5 0 8 0 6 3 5 0 4 3 5 2 4 0 4 9 3 7 4 6 3 4 4 3 3 1 4 0 2 8 3 5 表2内浇口速度值 然而该铸件壁厚并不均匀，壁厚悬殊，最大壁厚为7 5 哪，考虑到该铸件流 程较短，且由于流体惯性作用，以及各铸件流程长度不一样，速度很难达到 同一值，因此进浇速度取均值，总体平均速度。 为z 1 m s 。所以，模具内浇 口总截面积f = v - ( t ) = 1 8 9 3 6 咖2 ，分配至单个的浇口截面积为 f , = 1 8 9 3 6 6 = 3 1 5 6 m m z 。根据实际加工条件，浇口厚度g - 一般处于l 一3 m m 之间，对浇口厚度、宽度的确定也有一般性经验规律： 对于薄壁大型压铸件，浇口宽而扁，采用高的流速，较高的压射压力。 对于厚壁较大的压铸件，浇口厚度也取大，采用低速，可增压补缩。 对与厚壁复杂压铸件，浇口宽而厚( 大于i m ) ，速度调小，可增压补缩。 浇口宽度在铸件边上开设可以取宽，分型面上受限制，可多浇口。 根据压铸件窄边特点，考虑到排气和可能冲击孔位型芯部位等因素，因此取 浇口宽度g _ = 2 6 3 m m ，则浇口厚度g ，= 1 8 9 3 6 2 6 3 = i 2 m m 。 3 ) 横浇道设计 直浇道与内浇道之间的一段流动通道称为横浇道。横浇道的作用是把金 属液从分流锥上的直浇道输送到模具内浇口，并且通过此通道上的金属液向 浇口以及型腔传送补缩压力。横浇道应使得热损失尽可能的少。此横浇道采 用扁梯形。一般横浇道深度h 。为i 4 - 1 5 倍压铸件平均厚度，因此分支横浇 道取为h * = 6 5 哪，横浇道宽度l 膏为1 7 一i 9 倍h ，取l = 1 2 嘲。根据逐渐 缩小的原则，主横浇道向分支横浇道也采取同样的比例选取，f 抽= 2 2 2 蚰2 。 2 2 3 模具冷却通道设计 模具温度分布以及均匀性对模具寿命、压铸生产率的调节、压铸件的质 量有很大的影响。模温过低时，表层冷凝后又为高速液流破碎，产生表层缺 陷，而且模具激烈的温度变化，形成复杂的应力状态，容易使得模具产生变 形、裂纹，同时模温对铸件尺寸偏差过大都有关系，因此模具的温度须稳定 保持在一定范围之内。模具温度的调节，常用冷却介质水来控制。对于压铸 件的厚壁部分由于冷却速度较慢，因此模具的该部位的温度可以低些，而对 压铸件的薄壁部分，由于冷却速度快，为增强其流动性，以防缺陷产生，该 部位温度可以相应提高。模具冷却通道的设计主要有热平衡法，使得模具处 于一个最佳的工作温度范围，如铝合金压铸模具为2 2 0 一2 6 0 。而实际模具 上热量分布具有复杂性，金属液与模具、模具与压铸机、外界环境之间的对 流传热、辐射、接触热阻等因素，以及凝固过程对模具温度都有重要影响。 模具冷却通道的直径、距离模具型腔之间的距离、冷却通道分布的确定依据 铸件特点、压铸工艺以及模具材料考虑综合考虑，且必须与顶杆孔不发生干 涉。 2 2 4 压铸机选择 锁模力是选定压铸机首要确定的参数，其作用主要是为了克服压射时作 用在模具上的反压力，以锁紧分型面，以防止金属液向外飞贱。 反压力计算式为： pe f f 投p 5( 2 7 ) 式中pe 一反压力( n ) ，p 压_ _ 压射比压( p a ) fr 吩型面上承受反压力的投影面积，包括压铸余料、模具浇道、压铸件、 溢流槽( m 2 ) 通常情况下锁模力大于计算得到的反压力p & ，即： p _ k n pe( 2 8 ) 上式中p 广压铸机的锁模力( n ) 卜安全系数( 取k = i 3 ) 推荐使用的比压值 质量要求比压 ( m p a ) 表面光洁度要求高 组织致密，耐压性要求 5 0 6 0 6 0 8 0 表3 压铸比压值 图2 9压铸机选择计算表 2 2 4 小结 1 本章通过神经网络建立起压铸件到模具之间的映射关系，以压铸件最小 壁厚t 、压铸件体积v 以及压铸件最大流程l 做为输入参数，以模具内浇口 截面积f 、内浇口厚度t 、冲头直径d 做为输出层，建立网络模型。并以一组 生产数据和经验公式作为检验效果，证明该网络模型具有可行性，可以作为 设计时的依据。 2 以压铸件d 7 1 1 0 为实例，对模具结构进行了分析设计。 第三章压铸充型计算机模拟 在压铸过程中，金属液在高压下以高速度充填模具型腔，这使得金属液以 紊流状态流动，流动状况比较复杂，同时由于金属液体不断向模具发生传热 行为，温度下降，使得流体金属的温度场发生变化，这些变化导致凝固行为 可能发生。因此，压铸过程采用流场和温度场耦合计算比较能够反映实际状 况，能够预测发生的缺陷行为如卷气、冷隔以及表面缺陷等。因此凝固过程 模拟对压铸模具设计以及压铸工艺具有指导意义。 3 1 1 充型模拟数理模型 1 流体控制方程嘲【1 0 l 【1 1 】 金属液的流动属于不可压缩粘性牛顿流体的非稳态流动，包含着动量传 递、质量传递和能量传递，因此可以得到以下方程： 1 ) 连续方程( 质量守恒方程) ： 塑+ 煎坐+ o ( p v ) + 旦绁：0 a t叙a y 钯 2 ) 动量守恒方程( n a v i e r s t o k e s 方程) ； ( 3 - i ) 暑+ u 象+ v 考+ w 窆! 考+ 孵+ 萨0 2 u p+ 雾，+ g 。 c s 劫 一+ u 一+ v 一+ w 一一上+ y t _ + ? + = - 卜卜叠。 t 3 一z j a叙匆a z匆”叙2a y z 钇“一 罢+ u 罢+ v 考+ w 鱼o z = 一! p 考+ 唣+ 雾+ + g ， c s 棚 一+ + v 一+ _ = _ 一二+ w ：+ + l + g 3 一副 a t叙 a y匆”叙2a y 2a z ” 詈+ u 警+ v 考+ w 笔一吉考+ 噜+ 争+ 窘，+ g ： c s 卅 i + u 瓦+ v 百+ w i 一石苟+ h 弓万+ 矿+ j f ) + g z 【3 叫 3 ) 能量方程： ，( 詈+ u 詈+ v 詈+ w = ( k + 鲁) ( 爵0 2 t + 萨0 2 t + 蕾b 2 t - ) + p l 鲁( s - 5 ) ( 3 - 1 ) ( 3 5 ) 式中： d 一 合雇寮詹f k 立m 3 ) u ，v ，w - 一分别为x , y ，z 方向上的速度分量( m s ) m 运动粘度( m 2 i s ) p 压力l p a ) g 。g 。g ，分别为x ，y ，z 方向上的重力加速度分量 g 比热( r d ( k 麟) ) t 温度( i q k 热导率( w ( m k ) ) l 潜热( k j k g ) u 。湍流动力粘度 d 。湍流普郎特数，一般取0 9 - 1 0 f s 固相率( ) 2 自由表面处理 铸件充型过程是具有自由表面流体的瞬态流动过程。目前很多自由表面 处理方式采用v o f ( v o l u m eo ff l u i d ) 法，通过固定的控制体积网格寻找流 气晃面，f h f 的分布来确定自由表面的形貌。f 规定为单元中液相体积占整个 单元体积的分数，f = o 为气相单元；f _ 1 为液相单元，0 f l 为气液混合 的自由表面单元。体积函数方程( 自由表面控制方程) 为： 塑+ 亟盟+ 旦盟+ 曼螋：0( 3 6 ) a叙 毋 龙 3 湍流模型 实际压铸中金属液进入模具型腔的速度很高，对铝合金来说，一般高达 2 0 - 5 0 m s ，流动成湍流状态。金属液在模具内复杂流动过程中，容易产生卷气、 氧化、冷凝，从而使得压铸件产生表面缺陷以及内部气孔、夹渣等。而对于 多浇口充型情况，涉及多股金属液在模具型腔内融汇或者相互冲击区域，容 易使压铸件产生缺陷。准确判断这些可能发生缺陷部位对浇口的大小、位置 以及溢流槽和排气道的分布具有重要作用。因此采用湍流模型更能反映实际 情况。目前湍流模型有混合长度模型、k c 两方程模型、r n g 模型、大涡模 拟( l e s ) 模型等。其中k e 两方程模型比较有效，因而在工程中得到最广 泛的应用。即用两个湍流特征量( 湍动能k 和湍动能的耗散率e ) 来表示湍流动 力粘厦u 。，其表达式为： u t ：c 。p k 2 式中c u 为常数。确定k 和e 的运输方程为： k j y 程： 丝+竺+考+磊ok=三旦(，+百u,仁ok一)+吉旦(y+百u,，瓦oku v w0to x p0 x do x a yd ) + + + 卟l i ，+ ，l + 一【i y + ，一l 却 a z 7 p a y 7 + 吉丢( ( ，+ 百u t ，磊o k ) + 了p k e ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 0 a t s + u 夏0 8 + v 考+ w 象2 吉豪嘶+ 静蚤+ 石1 苟0c “+ 净争 。删 a t 夏+ v 面+ w 夏2 石丙嘶+ 酋丽) + 石苟晰+ 酋矽、 弓知+ 可u , 君0 e + 鄯p k - c 2 8 ) 式中p k 为湍流脉动能的产生项： p k = u l 【2 【e ) 2 + 舀2 + 串) 2 】+ ( _ o u o y o zo y + 刍o x2 + 牟t r y + 刍o z2 + 皇+ 豢2 ( 3 - 1 0 )强疵似 表3 1k 一模型中的经验参数值 d kd c 1c 2 c u i 01 31 4 41 9 20 0 9 4 数值计算方法 目前求解压铸充型偏微分方程的数值计算方法常用有限差分法，通过把 所研究的对象从时间和空问上分割成细小的单元，以差分方程去逼近原有方 程，通过给定的初始条件和边界条件去求解。在f l o w 3 d 软件中，每个单元与 所有隶属变量的局部平均值相结合，这些隶属变量如流体分位数f 、单元体 积v 、温度t 、湍动能k 、耗散率c 、密度p 等处于单元的中心位置，而对于 速度变量，它位于单元面上。如图3 1 所示。 图3 1网格单元分解 对于曲形模具、壁面边界、以及其他几何特征被嵌入在网格中，通过部 分开放流动网格盼面积以及体积来定义。在对控制方程建立离散的数值计算 方面，控制体积被定