（材料加工工程专业论文）基于铸造cadcae技术的压铸工艺参数的分析与研究.pdf

a n a l y s i sa n ds t u d y o nt h ep a r a m e r e r so fd i e c a s t i n g b a s e do nf o u n d a r yc a d c a e b y g u i j i n g b e ( h e b e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r w a n gz h i p i n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 韫葛 日期：弘1 年土月侈日 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，即：学 校有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：知1 1 年上月谚日 日期：加t 1 年b 月1 日 硕士学位论文 目录 目录i 摘要i 、， a b s t r a c t v 第1 章绪 论l 1 1 选题意义一1 1 1 1 概j 遣1 1 1 2 意义l 1 2c a d c a e 技术在压力铸造中的应用。2 1 2 1c a d 技术在压力铸造中的应用2 1 2 2c a e 技术在压力铸造中的应用3 1 3 课题的国内外研究现状4 1 3 1 国外发展状况4 1 3 2 国内发展状况一5 1 4 镁合金的特点与成形方法6 1 4 1 镁合金的特点。6 1 4 2 镁合金的成形方法7 1 5 论文的研究任务7 1 6 本章小结8 第2 章铸造c a e 技术压铸过程中的理论依据与原理9 2 1 铸造c a e 技术的数值模拟理论基础。9 2 1 1 充型过程的数值求解方法9 2 2 压铸工艺的流场数值模拟过程1 2 2 2 1 边界条件与潜热处理1 2 2 2 2 流场数值模拟过程1 2 2 3 凝固过程的数值模拟模型1 3 2 4m a g m a s o f t 软件在压铸中的应用1 5 2 4 1m a g m a s o f t 软件介绍1 5 2 4 2 软件结构15 2 4 3 软件的主要模块1 6 2 4 4 模拟流程1 6 2 4 本章小结19 第3 章镁合金厚壁压铸铸件的模型设计与参数确定2 1 3 1 镁合金铸件介绍2 1 基于铸造c a d c a e 技术的压铸工艺参数的分析与研究 3 2 试棒压铸件的结构设计2 2 3 3 压铸模分型面的设计2 2 3 3 1 分型面的设计原则一2 2 3 - 3 2 分型面的基本类型：2 3 3 3 3 试棒压铸件的分型面设计一2 3 3 4 压铸模浇注系统的设计一2 3 3 4 1 浇注系统设计注意事项2 3 3 4 2 内浇口设计2 4 3 4 3 直浇道设计2 5 3 4 4 横浇道设计。2 5 3 4 5 溢流槽的设计2 6 3 4 6 试棒压铸模浇注系统设计方案2 8 3 5 压铸机的选择2 9 3 6 利用p q 2 图优化浇注系统3 1 3 6 1p q 2 图的绘制3l 3 6 2p q 2 图对内浇口截面积的优化3 2 3 7 冷却系统的设计3 3 3 7 1 冷却系统的作用、冷却方式与设计原则3 3 3 7 2 冷却水道的设计一3 3 3 8 本章小结3 4 第4 章试棒压铸件的数值模拟结果。3 6 4 1 压铸件数值模拟的前处理过程3 6 4 1 1 三维造型与文件格式转换一3 6 4 1 2 文件导入与控制点设置3 6 4 1 3 网格划分3 7 4 2 压铸件的数值模拟过程3 9 4 2 1 初始条件的设置3 9 4 2 2 时间参数的选择。3 9 4 2 3 压射速度参数的选择4 0 4 2 4 冷却水道的数值模拟结果与方案确定4 2 4 2 5 设计对比压射速度影响的充型方案4 3 4 3 压铸件的数值模拟结果4 4 4 3 1 充型过程的数值模拟一4 4 4 3 2 凝固过程的数值模拟4 6 4 3 3 利用多种判据横向对比三种方案下铸件的缺陷4 8 硕士学位论文 4 4 本章小结一4 9 l g ；论5 l 参考文献一5 2 致谢! ；! ； 附录攻读学位期间所发表的学术论文。5 6 基于铸造c a d c a e 技术的压铸工艺参数的分析与研究 摘要 在全世界节能减排的大环境下，对轻合金( 镁合金) 的使用需求越来越大。 对压铸这种轻合金的主要成形工艺的要求也越来越高。在计算机技术日新月异的 今天，c a d c a e c a m 技术已成为压铸工艺发展的主要方向。本文基于商业铸造 c a e 软件，以由镁合金拉伸、冲击试棒构成的压铸件为研究对象，以三维造型软 件p r o e 为建模平台，在传统压铸工艺的理论基础上，对该厚壁压铸件进行工艺 开发与设计。提出了利用p q 2 图对铸造工艺与压铸机性能进行匹配，选择模拟参 数的c a e 方法。 设计实验，采用设置冷却曲线控制点的方法，采集铸件凝固过程中的温度变 化，从而反映不同冷却水方案下的铸件凝固效果，对方案进行优化选择，便于后 续观察压射速度，这一单一变量对压铸件充型、凝固过程的影响。在p q 2 图的时 间一速度窗口与内浇口截面积的匹配范围内，设计三组压射速度不同的实验方案。 结合相同的初始、边界条件，对三种方案分别进行模拟，以追踪粒子、充型百分 比及凝固百分比的形式来表型压射速度的影响。同时以多种分析方式多角度展现 铸件的温度场、流场及铸造缺陷。研究表明，厚壁压铸件的充型速度不宜过大， 以免增加金属液在型腔内的紊流程度，同时减少金属液在浇道内卷入的空气含量， 即减少铸件内可能出现的缩孔、缩松体积，保证铸件质量。 压铸c a e 技术彻底改变了压铸工艺方案在制定过程中的不确定性与不可重 复性，确保模具制造的成功率与铸件质量，缩短产品开发周期的同时降低成本， 对提高企业生产水平和竞争力有着重要的意义。 关键词：c a e 技术；压铸工艺；p q 2 图；数值模拟；充型，凝固过程 l _ _ - - _ - 硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h ee n v i r o n m e n to fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o na l la r o u n d w o r l d ，t h eu s a g eo fl i g h ta l l o y sa r en e e d e di ng r e a tq u a n t i t y , f o re x a m p l e ，m a g n e s i u m a l l o y a tt h es a m et i m e ，i tm a k e si n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o rd i e 。c a s t i n gf o r m i n g p r o c e s s o ft h e s e a l l o y s w i t ht h eq u i c kc h a n g e o fd e v e l o p m e n ti n c o m p u t e r , c a d c a e c a mb e g i nt ob et h em a i nd i r e c t i o ni nd i e - c a s t i n gp r o c e s sd e v e l o p m e n t r e g a r d i n gt r a d i t i o n a ld i ec a s t i n gp r o c e s sa st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，t h i sp a p e ru s e d t e n s i o na n di m p a c t s a m p l eo fm a g n e s i u ma l l o ya sm a i ns t u d yo b j e c t ，a n dm a d e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no ft h i c k w a l lc a s t i n gb a s e do np r o ea n dc a e a nc h o o s i n g s i m u l a t e dp a r a m e t e rm e t h o do fc a em a t c h e db yd i ec a s t i n gp r o c e s sa n dp r o p e r t i e so f d i e c a s t i n gm a c h i n eu s i n gp q 2 w a sp r o p o s e d b ym e a n so fc o l l e c t i n gt e m p e r a t u r ec h a n g ed u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o nb ys e t t i n g c o n t r o lp o i n to ft h ec o o l i n gc u r v e ，w eo p t i m i z e dp r o g r a mv i as o l i d i f i c a t i o ne f f e c t s r e f l e c t e du n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gp r o g r a m ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o ru st oo b s e r v eo f e f f e c ti n j e c t i o ns p e e do nf 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 d u r e w ed e s i g n e dt h r e ek i n d s o ft w os t a g e dd i e c a s t i n ge x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n ts p e e d si nt h ef i e l do ft i m ea n d i n g a t es e c t i o na r e a t h r e ep r o g r a m sw e r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yw i t ht h es a m ei n i t i a l a n db o u n d a r yc o n d i t i o n t h ee f f e c to ff i l l i n gs p e e dw a se x p r e s s e db yt r a c e rp a r t i c l e s ， f i l l i n gs p e e da n ds o l i d i f i c a t i o np e r c e n t a g e m e a n w h i l ed e f e c t ，t e m p e r a t u r ea n df l u i d f i e l do ft h ec a s tw e r es h o w e du s i n gv a r i o u sa n a l y s i sm e t h o da n dv i e w s t h er e s u l t s s h o wt h a ti ti sb e t t e rf o rt h ef i l l i n gs p e e dt ob es l o wi no r d e rt oa v o i dt h ei n c r e a s eo f m e t a lt u r b u l e n c ei nt h em o u l da n dr e d u c ea i rc o n t e n ti n v o l v e di nm o l t e nm e t a l ，t h a ti s t os a yt h e r ew i l lb el e s st h ev o l u mo fs h r i n k a g ec a v i t ya n dp o r o s i t y ，w h i c he n s u r et h e q u a l i t yo f t h ec a s t c a eh a st h o r o u g h l yc h a n g e dt h eu n c e r t a i n t ya n dn o n - r e p e a t a b i l i t yo fd i e c a s t i n g t e c h n o l o g yd u r i n gm a k i n gp r o c e s s i ta l s oe n s u r e st h es u c c e s s r a t i oa n dq u a l i t yo ft h e c a s t ，w h i c hc a ns h o r t e nd e v e l o p i n gp e r i o d ，r e d u c ec o s ta n di si m p o r t a n tf o re n t e r p r i s e t oe n h a n c ep r o d u c i n gl e v e la n dc o m p e t i t i v e n e s s k e y w o r d s ：c a et e c h n o l o g y ；d i ec a s t i n gp r o c e s s ；p q 2 ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i l l i n g a n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s v l - - 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 选题意义 1 1 1 概述 压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进铸造方法，特别是在有 色金属成型方面。其作为一种终形和近终形的成形方法，具有生产效率高、经济 指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点。在制造业，尤其是在规模化产 业方面获得了广泛的应用和迅速的发展【l 2 】。适用于压铸工艺的合金包括镁合金、 铝合金、锌和锌铝合金、铜合金、黑色金属及金属基复合材料等，其中以镁、铝 合金的应用最为广泛。压力铸造传统工艺的许多方面在上世纪都已有了较为成熟 的发展，但还有一些难点和疑点尚待解决【3 】。如充型过程中对液态金属流动形态 的分析与控制；压室及型腔中各项参数的即时测定与规范；热交换过程中温度场 的分布及模具、冷却水等系统的设计对铸件凝固过程的影响等。 镁合金与压铸工艺的结合始于2 0 世纪2 0 年代的德国，但受制于落后的熔炼 及生产工艺，发展相对迟缓。8 0 年代后，汽车生产商追求汽车净重量的减轻以达 到平均燃油标准，才加大了镁合金在离合器、仪表盘等部件生产上的使用，从而 促进了世界各国对镁合金的研究与开发，如美国、德国、日本等发达国家已将镁 合金列为2 1 世纪研究与开发的重点项目 4 - 6 】。时至今日，镁合金已被广泛应用于 汽车、航空、电子以及消费品工业中的各种结构件。尽管这些应用的增长主要受 重量减轻的驱动，但镁合金比强度和比刚度高、导热性优良、成形加工性好等其 它优点也起着重要的作用。目前，镁合金压铸工艺的研究主要集中于两个方面： 镁合金压铸零件的开发设计和镁合金压铸工艺的完善创新【7 】。 1 1 2 意义 镁合金压铸生产过程中，液态金属在高速、高压下充型、凝固，极易产生气 孔等铸造缺陷。由于镁合金压铸充型速度比铝合金等其它合金更高，凝固速度更 快，因此，镁合金压铸对模具的流道系统及热平衡设计的要求更高。充分考虑充 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，设置适当的 压铸工艺参数，不仅可以提高铸件质量和生产效率，更可以延长模具的使用寿命。 而数值模拟技术为镁合金压铸工艺参数的选择与压铸镁合金材料的开发提供了既 简便又直观的研究手段1 8 j 。通过充型过程中流场、温度场的数值模拟，可以获得 较准确的压铸充型过程的流动和传热规律，预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷， 从而优化压铸工艺。而随着计算机技术的不断发展，铸造工艺方面的 c a d c a e c a m 技术系统逐渐成熟。为铸造工作者优化工艺，预测铸件质量，估 基于铸造c a d c a e 技术的压铸工艺参数的分析与研究 算铸造成本，显示并绘制铸造工艺图、工艺卡等技术文件提供了便捷且易于往复 的辅助手段。充分揉合并协调设计者的思想理念与计算机快速的理性计算，达到 缩短工艺设计周期、提高设计水平、产品质量和更新换代的目的，以及提升产品 的市场竞争力，从而获得更加显著的经济效益。这对压力铸造来说尤为重要，因 为压铸模具不仅设计与制造过程复杂，成本较高，同时也表现在其是参与铸造全 过程并影响铸件质量的重要因素之一【9 - 1 3 】。如表1 所示【1 4 1 ，模具的设计结构与工 艺参数的选择为常见铸造缺陷的主要影响因素，此时c a d c a e c a m 技术的应用 为模具的设计与制造提供了有力的理论依据，优化设计的同时节约成本。 表1 1 压铸造件常见缺陷及影响因素 注：a 类因素取决于模具设计与制造。b 类因素大多取决于压铸机性能及压 铸参数选择。c 类因素则主要取决于现场操作。 1 2c a d c a e 技术在压力铸造中的应用 1 2 1c a d 技术在压力铸造中的应用 上世纪8 0 年代，铸造工艺c a d 的概念第一次被提出，经过多年的研究产生 了一些包涵设计分型面、生成拔模斜度、计算铸钢件冒口尺寸和选择冒口套类型 等铸造工艺的c a d 软件。但由于铸造工艺的复杂性及不同铸造方法参数的多样 2 硕士学位论文 性，含有上述功能的软件在实际使用过程中的效果并不理想。目前对铸造工艺的 设计还是主要依靠功能强大的三维造型软件，而要开发出成熟、通用的铸造工艺 c a d 系统还需要进行进一步的研究i l5 1 。 铸造工艺c a d 系统的发展趋势主要有以下几个方面【1 6 】： ( 1 ) 铸造工艺数据库系统 以压力铸造为例，对于不同壁厚的铸件，速度、压力、流速等一系列参数都 有对应的经验值以供设计者参考，这些参数种类繁多，数量庞大不便于记忆，而 工艺数据库系统可实现对数据的存储、分类与调用。 ( 2 ) 铸造工艺专家系统 专家系统是一种正在逐步发展的人工智能。对于用户来说专家系统如同升级 版的搜索引擎，集结了大量的铸造经验及实际问题的解决方案，包括铸造工艺方 案确定、工艺参数选择、浇冒口系统的设计等。用户在使用时只需输入基本的设 计依据，如生产任务与要求、车间条件等，便能从专家系统获得工艺设计方案及 各项参数设置1 7 - 19 1 。 ( 3 ) 铸造生产c i m s 与并行工程 c i m s 2 0 , 2 1 1 ( c o m p m e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ) 是一种要求建立设计、规 划、生产、分析计算及技术管理一体化的模式。 ( 4 ) 铸造生产虚拟新产品开发 虚拟技术是指利用虚拟的三维环境，对铸件凝固等过程进行数值模拟，并将 结果可视化，从而通过分析铸件凝固过程及形成的缺陷，修改工艺方案或参数以 提高铸件质量。 ( 5 ) 通用化、标准化及开放性 商品化铸造工艺c a d 软件的针对性强，是制约其向通用化、标准化发展的 重要原因。要达到这一目标，就要在集合实际生产中共性的同时，提高软件的开 放性，增强软件的适用性。 1 2 2c a e 技术在压力铸造中的应用 在压力铸造中，c a e 技术在由c a d 设计的铸件及型腔的基础上，结合实际压 铸机的生产数据，对压铸工艺特有的众多参数进行调整，通过模拟分析得到可视 化的动态浇注、凝固过程，预测可能出现的各类缺陷，优化工艺的同时，避免过 高的试模成本，缩短产品开发周期、降低成本、赢得市场空间【2 2 1 。 c a e 软件m a g m a s o f t 中添加的压铸专用模块已将热和流动边界条件的要点全 部考虑进去。在标准功能外，针对压铸工艺用户还可以设置任意数量的铸造循环 周期的仿真；定义动模、定模的相对独立性；模拟模具涂层对冷却效果的影响： 定义以时间或温度为标准的合模参数等。总的来说，实现了模拟充型、凝固、铸 3 基于铸造c a d c a e 技术的压铸工艺参数的分析与研究 件取出和模具准备的全部过程。 铸造工艺c a d 、c a e 技术的迅速发展使其逐步走向集成化，主要向产品设计 c a d 与铸造工艺c a d 集成和铸造工艺c a d 与铸造工艺c a e 集成两方面发展，从而 实现工艺设计一数值模拟一缺陷分析一优化设计一模具造型( n c 代码的生成) 一 数控加工的一体化【2 3 1 。 1 3 课题的国内外研究现状 铸件充型凝固过程计数机模拟仿真是科学发展的前沿领域，是改造传统铸造 产业的必由之路。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真已进 入工程实用化阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸造充型凝固过 程的数值模拟，可以帮助工作人员在铸造工艺设计阶段对铸件可能出现的各种缺 陷及其大小、部位和发生的时间予以有效地预测，从而优化铸造工艺设计，以确 保铸件的质量，缩短试制周期、降低成本。 1 3 1 国外发展状况 六十年代，美国哥伦比亚大学的教授在美国铸造协会的资助下，首次利用大 型计算机进行了凝固模式、浇铸系统设计、浇道中的热损失、铸型中热流流动等 方面的研究。1 9 6 2 年丹麦首次使用有限差分法对铸件凝固的传热进行了数值计 算。数年后，美国通用电气公司的h e n z e 和k e v e r i a n 应用瞬态传热通用程序对重 达9 吨的大型钢件汽轮机内缸进行了数值模拟，计算温度场与实测温度场吻合良 好。在日本，具有代表性的研究者大中逸雄在研究中提出了直接差分法的理念， 又分为内节点和外节点法，其物理意义明确，单元划分灵活，从而提供了一种通 向三维的可行途径。 1 9 7 4 年，美国国家航空航天局( n a s a ) 的高级研究员j s o b i e s k i 首先提出了 m d o 的思想。m d o 的具体含义为：以复杂( 工程) 系统为研究对象，在研究过程 中将分析和设计紧密结合起来；以达到复杂( 工程) 系统的整体最优为目标，设计 各子系统及其协同机制；以复杂( 工程) 系统的多学科本质为准则，杜绝人为地分 割系统中相互耦合的子系统；以复杂( 工程) 系统的耦合效应为重点，并定量评估 任一参数变化引起的系统总体、部分及全体子系统的变化【2 4 , 2 5 】。 压力铸造的充型和凝固过程是一个复杂的过程，涉及到流体力学、传热学、 传质学和塑性力学等学科，而且各学科之间还存在复杂的耦合关系，是一个典型 的多学科问题。因此，从压铸系统总体考虑出发，定量考虑各学科之间的耦合效 应，寻找出最优的工艺参数，提高铸件的生产效率和质量水平，是目前压铸研究 和生产需要解决的主要问题，而多学科设计优化正是解决这一问题的适当方法， 可以预见，多学科设计优化方法将在压铸工艺参数的优化选择中得到广泛应用。 4 硕士学位论文 从压铸工艺方面来考虑，计算机模拟技术在压铸中的广泛应用，加深了人们 对压铸中充型、凝固过程规律的认识，在压铸件设计、压铸型设计和压铸件生产 过程中发挥越来越重要的作用。对铸造c a e 技术的研究与开发起步于2 0 世纪6 0 年代，自1 9 8 9 年世界上第一个铸造c a e 商品化软件m a g m a 问世以来，用于铸 造工艺的数值模拟软件的发展过程大致可分为三代：第一代主要以简单模数为方 法计算并模拟热流动，该方法不能展现某一时刻铸件或铸型特定区域的温度场变 化，也不能正确模拟具有相邻影响的复杂形状铸件的温度变化；第二代主要基于 正确的温度场计算；第三代模拟软件不但运用了正确的温度场计算，并能与凝固 期间补缩金属流动相结合，同时能对凝固过程中合金的重量影响、密度及合金结 晶变化加以分析，且可在需要表示的任一截面以二维或三维实体方式展示模拟结 果，并同时显示温度变化、液固相变化及缩孔变化【2 6 , 2 7 】。 目前国外使用较为广泛的可指导实际生产的商业化数值模拟软件包有德国 m a g m af o u n d r yt e c h n o l o g i e s 公司的m a g m a s o f t 、美国u e ss o f t w a r e 公司的 p r o c a s t 、a m e r i c a nf o u n d r y ss o c i e t y 公司的a f ss o l i d i f i c a t i o ns y e t e m ( 3 d ) 、 n o v a c a s ta b 的n o v a f l o w & s o l i d 、s i m t e c 公司的s i m t e c 、s c i e n c e 公司的 f l o w 3 d 、芬兰c a s t e c h 公司的c a s t c h e c h 、日本日立公司的a d s t e f a n 等等。 上述软件的强大功能表现在对温度场、应力场、流场及组织的多方面模拟，甚至 能表现各场之间的耦合作用。这些软件几乎覆盖了现有的所有铸造金属、合金的 所有铸造方法，如砂型、金属型、消失模、离心、压力铸造等。随着对各种因素 越来越完善的考虑，软件所采用的数学模型越来越可靠，计算精度也越来越高。 有些软件包含造型与网格划分功能，后处理模块也更人性化，各种显示功能可调， 适应于不同用户的要求。因此在现代先进设计与制造计算的基础上，c a d 、c a e 被视为多学科交叉、知识密集型的高新技术【2 引。 1 3 2 国内发展状况 建国6 0 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，对压铸件的需求量日益增 加，从而使得生产优质、精密、大型压铸件的压铸企业得到了高速的发展。 在基于仿真方法的压铸工艺参数优选方面，通过压铸充型过程速度场、温度 场的数值模拟，能够较准确地表达压铸充型过程的流动和传热，此优化工艺参数， 可防止可能产生的各种缺陷。柳百成、熊守美等学者对充型过程的模拟进行了深 入的研究【2 9 - 3 1 1 。赵毅等借助统计分析、理化分析以及工艺仿真等综合分析手段， 对正时齿轮室压铸件整个压铸生产过程提出了改进措施和工艺优化方案，使压铸 件质量得到明显改善【3 2 1 。张响等基于数值模拟的结果并利用t a g u c h i 方法，优化 低压铸造铝合金车轮浇注温度及模具温度【3 3 】。目前基于数值模拟的压铸工艺参数 5 优化选择研究，还处于以数值实验代替物理实验以及运用一些常规的优化方法进 行工艺优化的阶段，没有将压铸生产涉及到的流体力学、传热学、传质学和塑性 力学等学科的相互作用进行综合的考虑。 在计算机模拟方面，由清华大学的熊守美、柳柏成等人开发的三维温度场- 应力场数值模拟分析系统，可以对镁合金压铸用模具的应力场和变形进行数值模 拟【3 4 1 。燕山大学李远发等人，以数值模拟为手段对a z 9 1 d 压铸浇注系统进行了 设计与优化【3 5 1 。东北大学开展了对铝合金a 3 5 6 触变压铸二维充型过程模拟的研 究，主要利用了a n s y s 中不可压缩粘性流体的控制方程和标准1 c 吨模型以及 c a r r e a u 粘度模型【3 6 。 我国的压铸c a d c a e c a m 系统起步相对较晚，但正是因如此借鉴了许多 其他国家的c a d c a e c a m 经验，有着较高的起点及发展速度。尤其是近几年， 有一大批模具企业推广应用了计算机技术，陆续引进了相当数量的c a d c a e c a m 系统。我国自主研发的铸造模拟软件有华中科技大学开发的华铸、清华大 学开发的铸造之星等，但与国外的c a e 技术还有不小的差距，在研究和推广方面 还需进一步加强工作。据不完全统计，目前我国拥有各类铸造模拟软件的用户超 过3 0 0 家，软件品牌包括m a g m a 、p r o c a s t 、a n y e a s t 、f l o w 3 d 、j s c a s t 、清华f t - s t a r 、 华铸c a e 等等，而购买后在实际生产中能一直使用的用户不超过2 0 0 家，产生经 济效益的更不超过三分之一家。通常情况下，模拟软件多数只是以企业宣传需要 或迫于供货商的要求而存在的，即使是进行有限的模拟分析，由于各种主客观因 素，其正确率与技术含量也不高，无法与实际生产相结合。与此同时在实际生产 中，同国外压力铸造业相比，我国压力铸造业仍然存在很多不足，主要表现在： 压铸模使用寿命短、外观质量不理想、模具可靠性差、生产率低、在压铸模设计 和制造方面进展缓慢等等。而模拟技术恰恰是解决上述问题最好的辅助手段，但 却在使用过程中受到约束，限制了自身的功能。 在物理实验方面，清华大学的李文珍等人对镁合金压铸热作模具钢高温磨损 特性进行了研究，对比了三种常用的热作模具钢在硬度、磨损等方面的影响【3 7 】。 熊守美等人研究了铝合金压铸工艺参数对铸件铸型间换热系数的影响【3 引。兰州理 工大学的黄晓峰等人通过实验研究了不同浇注温度对a 1 s i 组织性能的影响，主 要体现在显微组织、力学性能、断口分析等方面【3 引。 1 4 镁合金的特点与成形方法 1 4 1 镁合金的特点 作为最轻的应用材料，镁合金的特点是：密度小，比强度和比刚度高，导热 性优良，弹性模量大，成形加工性好，耐碱和有机物的腐蚀性能好。镁合金中常 6 硕士学位论文 见的合金元素有铝( a 1 ) 、硅( s i ) 、锰( m n ) 、锌( z n ) 等。镁合金的抗冲击载 荷能力比铝强，质量却只有铝的2 3 。在压铸工艺下，作为稳定性高，加工尺寸 精度高的合金材料，经常被用来制造壳体件( 如仪表盘、发动机前盖等) 及支架 类零件( 如方向盘、刹车支架等) 。而随着电子元件集成化和小型化的发展，手机、 笔记本电脑、数码产品的更新速度越来越快。镁合金以其独有的防电磁波、耐冲 击、耐各种不同坏境等优良性能逐步取代塑料，得到广泛应用，并在航空航天方 面也倍受青睐。 1 4 2 镁合金的成形方法 镁合金的成形方法主要有铸造成形与变形成形两种。 压铸法是近年来使用最为广泛的镁、铝合金成形方法，其工艺与设备也最为 成熟，具有铸件精度高、加工余量少、表面质量优良、组织致密和生产效率高等 特点。但压铸件同时也有着不可避免的缺陷，即铸件内部易产生气孔和疏松，针 对这个问题国内外采用了一些新的工艺措施： ( 1 ) 半固态压铸在一定的冷却速率下，获得固相率在5 0 6 0 且流动性能尚 好的半固态合金浆料，用这种浆料进行压铸。有两种方法：一是将该浆料直接通 过压室压入型腔成形，称为流变压铸；二是先将浆料制成一定尺寸的铸锭，在压 铸前重新加热到浆料状态进行加工，称为触变压铸【4 们。 ( 2 ) 真空压铸即将真空技术应用于压铸过程中，主要是实现压铸模内的真空， 这样可以显著减少铸件中的气孔，可通过热处理提高铸件的力学性能。由于型腔 内的真空环境，充填时的反压力大大降低，从而降低了对合模力、压铸机、合金 材料等一系列指标的要求。 除此之外还有充氧压铸、精速密压铸、固态压铸等工艺措施，从各方面完善 压铸成形方法。 变形成形主要是指用轧制、挤压、冲压、等温锻造、超塑成型等工艺，利用 镁合金的加工特性使其具有更高的强度和更好的延展性【4 1 1 。 1 5 论文的研究任务 本文以镁合金( a z 9 1 d ) 为研究对象，以铸造工艺的c a e 技术为研究手段， 对压铸成形方法进行计算机模拟研究，通过对数值模拟结果的分析与研究，优化 工艺的同时寻求参数间的协调规律，具体内容如下( 试验流程如，1 所示) ： ( 1 ) 研究c a d c a e 技术在铸造，特别是压力铸造中的应用及国内外研究现状。 ( 2 ) 基于m a g m a s o f t 软件中的相关内容，针对压铸工艺，研究充型、凝固过程 的数值模拟理论。 ( 3 ) 以厚壁压铸铸件为例确定工艺方案及各项参数。 7 l 一 图1 1 试验总体流程图 1 6 本章小结 ( 1 ) 分析了本课题在国内外的研究现状及c a d c a e 技术在压力铸造中的应 用与发展，凸显了数值模拟对压铸工艺设计及压铸模制造的重要作用。 ( 2 ) 归纳了作为研究对象的镁合金的特点、应用领域及成形方法。 ( 3 ) 总结了论文的研究内容及技术手段，简单概括了总体试验流程。 8 硕士学位论文 第2 章铸造c a e 技术压铸过程中的理论依据与原理 2 1 铸造c a e 技术的数值模拟理论基础 铸造方面的数值模拟主要包括充型过程( 流场) 模拟、凝固过程( 温度场) 模拟、热应力模拟、微观组织模拟及缺陷分析。经过研究人员数十年的努力，数 值模拟技术已经进入工程实用阶段，帮助缩短产品周期，降低生产成本。作为充 型、凝固过程物理现象的计算方法，数值模拟所采用的数学模型也在不断的发展 与完善。本文选用德国m a g m a 公司的m a g m a s o f t 软件作为c a e 技术支持， 与国内外其它软件相比，其采用有限元差分法划分网格，操作简单运算速度快； 充型方面考虑了紊流、金属液表面张力、金属液与型壁的相互作用等更多因素； 在缺陷预测方面，其具有更全面更准确的判据，预测准确率高。除此之外 m a g m a s o f t 软件还具有预测微观组织及热处理结果等功能，准确率同样良好。 2 1 1 充型过程的数值求解方法 充型过程不仅是熔体流动，与之相伴的还有氧化、传热导、温度下降与金属 凝固等一系列问题。通常情况下，充型过程也会对后来的凝固过程产生影响。 m a g m a s o f t 采用s o l a v o f 算法进行充型过程的数值模拟。 s o l a m v o f ( s o l u t i o na l g o r i t h mv o l u m eo ff l u i d ) 法是美国l o sa l a m o s 科学实验 室研发的一种模拟技术【4 2 1 。s o l a v o f 技术是用体积函数代替标识粒子来确定自 由表面的位置。以f 表示体积分数函数，当f = o 时为空格状态，f = i 时为充满状态 ( 内部) ，f 介于0 7 0 1 时为半充满状态( 表面) 。由此得到网格内流体的充填状态。 ( 1 ) 控制方程 充型过程中金属液被当成是不可压缩牛顿流体的非稳态流动，包含连续方 程、动量方程和能量方程。 1 ) 连续方程( 质量守恒方程) 在不可压缩条件下，连续方程的数学表达式可表示为： d ：孚+ 孚+ 坐：0 ( 2 1 ) 孤谚 现 式中，d 为散度；材，1 ，w 分别为速度矢量在x ，y ，z 方向上的分量。 2 ) 动量方程( n s ) 对于不可压缩流体运动方程为： 塑：g 一三孚一似塑+ v 丝+ w 丝) + 丝v ：“ ( 2 2 ) 百2y 一万- - 瓦- t - 一似瓦+ v 瓦+ w 瓦) + ；旷“ 屹2 ) 9 基于铸造c a d c a e 技术的压铸工艺参数的分析与研究 塑：g 厂三- - 鱼v e 一一m 塑+ v 丝+ w 塑) + 丝v z l ， ( 2 3 ) 百2 岛一万瓦一婶瓦+ v 瓦+ w 西) + ；v v 旺j ) 丝：g ! 一三- 塑- 一 - 一丝+ v 丝+ w 丝) + 丝v z w ( 2 4 ) 百2 一万瓦一似瓦+ v 瓦+ w 瓦卜；v w 旺一， 式中，踟，分别为重力加速度在x ，y ，z 方向上的分量；p 为单位密度的 压力；为运动粘度；v 2 为拉普拉斯算子。 3 ) 能量方程 能量方程的数学表达式为： 鲁+ c p u g r a d t = 吉访，( 2 9 r a d t ) + s ( 2 5 ) 式中，白为比热；g r a d 为梯度；t 为温度；s 为内热源。 4 ) 体积函数 体积函数用于确定自由表面的移动，数学表达式为： of+甜望+1，望+w塑：0i0( 2 0 一)+ 甜+ 1 ，+ w =l = z ， 矾a x 印 a z 式中，为体积函数。 s o l a v o f 同样是压铸充型的数值模拟模型，s o l a 是求解速度场和压力场的 迭代法，v o f 是确定液体自由表面的方法。 ( 2 ) 求解速度场与压力场 首先以交错网格为离散格式离