（工程力学专业论文）压铸微孔缩松问题的预测与判据研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 摘要 论文研究以生产实例为背景，对压铸过程的模拟结果进行疏松判据研究。 文中详细阐述了缩松缺陷的形成机理。结合产品实例，使用软件原有和本研 究引入的判据对铝合金铸件的缩松缺陷区域进行预测。 缩松是铝合金铸件中常见的缺陷，严重影响铸件的质量。用传统工艺制 定的手段预测缩松出现的位置和条件是困难的。本论文研究首先根据实际工 艺流程，用p r o c a s t 软件对由填充到凝固整个过程进行数值模拟，得到判断 疏松所需要的各物理场。除软件提供的疏松判据外，引入和实施另外的缩松 判据。基于模拟结果和不同的判据预测缩松。 论文编程工作是基于软件外的两种缩松判据函数进行的，通过程序计算 预测缩松区域。共使用三种判据用于预测缩松：n i y a m a 判据，压力判据和 g ，压，判据。基于具体的生产背景，对比基于不同判据的疏松预测结果与实 y ， 际铸件出现缩松缺陷的部位是否相符，判断和评估不同判据的工艺适应性。 结论显示，三种判据均能一定程度上正确预测缩松出现的区域；但压力缩松 判据考虑了压力对铝合金铸件缩松产生的影响，可以更有效地预测出铸件出 现缩松的位置，结果更加准确，因此，压力判据较之n i y a m a 判据和g 、一，判 据更适合用于铝合金铸件的缩松预测。 预测缩松和研究缩松判据的适应性是本论文的两个主要目的，论文中给 出了详细的阐述。同时，基于实际的压力铸造工艺，对铸件内部产生缩松的 原因进行了分析。 关键词：铸件；数值模拟；缩松；缩松判据 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep o r o s i t yc r i t e r i o n si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i e c a s t i n g p r o c e s sh a v eb e e nd i s c u s s e du n d e rp r a c t i c a li n d u s t r yb a c k g r o u n d t h ep a p e r d e s c r i b e st h ef o r m a t i o nr e a s o n so fp o r o s i t yd e f e c t si nd e t a i l c o m b i n i n gw i t ht h e a c t u a lp r o d u c t ，b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r e d i c tt h ep o r o s i t yl o c a t i o no ft h e a l u m i n u ma l l o yc a s t i n gb yu s i n gt h ec r i t e r i o n si nt h ep r o c a s ts o f t w a r ea n d i m p o r t e di nt h ep a p e r p o r o s i t y , w h i c hc a ns e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fc a s t i n g s ，i sac o m m o n d e f e c tf o ra l u m i n u ma l l o yc a s t i n g s f o rt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，i t sd i f f i c u l tt o p r e d i c tt h el o c a t i o na n df a c t o ro fp o r o s i t ya c c u r a t e l y i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lp r o c e s s ，t h ee n t i r ep r o c e s sf r o mf i l l i n gt os o l i d i f i c a t i o ni ss i m u l a t e db y u s i n gp r o c a s ts o f t w a r ef i r s t l y , a n dt h ep h y s i c a lf i e l d su s e di np o r o s i t yc r i t e r i o n c a l lb eg o t a n o t h e rt w op o r o s i t yc r i t e r i o n sa r ei m p o r t e da n de x e c u t e d ，e x c e p tt h e p o r o s i t yc r i t e r i o nt h a tu s e di nt h ep r o c a s ts o f t w a r e p o r o s i t yi sp r e d i c t e db a s e d o nt h es i m u l a t e dp h y s i c a lf i e l d sb yp r o c a s ts o f t w a r ea n dd i f f e r e n tc r i t e r i o n s p r o g r a m m i n g sa r eb a s e do nt w op o r o s i t yc r i t e r i o nf u n c t i o n si nt h ep a p e r , a n d t h e nt h ep r e d i c t i o no fp o r o s i t yl o c a t i o nc a nb ed o n eb yt h ep r o g r a m t h r e ek i n d s o fc r i t e r i o n sw e r eu s e d ：n i y a m ac r i t e r i o n ，p r e s s u r ec r i t e r i o na n d g c c r i t e r i o n t h ep o r o s i t yp r e d i c t i o nr e s u l t s ，w h i c hw e r eb a s e do nt h ed i f f e r e n t c r i t e r i o n s ，a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ed e f e c tr e g i o no ft h ea c t u a lc a s t i n g so rn o t a f t e r t h a t ，t h et e c h n o l o g i c a la d a p t a b i l i t yo fd i f f e r e n tc r i t e r i o n sa r cd e t e r m i n e da n d e v a l u a t e d c o n c l u s i o ns h o w st h a t t os o m ee x t e n t , t h r e ec r i t e r i o n sa r ea l la b l et o c o r r e c t l yp r e d i c tt h ep o r o s i t y b u t ，t h ei n f l u e n c eo ft h ep r e s s u r eo nt h ep o r o s i t yo f t h ea l u m i n u ma l l o yc a s t i n g si sc o n s i d e r e di nt h ep r e s s u r ec r i t e r i o n s ot h e p r e s s u r ec r i t e r i o nc a nm o r ee f f e c t i v e l yp r e d i c tt h er e # o n so ft h ep o r o s i t yi nt h e c a s t i n g s ，a n dt h er e s u l ti sm o r ea c c u r a t e t h e r e f o r e ，c o m p a r e dw i t hn i y a m a c r i t e r i o na n d g cc r i t e r i o n ，t h ep r e s s u r ec r i t e r i o n i sm o r es u i t a b l et op r e d i c t t h ep o r o s i t yf o ra l u m i n u ma l l o yc a s t i n g s t w om a i np u r p o s e sh a v eb e e ns h o w ni nd e t a i li nt h ep a p e r ：p o r o s i t y p r e d i c t i o n a n di n d e p t h s t u d y o ft h et e c h n o l o g i c a la d a p t a b i l i t yo fp o r o s i t y c r i t e r i o n a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ea c t u a ld i e - c a s t i n gp r o c e s s ，t h er e a s o n so f p o r o s i t yi nt h ec a s t i n g sh a d b e e na n a l y z e d k e yw o r d s ：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 ，p o r o s i t y ，p o r o s i t yc r i t e r i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 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 复印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 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 指导老师签名： 日期： 仂d 7 ，g 刁 |j 牟 瓣 l1-_-lri， 事哆 名 签l 懿圹 作 溏 嫦 力 论 ： 位期 学日 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、在用p r o c a s t 进行具体实例数值模拟的基础上，研究和探讨了铝合 金铸件的缩松机理和判据。除p r o c a s t 原有判据之外，引入了压力判据和 g 、后，判据，并编写和实现了后处理程序。对实际的汽车电喷节流阀体铸 件的模拟结果，实现了三种判据的疏松评估。 2 、将三种模拟评估结果与实际铸件出现缩松缺陷的区域进行对比，得 到：压力判据相对于n i y a m a 判据和g 、忙，判据更适合用于低压铸造铝合金 铸件的缩松预测。 、 多一弓 筝c 1恽叶 矽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 金属压铸的概念、特点 金属压铸是将液态或者半固态金属液( 低温合金) 浇入压铸机的压室中， 金属液在压射冲头作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶 凝固而得到铸件的一种铸造方法i l l 。其中，高压和高速是压铸时金属液充填 成型的两大特点，也是压铸生产与其他铸造工艺本质的区别所在1 2 1 1 3 1 1 4 1 。 压铸压力为几兆帕至几十兆帕，填充初始速度为0 5 一7 0 m s ，填充时间 很短，一般为o o l s - - 一o 3 s 。由于压铸工艺是在极短的时间内将压铸模填充完 毕，且在高压、高速下成型，因此压铸法与其他的成形方法相比，有其自身 的特点 5 1 。 1 1 1 压铸工艺的优点 ( 1 ) 可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。 ( 2 ) 铸件的尺寸精度较高。 ( 3 ) 材料利用率高。 ( 4 ) 铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。 ( 5 ) 可以实现自动化生产 4 1 。 1 1 2 压铸工艺的缺点 ( 1 ) 由于高速填充，快速冷却，型腔中气体来不及排出，致使成型铸件 内部常有气孔以及各种氧化夹杂物存在，从而降低了铸件质量。 ( 2 ) 压铸机和压铸模费用较高，不适合小批量生产。 ( 3 ) 铸件尺寸受限制。 ( 4 ) 压铸合金种类受到限制f 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 压铸工艺的应用范围 压铸生产效率较高，能压铸形状复杂、尺寸精确、轮廓清晰、表面质量 及强度、硬度都较高的压铸件，故应用较广，发展较快。目前，铝合金压铸 件产量最多，其次为锌铝合金压铸件【6 l 【7 1 。 压铸工艺主要用于汽车、拖拉机、电气仪表、电信器材、航天航空、医 疗器械以及轻工同用五金行业。生产的主要零件有发动机汽缸体、汽缸盖、 变速箱体、发动机罩、仪表以及照相机的壳体和支架，管接头、齿轮等。 1 3 国内外压铸新技术 1 3 1 半固态压铸 半固态成形被认为是2 1 世纪最有发展前景的近净成形技术，将液态金属 良好的成形性和固态金属成形的品质结合在一起，从而大大扩展了压祷的应 用【引。 1 3 2 超高速压铸法 采用比传统压铸法更高的压射速度，实现超高速压铸法，条件是配备有 多功能压射机构 9 1 。 1 3 3 真空压铸 真空压铸是利用辅助设备将压铸型腔内的空气抽除且形成真空状态，并 在真空状态下将金属液压铸成形的方法。 1 4 压铸工艺过程中存在的问题与本论文的研究内容 高温金属液压入温度较低的压铸模浇注系统时，金属液与模具之间就会 产生各种形式的热交换。金属液失去热量，温度降低，模具得到热量，温度 升高。金属液温度降低表面张力增大，流动性降低。当它们超过某一限度时， 铸件就会产生各种缺陷，比如轮廓不清晰、冷隔、流纹、夹杂、微孔等0 0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 其中微孔对铸件的质量影响最大。我f l 、j 常说的铸件缩松包括内部的缩孔、缩 松和气孔等。缩孔和缩松会降低铸件的强度和硬度f 1 1 1 。缩孔及缩松常出现在 铸件合金积聚部位( 此处金属液成分不均匀) 或者厚薄截面有剧烈变化的部 位，主要是由于合金在凝聚收缩过程中，内部无法得到补给所致【1 2 1 。截面愈 厚，缩松愈剧烈，甚至成为缩孔。此外，合金浇注温度过高也是造成缩孔和 缩松的原因之一( 1 3 1 。而气孔往往出现在铸件中心附近，或者在铸件局部合金 积聚部位，主要是由于合金熔炼不够所致【l 引。压铸时结晶太快，而铸件内气 体来不及排出，使气体留在铸件内部形成气泡；其次，浇注速度过快，气体 也来不及排出，再加上浇注液进入型腔时的流向不当，将气体裹住而形成气 孔1 1 5 l 。 本论文的主要目的在于找到一种适当的方法来预测缩松的形成，并力争 准确地找出形成缩松的原因以及出现缩松的区域，同时还要针对不同的判据 与怎样的工艺背景相适应进行探究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章压铸工艺理论 压力铸造应用范围极广，在有色合金中，以铝合金压铸件比例最高( 约 占3 0 3 5 ) ，锌合金次之。目前，用于压铸工艺生产的铸件重量可由几克 到几十千克，其投影面积可由零点零几平方厘米到数千平方厘米1 1 6 1 。压铸件 主要是在汽车制造业的促进下发展起来的。 2 1 压铸件设计 随着人们对压铸生产客观规律的认识不断提高，对压铸件的技术要求也 会不断发展和提高。所以，不能将下面介绍的内容看成是静止和绝对的。 2 1 1 压铸件的精度、表面粗糙度以及加工余量 ( 1 ) 压铸件的尺寸精度。压铸件能达到的尺寸精度是比较高的，其稳定 性也很好，基本上依照压铸模制造精度而定。造成压铸件尺寸偏差的原因很 多，其中有合金本身化学成分的偏差、工作环境温度的高低、开模和抽芯以 及推出机构运动状态的稳定程度、模具使用过程中的磨损量引起的误差、压 铸工艺参数的偏差、模具的修理次数以及其使用期限等。而这些原因又相互 交织在一起，彼此影响1 1 7 1 。 ( 2 ) 表面形状和位置。通常认为，压铸件的表面形状和位置主要是由压 铸模的成形表面所决定，而成形表面的形状和位置可以达到较高的精度l a s l 。 ( 3 ) 表面粗糙度。在填充条件良好的情况下，压铸件表面粗糙度一般比 模具成形表面的粗糙度低两级。 ( 4 ) 加工余量。当压铸件的尺寸精度与形位公差达不到设计要求而需机 械加工时，应优先考虑精整加工，以便保留其强度的致密层【1 9 1 。 2 2 压铸合金、压铸模与压铸机 压铸合金、压铸模和压铸机是压铸生产的三要素，而压铸工艺则是将这 三要素进行有机组合和应用的过程【2 0 i 叫2 2 i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 1 压铸合金 选用压铸合金时，应充分考虑其使用性能、工艺性能、使用场合、生产 条件和经济性等因素。根据压铸工艺的特点，对压铸合金有如下基本要求： ( 1 ) 其金属液具有较好的流动性，便于填充复杂型腔。 ( 2 ) 线收缩率和裂纹倾向性小，以免压铸件产生裂纹。 ( 3 ) 结晶温度范围小，防止铸件产生过多的缩孔和缩松。 ( 4 ) 具有一定的高温强度，以防止推出压铸件时产生变形或碎裂。 ( 5 ) 在常温下有较高的强度，以适应大型薄壁复杂压铸件生产的需要。 ( 6 ) 与型壁问产生物理一化学作用的倾向性小。 作为压铸用的非铁合金有：铝、锌、镁、铅、锡、铜合金等。 2 2 2 压铸模设计 压铸生产中，压铸模是保证铸件质量的不可缺少的工艺装备，直接影响 铸件的形状、尺寸、强度、表面质量等。工艺上压铸模设计程序如下： ( 1 ) 先对铸件进行结构分析。 ( 2 ) 选择分型面以及浇注系统。 ( 3 ) 选择压铸机型号。根据铸件的形状、尺寸等要素选定压铸机的型号。 ( 4 ) 确定合适的模具结构。 ( 5 ) 画压铸模装配图。 ( 6 ) 对相关零件进行刚度或强度计算。 ( 7 ) 画出压铸模零件图。 2 2 3 压铸机的选择 由于各种压铸合金的熔化温度不同，并且具有不同的化学性质，所以， 不同的压铸合金应该选择不同型号的压铸机：铝合金主要是采用冷室压铸机； 锌合金主要应当采用热室压铸机；镁合金压铸一般主要采用冷室压铸机：铜 合金通常压铸时采用冷室压铸机【2 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 3 压铸工艺参数 压铸工艺过程中所涉及到的压力、速度、温度、时问以及涂料的应用等 参数必须认真选择和控制，这些参数对于成形后的压铸件质量将会起到至关 重要的作用【2 4 1 。 2 3 1 压力的控制 作用于金属液上的压力是获得组织致密和轮廓清晰压铸件的重要因素， 必须控制压力变化【2 5 1 ，合理选择压力数值。 一、压铸过程中各阶段的压力变化和压力峰 压铸过程中压力随压铸阶段的不同而变化，压射冲头的运动速度以及压 力的变化见图2 1 。压射各阶段的压力、压射冲头速度以及控制和压力作用 见表2 1 。目前的压铸机多为三级压射，第一、二压射阶段作为一级压射， 三、四压射阶段分别作为二、三级压射 e l l 。 图2 - 1 压铸不同阶段压射冲头运动速度与压力变化 金属液流经内浇口时，截面突然减少，阻力剧增，在内浇口前出现金属 液堆积，瞬时压力升高，形成压力冲击；突破内浇口的阻力后，冲击现象消 失。进入型腔遇到阻塞也会产生压力冲击。压力冲击使压铸过程中的压力产 生波动，能量耗散增加，在不同压铸阶段出现压力峰，如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 - 1 压力的变化与作用 压力 压射冲头 压射阶段 压射过程压力作用 p速度 ， 第一阶段 压射冲头以低速前进，推动金克服压室与压射冲头和液 p l ，l 属液，压力在压室内平稳上压缸与活塞之间的摩擦阻 f l 升，使压室内空气慢慢排出 力 第二阶段 压射冲头以较快的速度前进， 压力升高足以达剑突破内 p 2y 2 金属液被推至压室前端，充满 浇口阻力，此阶段后期，因 r 2 内浇口阻力产生第一个压 压室并堆积在浇口前沿 力峰 金属液突破内浇口阻力，压 第三阶段 压射冲头按要求的最大速度 力升至p 3 。在此阶段结束 p 3b f 3 前进，金属液充满整个型腔 前，由于水锤作用、压力升 高，产生第二个压力峰 第四阶段 压射冲头运动进本停止，但稍 这是最后增压阶段，压力作 p 4y 4 用于正在凝6 i i l 的金属液上， f 4 有前进 使之压实，提高压铸件密度 二、压射比压及其对力学性能和填充条件的影响 比压是压室内金属液单位面积上所受的压力，即压铸机的压射力与压射 冲头横断面面积之比。填充时的比压成为压射比压，用于克服浇口系统和型 腔中的流动阻力，特别是内浇口的阻力，达到内浇口应有的速度。 压射比压可以按照下式计算 p b 一4 f y 加d2 ) ( 2 一1 ) 式中，巩压射比压( m p a ) ： e 压射力( n ) ： d 压射冲头直径( m m ) 。 压铸过程中采用较高的比压，除了容易得到轮廓清晰、外表光洁和尺寸 精确以及带有花纹、图案、文字等的压铸件外，还可以改善压铸件的致密度， 从而提高压铸件的抗拉强度和硬度。 2 3 2 速度的选择 充型速度也是压铸工艺主要参数之一，充型速度的高低直接影响铸件的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 内部和外观质量。充型速度过小会使得浇注金属液在填充过程中降温比较明 显，开始凝固，从而导致不能成形。充型速度过大则会使铸件内部气孔率增 加，导致铸件力学性能下降。充型速度的选择应遵循如下原则： ( 1 ) 对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充型速度； ( 2 ) 对于薄壁或表面质量要求较高的铸件，应选择高的充型速度； ( 3 ) 对于合金的浇注温度较低、合金和模具材料的导热性能好、内浇道 厚度较大的铸件，也要选择较高的充型速度。 常用充型速度可参照表2 2 选取。 表2 - 2 常用的充犁速度( 单位m s ) 合金简单壁厚铸件一般铸件复杂壁厚铸件 铝合金 1 0 1 51 5 2 52 5 3 0 镁合金2 0 2 52 5 3 53 5 4 0 锌合金、铜合金 l o 1 51 51 5 2 0 2 3 3 温度的选择 一、浇注温度 浇注温度是指从压室进入型腔时金属液的平均温度。浇注温度过高，合 金收缩大，使得铸件容易产生裂纹，铸件晶粒大，还能造成脆性；浇注温度 过低，容易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷。因此，浇注温度应与压力、 铸型温度以及充型速度同时考虑。经验证明：在压力较高的情况下，要尽可 能降低浇注温度，最好使金属液呈粘稠“粥状”时压铸，这样可以减少金属 液对型腔的冲蚀，延长压铸模的使用寿命；减少金属在凝固过程中的体积收 缩，使得壁厚处的缩孔和缩松减少。各种压铸合金的浇注温度，因其壁厚和 结构的复杂程度而不同，其值可参考表2 3 选用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 - 3 各种乐铸合金的浇注温度( 单位：) 铸什壁j 早 3 r a m 合金 结构简单结构复杂结构简单结构复杂 锌合金4 2 0 ，、，4 4 04 3 0 ，一4 5 04 1 0 4 3 0 4 2 0 ，4 4 0 含硅的 6 1 0 ，、，6 5 06 4 0 ，7 0 05 9 0 ，6 3 06 1 0 ，一6 5 0 铝合金 含铜的 6 2 0 一6 5 06 4 0 ，、一7 2 0 6 0 0 ，一g 4 06 2 0 ，一6 5 0 含镁的 6 4 0 ，6 8 06 6 0 、一7 0 06 2 0 ，、一6 6 06 4 0 ，一6 8 0 镁合金 6 4 0 ，6 8 06 6 0 、一7 0 06 2 0 ，6 6 06 4 0 ，一6 8 0 普通黄铜 8 7 0 一9 2 09 0 0 9 5 08 5 0 ，、一9 0 08 7 0 、，9 2 0 铜合金 硅黄铜 9 0 0 ，9 4 0 9 3 0 ，一9 7 08 8 0 ，9 2 09 0 0 ，一9 4 0 二、压铸模温度 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 避免高温金属液对冷压铸模的“热冲击”，以延长压铸模的使用寿命。其二是 避免金属液在模具中因激冷而很快失去流动性f 2 6 i 。 压铸模工作温度一般可按下式2 2 计算或根据表2 - 4 查得。 1 f 型= f 浇a t ( 2 2 ) j 式中，毡是压铸模工作温度( ) ；t 浇是金属液的浇注温度( ) ；a t 是温度 控制公差( 一般取2 5 ) 。 表2 - 4 不同压铸合金的压铸模t 作温度( 单位：) 壁厚至3 m m 壁厚人于3 m m 合金 结构简单结构复杂结构简单结构复杂 预热温度 1 3 0 1 8 01 5 0 2 0 01 1 0 1 4 01 2 0 1 5 0 锌合金 连续工作保持温度 1 8 0 2 0 01 9 0 2 2 01 4 0 1 7 01 5 0 2 0 0 预热温度1 5 0 1 8 02 0 0 2 3 01 2 0 1 5 01 5 0 1 8 0 铝合金 连续：l ：作保持温度1 8 0 2 4 02 5 0 2 8 01 5 0 1 8 0 1 8 0 2 0 0 预热温度1 5 0 1 8 02 0 0 2 3 01 2 0 1 5 01 7 0 - - 1 9 0 镁合金 连续t ：作保持温度1 8 0 2 4 02 5 0 2 8 01 5 0 1 8 0 2 0 0 2 4 0 预热温度2 0 0 2 3 02 3 0 2 5 01 7 0 2 0 02 0 0 2 3 0 铜合金 连续i ：作保持温度3 0 0 3 2 53 2 5 3 5 02 5 0 3 0 03 0 0 3 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 4 充填、持压、留模时间的选择 一、充填时间。 金属液自开始进入型腔到填满所需的时间称为充填时间。充填时间取决 于铸件的体积和复杂程度，体积大而形状简单的，充填时间应长；体积小而 形状复杂的，充填时间应短 2 7 1 。不论合金的种类和铸件的种类如何，填充时 间都很短。当铸件体积确定后，填充时间与内浇口速度和内浇口截面积之乘 积成反比。 二、持压时间。 金属液充满型腔到凝固之前，增压比压持续的时间称为持压时间。持压 时间的作用是使压射冲头有足够的时间将压力传给未凝固的金属，使之在压 力下结晶，以便于获得组织致密的铸件。 三、留模时间。 留模时间指持压时间终了到开模推出铸件的时间，以推出铸件不变形、 不开裂的最短时间为宜。一般合金收缩率大、强度高、铸件壁薄、模具热容 量大、散热快，留模时间应该短一些，反之应该长一些。 2 4 压室充满度 压室充满度指浇入压室的金属液量占压室容量的百分数，一般7 0 8 0 为宜。压室充满度计算公式为： ，咒：4 m ： 妒= 1 1 0 0 一1 0 0 ( 2 - 3 ) 。 棚，捌2 l p 式中，妒为压室充满度( ) ，m ，为浇入压室金属液质量( g ) ，m ，为压室内 完全充满金属液的质量( g ) ，d 为压室直径( 硎) ，z 为压室有效长度( c m ) ， p 为金属液密度( g c m 3 ) 。 2 5 压铸用涂料 压铸过程中对模具型腔、型芯表面、滑块、推出元件、压铸机的冲头和 压室等所喷涂的润滑材料和稀释剂的混合物，通称为涂料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 互i1 涂料的作用和对压铸涂料的要求 涂料的作用是为压铸合金和模具之间提供有效的隔离保护层，避免金属 液直接冲刷型腔和型芯表面；降低模具热导率，保持金属液的流动性，提高 金属的成型性；延长模具寿命，提高压铸件的表面质量；对铝合金还可以防 止粘模。 根据涂料的作用，要求压铸用涂料挥发点低，涂敷性好；性能稳定，高 温时不分解出有害气体；配制工艺简单，来源丰富，价格比较便宜。 2 6 铸件的整形和处理 2 6 1 铸件的整形 形状复杂的大型薄壁铸件由于热应力、组织应力的作用以及推出时受力 不均、留模时间不当、搬运中的碰撞均会产生残余应力，使铸件变形 6 1 。用 手工或者机械对变形的铸件进行校正的工序称为整形。 校正工序分为热校正和冷校正两种。热校正一般在压铸件出模后立即进 行，也可冷却后再加热倒退火温度用专用的工、模具在压力机或者校直液压 机上整形。冷校正机是在室温下进行，虽效果较差，但操作方便。 2 6 2 铸件的后处理、表面处理 ( 1 ) 铸件的后处理。铸件的后处理主要指时效退火和负温时效处理，目 的是消除内应力，稳定压铸件尺寸，提高力学性能，适应在负温条件下工作。 ( 2 ) 铸件的表面处理。铸件多在铸态下使用，但为了获得较厚的氧化膜 增加耐蚀性和表面美观，有时要进行表面处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章铸件充型凝固过程数值模拟理论 随着计算机技术的发展，铸件充型凝固过程数值模拟受到了国内外研究 工作者的广泛重视。目前铸件充型凝固过程数值模拟的发展已进入工程实用 化阶段。 3 1 典型的压铸填充理论 金属液的充型过程是铸件成形的第一个阶段。许多铸造缺陷( 如气孔、 夹渣、冷隔等) 都是在充型不利的情况下产生的。因此了解并控制充型过程 是获得优质铸件的重要条件。金属压铸填充理论归纳起来有如下三种： ( 1 ) 喷射填充理论 ( 2 ) 全壁厚填充理论 ( 3 ) 三阶段填充理论 3 1 1 压铸过程中理想流态理论 在充型过程中，金属液的填充形态受诸多因素的影响，除内浇注口的位 置和截面外，填充速度是至关重要的。在研究填充形态时，引用流体力学中 的边界层理论、连续性原理、湍( 紊) 流效应以及液压冲击理论等【1 2 j 对揭示 填充过程中的流态以及压铸件质量有重要意义。 ( 1 ) 边界层理论：压铸填充时，金属液是随温度的变化而变化的高温粘 滞流体。由于金属液与型腔壁的摩擦阻力和附壁效应，流体先后沿型腔出现 边界层，进而由激冷层首先凝固，流速降为零，形成薄壳。由边界层向里流 速逐渐增大，即在流体内存在速度梯度、温度梯度和切应力变化。由于冷凝 边界层随流体所到之处顺序形成，且存在速度梯度，中心速度高的主流层在 爬越冷凝边界层之后有向型腔壁转向的趋势，使金属液压向型腔的表面，有 利于复杂铸件的充满和成形陋j 。 ( 2 ) 连续性原理：压铸过程中，金属液遵循连续性原理，即压铸机压室 截面积与压射冲头速度的乘积等于内浇口截面积与内浇口速度的乘积。金属 液进入型腔以后，截面突然增大，由于型芯、凹槽以及各截面不相等的影响， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 使金属液处于不同流速、不同填充形态的复杂填充过程，这即是同一铸件存 在不同流态的基本原因，但从内浇注口处均可获得连续的金属液补给，使填 充过程仍然具有连续性。 ( 3 ) 湍( 紊) 流效应：金属液如同粘性流体一样，可用雷诺数r e 判定 流动形态。当r e 2 3 0 0 ，即低流速时产生层流，金属液粘度增加流动性下降， 延长了填充时间，压铸件难以成型。当r e 2 3 0 0 处于紊流状态，耗散的能量 增加并卷入大量气体，这即是铸件产生气孔的根本原因。如若避免紊流，必 须降低流速，在充模时间不变的情况下，则必须加大内浇口截面积，这又会 导致液流前端过冷，难以充满型腔。压铸过程中就是有目的地调整这一对基 本矛盾，合理地设计浇口的位置和截面积，选择适当地流速，使之既不过于 冷凝，又不至于卷入过多的气体。 ( 4 ) 液压冲击：当金属液经内浇口或型腔中地狭窄通道受到阻碍时，产 生瞬时的金属积聚，压力升高，形成瞬时压力冲击。当突破阻力后，冲击现 象消失，金属液呈波动形前进，直至充满为止。在填充过程中，描述压力、 速度一位移曲线上的压力跳动即是液压冲击现象的有力证明。 3 1 2 铸件充型过程数值模拟概况 铸件充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算 流体力学、传热学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。 铸件充型过程的流场、温度场模拟包括很多内容，如几何实体造型、计算域 的网格划分、流场中速度和压力的求解、充型过程紊流的模拟、充型过程对 凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响等p o 。 一、速度场和压力场的求解 充型凝固过程数值模拟的一项基本内容是用有限差分法或有限元等数值 方法求解质量守恒方程( 连续性方程) 和动量方程即n s 方程，以得出流体 运动规律。 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o fp r e s s u r e l i i l l 【e de q u a t i o n s ) 是求解 压力连续方程的半隐式方法，是比较全面的流场计算方法；计算出的速度场 不仅满足连续性方程的要求，也满足动量方程的要求；其主要特点是压力场 和速度场同时迭代。求解压力场和速度场的另一种迭代方法是s o l ( s o l u t i o n - - a l g o r i t h m ) 方法，目前铸件充犁过程流场数值模拟常采用这种方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 二、自由表面问题 铸件充型过程是带有自由表面的流动问题，这类问题的难点之一就是确 定自由表面的位置和形状，考虑自由表面的计算流体力学是其数值模拟的基 础。目前，用来处理自由表面的方法主要有m a c 法和v o f 法。 m a c 法( 即标志网格法) 在e u l c r 矩形网格上建立了n s 方程的差分格 式，比用流函数和涡旋量作变量的方法有了更大的适应性，特别适用于自由 表面和多介质问题的计算。它根据己知速度场得到下一时刻有关压力场的泊 松方程，求出压力场后再求出下一时刻的速度场。m a c 法的一个突出优点是 能够生动地描摹带有自由表面的液流的流态演化。 v o f 法定义了一个体积函数f ( x ，y ，z ) ，在被流体占据的点上f 值为1 ， 否则为0 。当对一个流体单元进行平均时，f 的平均值等于流体占据的体积分 数值，特别是当f 为1 时，格子被流体充满；f 等于0 时，格子中无流体；0 f 1 时，则表示流体单元中具有自由表面。这样，通过解出每个单元中的 液相体积分数，就可以确定自由表面的位置和形状。同m a c 法相比，这种算 法的优越性在于减少了自由表面的计算工作量。一个单元只需一个存储量， 显著减少了自由表面的计算工作量。 三、铸造充型过程紊流的模拟 铸件充型过程中，金属液的流动绝大多数是紊流。紊流是一种高度复杂 的非稳态三维流动，流体的各种物理参数( 如速度、压力和温度等) 都随时 间与空间发生随机变化。 紊流模拟采用的数值计算方法大致可以分为如下三类【3 l l ： ( 1 ) 完全模拟。这是用非稳态的n s 方程来对紊流进行计算，无须引 入任何模型，但需要在紊流尺度的网格尺寸内求解。 ( 2 ) 大涡旋模拟。这种方法用非稳态的n s 方程来直接模拟大尺度涡， 但是不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似模拟型来考虑。 ( 3 ) r e y n o l d s 时均方程法。在这类方法中，将非稳态的控制方程对时间 做平均，在关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等物理 量，所得方程的个数少于未知量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理 来使方程组封闭。要使方程组封闭，就必须作出假设，即建立模型。这种模 型把未知的、更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的 函数，这是目前工程紊流计算中所采用的基本方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 1 3 铸件充型过程中常用的数学模型 铸件充型过程中液态金属的流动遵循流体动力学规律，可以用质量守恒 和动量守恒等基本控制方程来描述；而充型过程中金属液与模具之间的热交 换可用建立热量平衡方程来描述【3 2 l 。具有自由表面的非稳定流动计算的关键 问题在于确定自由表面的位置，跟踪自由表面的移动，处理自由表面的边界 条件。针对上述问题已有多种数值方法可以实现，最常用的是s o l a - - v o f 法。 一、s o l a v o f 数学模型 最初的s o l a - - v o f 法是求解二维的具有自由边界的非定常流动问题的 数值模拟方法，它所采用的基本概念是体积分数。目前，s o l a - - v o f 法已 经推广到了三维。在铸件充型过程数值模拟中，将液态金属看作不可压缩流 体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和n s 方程。 ( 1 ) 连续性方程 塑+ 竺+ 坐：0 ( 3 - 1 ) 一+ + = ) 酞 的 a z ( 2 ) n s 方程 p ( 罢+ u 罢+ v 罢+ w 罢) 。一罢+ 偌，+ 胛v z up i + + ，+ ) o 一2 + 艘+ 口 一 一珊缸 却 a z缸。 p ( o 优v + u 罢+ v 詈+ w 罢) 1 一詈+ 昭，+ 胛2 y p+ + ，+ ，一+ 刀譬。+ v 。， 砒a x 却 a z l 的一3 p ( 警+ h 芒+ 娑+ 兰) 一a ，p v w 1 + 昭：+ g m vw p i + h + + ) 一+ 职，+ 一 一砸缸 却 瑟瑟 ( 3 - 2 ) 上述两式中，u 、 ，、w 为速度矢量在x 、y 、z 方向上的分量：p 为单位密 度的压力；j c l 为运动粘度；g 为重力加速度；v 2 为拉普拉斯算子。 ( 3 ) 能量方程 肛詈+pc誓+詈+删誓一面0他寻0t+-【0七o却tpcu p c v - - - ) + 昙 誓) + s c 3 - 3 ，店+ + + p c l v 一l 庀) + i 庀 + i 庀j + j l j 。 砸缸 却 。 汜缸、缸7却、却a z 、瑟7 式中等号左边的2 、3 、4 项即为由于流体流动所引起的温度变化，该式表明 此时的导热过程由两部分组成，除了流体的导热能力小外，还依靠它的宏观 位移来传递热量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 采用体积函数法跟踪自由表面移动时，还需要求解体积函数方程： 望+ “堕+ v 堕+ w 堕。o( 3 4 ) a ta x a y a z 实际上连续性方程、n s 方程、体积函数方程和上面的能量方程均可以 用下面的通用微分方程来描述 a ( p 驴) + d i v ( p l l l c p ) = d i v ( f g r a d q a ) + s ( 3 5 ) 优 式中，伊为因变量，r 为扩散系数，s 为源项。对于特定意义的9 ，具有特定 的量r 和s 。式中四项分别为不稳定项、对流项、扩散项和源项。 二、用s o l a 法求解压力场和速度场的迭代步骤 用s o l a 法求解压力场和速度场的迭代步骤如下： ( 1 ) 由动量方程( 3 2 ) ( 3 - 4 ) 的显式差分格式，以初始条件或前一 个时刻的值为基础，试算出新时刻的速度场估计值。 ( 2 ) 为了满足连续性方程( 3 1 ) ，压力必须迭代修正，由此引起的速度 改变加到第( 1 ) 步所计算的速度场上。反复迭代直到满足精度要求为止。 3 1 4 铸件充型过程紊流的数值模拟 铸件充型过程中金属液的流动通常是紊流流动。铸件充型过程中紊流的 模拟必须考虑如下因素 3 3 1 ： ( 1 ) 充型过程中的紊流是尚未充分发展的紊流； ( 2 ) 在近型壁处对紊流模型应做必要的处理； ( 3 ) 紊流模拟不应给计算带来太大的负担，模型的准确性与计算量应相 互协调。 对于流场的基本控制方程，如果将各个瞬时量分解为时均值以及脉动值， 即进行r e y n o l d s 展开，然后再取时间平均，可得到紊流流动的r e y n o l d s 时均 方程组。针对r e y n o l d s 时均方程组进行不同的处理，可以得到k 一双方程 紊流模型和低雷诺数紊流模型等各种计算紊流的模型。 一、k 一双方程紊流模型 在各种时均方法中，k 一双方程紊流模型的应用最为普遍。紊流动能k 和紊流动能耗散率f 由下面的方程来确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 k 方程 昙( 脒) + 专( 伊罔。毒泓+ 尝) 筹1 坛一班 书， 方程昙( 础o - z ，( p = 4 毒泓+ 考1 + - 去( c , p k - c 2 p e ) ( 3 引 其中p t 一以等( 詈+ 瓦o u ) 。 由k 和的值可以确定紊流粘性系数以，且以一c p p k 2 少。k e 双方 程紊流模型中常数的取值目前已经趋于一致( 见表3 1 ) 。 表3 1k 一占双方程紊流模璎中的常数值 c lc 2 c 吼f 7 e 1 4 4 1 9 20 0 91 o1 3 3 二、低雷诺数紊流模型 上面叙述的k 一占双方程的紊流模型和有关的常数都是在