硕士论文-高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化 姓名 赵鑫 申请学位级别 硕士 专业 材料学 指导教师 丁文江 曾小勤 20090101 上海交通大学硕士学位论文 I 高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化 高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化 摘 要 应用专业铸造模拟软件 AnyCastingTM和有限差分数值模拟技术 研究了不同浇注温度 不同快压射速度和不同快压射切换位置条件 下 铝合金汽车空调压缩机缸体压铸过程中的充型顺序和温度场分 布 并对充型过程中可能产生的缺陷进行了预测 通过测量铸件金相 组织 密度 密度变化率及力学性能等方法 对数值模拟结果进行了 验证 通过对不同变质工艺和不同铸造压力条件下铸件性能的研究表 明 铸件的孔隙率随着浇注温度升高和快压射速度的增加而增大 随 着快压射切换位置的增加而减小 随着铸造压力的增加先增大后变 小 铸件的力学性能随浇注温度的增加而呈递减的趋势 随快压射速 度的增加及快压射切换位置的增加 呈现先增大后减小的趋势 随铸 造压力的增加 呈现递增的趋势 结果表明 生产铝合金汽缸体压缩机缸体的最佳工艺参数为 变 质剂 HGPB 1 浇注温度 700 720 铸造压力 104MPa 压射速度 1 5m s 快压射位置 320mm 关键词 压铸工艺参数 R14 铝合金汽缸体 变质 密度变化率 孔 隙率 数值模拟 充型过程 缺陷预测 上海交通大学硕士学位论文 II Study on Porosity and Process Optimization of Hypereutectic Aluminum Alloy Die Casting ABSTRACT In this contribution the effects of five important process parameters metal temperature casting pressure fast shot speed fast shot set point on the properties of die casting R14 aluminum alloy air conditioning compressor cylinder were investigated by the method of measuring the density of as cast and heat treated casting analyzing microstructure and testing the tensile properties Numerical simulation is also used to describe the flow and temperature distribution at the different metal temperature fast shot speed and fast shot set point in the platform of AnyCastingTM using Finite difference method The result showed that higher metal temperature and fast shot speed increase the amount of the porosity an increase in fast shot set point decrease the amount of the porosity an increase in pressure increase the porosity first and then decrease An increase in metal temperature decrease the UTS and elongation an increase in fast shot speed and fast shot set point increase the UTS and elongation and the decrease an increase in casting pressure increase the UTS and elongation The optimum combination of modifying agent melt temperature casting pressure fast shot speed and fast shot set point for generating the lowest porosity were HGPB 1 modifying agent 700 720 104Mpa 1 5m s 320mm respectively Key word die casting parameters R14 aluminum allay air conditioning compressor cylinder the changing rate of density porosity modifying agent numerical simulation filling defect predict 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中引用的内容外 本论文 不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 人的研究所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结果由本人承担 学位论文作者签名 赵鑫 日期 2009 年 1 月 25 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 1 压力铸造概述 1 1 1 压力铸造的发展历史 1 一般认为 压力铸造起源于 19 世纪初期 主要应用印刷业 19 世纪中期 出现了第一台热室压铸机 并在美国获得专利权 1855 年默根瑟勒在前人的基 础上 发明了印字压铸机 20 世纪初期 压铸才广泛用于工业生产 1904 年法 兰克林公司开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承 开创了压铸件在汽车工业中应 用的先例 1905 年多勒制造出第一台用于工业生产的压铸机 可压铸锌 锡 铜合金铸件 随后瓦格纳设计了鹅颈式气压压铸机 用于生产铝合金铸件 1927 年约瑟夫 波拉克设计了第一台冷压室压铸机 使贮存熔融合金的坩埚与压射室 分离 显著地提高压射力 从而使压铸技术向前推进了一大步 使铝 镁 钢等 合金铸件可广泛采用压铸生产 1958 年真空压铸在美国获得专利 1966 年提出 精 速 密压铸法 出现了双冲头压铸 1969 年提出了充氧压铸的无气孔压铸 法 随着工业对产品质量的不断提高 又出现了水平分型的全立式压铸机以及可 以提高铸件致密度的三级压射系统的压铸机 1 1 2 压力铸造过程 压力铸造的实质是使熔融状态或半熔融状态合金浇入压铸机的压室 随后在 高压的作用下 以极高的速度充填在压铸模的型腔内 并在高压力下使用熔融合 金冷却凝固成形的高效益 高效率的精密铸造方法 压铸的具体过程如图 1 1 所 示 2 图 1 1 压铸过程循环图 Fig 1 1 the circulation of die casting processes 现在以配备增压器的三级压射结构的卧式冷室压铸机为例 根据压射冲头在 压室内的移动情况 具体描述压力铸造的充型填充过程 3 5 如图 1 2 所示 上海交通大学硕士学位论文 2 a b c d 图 1 2 卧式冷室压铸机压铸过程图 Fig 1 2 Die casting process of the horizontal cold rooms die casting machines 第一阶段为慢速阶段 如图 1 2 a 所示 金属液浇入压室内 压射冲头以 慢速前进 封住射料口 推动金属液在压射室内平稳上升 使压室内空气慢慢排 出 减少金属液卷入气体 并防止金属液从浇口溅出 这一阶段金属液所受压力 P1 较低 仅用于克服压室与液压缸对其运动活塞的摩擦阻力 第二阶段为堆聚阶段 如图 1 2 b 所示 在压射冲头推动下 金属液以较 快的速度移动 充满压射室前端和浇道并堆聚在内浇口前沿 金属液到达内浇口 时 阻力达到最大值 因此为克服内浇口阻力而产生第一个小的压力峰 P2 以 达到突破内浇口的阻力 第三阶段为压射冲头快速运动阶段 如图 1 2 c 所示 压射冲头开始加速 金属液在充填压力 P3 的作用下以极高的速度 短时间内充满整个型腔与浇注系 统 与此同时 压射力将继续上升 且由于增压器开始工作 压力将进一步升高 的最高值 P3 由 P2 上升到 P3 的时间大约为 0 02 0 03s 称为建压时间 在第 三阶段结束时 压铸件内尚存在疏松组织 上海交通大学硕士学位论文 3 第四阶段为压射冲头持压阶段 如图 1 2 d 所示 填充型腔结束时 压射 冲头运动基本停止 速度逐渐降为零 压力由最高值 P3 变为最终的压力 P4 持 压压力 本阶段的主要目的是建立最后的增压 使铸件在最终静压力作用下冷 却凝固 消除或减少疏松 得到组织致密的铸件 压力铸造过程压力各个阶段的变化如图 1 3 所示 图 1 3 压射压力变化曲线 Fig 1 3 the changing curve of injection and pressure 1 1 3 压力铸造的主要参数 6 8 压力铸造的特点是高压力和高速度充填 现在对压力和速度在压铸过程中的 变化和作用加以分析 1 压力 压射力是指压射冲头作用于金属液上的力 来源于高压泵 可用压射压力和 压射射比压来表示 压射力的大小由压射缸的截面积和工作液的压力所决定 可 按下述公式计算 有增压机构时 4 2 dpF zyy 1 1 无增压机构时 4 2 dpF gy 1 2 式中 y F 压射力 KN zy p 增压后 压射型腔内的工作液压力 MPa d 压射冲头直径 mm 上海交通大学硕士学位论文 4 压射比压可按下式计算 2 4dFp yb 1 3 其中 b p 压射比压 Pa d 压射冲头直径 mm 由公式可见 压射比压与压射力成正比 与压射冲头面积成反比 所以压射 比压可以通过改变压射力和调整压射冲头直径来调整 选择压射比压时 应根据 压铸件的形状 尺寸 复杂程度 壁厚 合金的特性 温度 浇口及排溢系统等 确定 一般在保证压铸成型和使用要求的前提下选择较小的压射比压 根据经验 对于承载件取 50 80MPa 对于薄壁件 耐气密性件一般取 80 100MPa 2 速度 压力铸造过程中 压射速度既受压力的直接影响 又与压力共同对铸件内部 质量 表面要求和轮廓清晰程度起着重要作用 生产中 速度的表示形式常为压 射速度和内浇口速度两种 1 压射速度 压射速度是压室内压射冲头推动金属液的移动速度 即压铸机压射冲头的速 度 压射速度分为慢速和快速两个阶段 通过压铸机压射速度调节阀可以实现无 级调速 慢速压射的压力铸造中的第一阶段 这一阶段是将金属液推至压室前端堆积 在内浇口前沿 在保证将压室内的空气充分排出 又不过多降低金属液的温度的 前提下 尽量选取较低的慢压射速度 过快的慢压射速度不利于压室内气体的排 出 慢压射速度的大小还与压室充满度密切相关 具体关系见表 1 1 表 1 1 慢压射速度的选择 Table 1 1 the selection of slow shot based on filling rate 压室充满度 慢压射速度 m s 30 0 3 0 4 30 60 0 2 0 3 60 0 1 0 2 快速压射对应于压力铸造过程中的第三阶段 使金属液通过内浇口 出现压 力峰使铸件压实 减少缩孔及缩松 在计算高压射速度时 先由表 2 确定填充时 间 按式 1 4 进行计算 td nV uyh 2 1 0114 1 4 上海交通大学硕士学位论文 5 式中 yh u 高速压射速度 m s V 型腔容积 m3 n 型腔数 d 压射冲头直径 m t 填充时间 s 按此式计算的快压射速度是最小快压射速度 一般压铸件可以按计算值提高 1 2倍 有较大镶件的铸件或大模具压小铸件时可提高至1 5 2倍 快压射速度的选择要综合考虑压铸合金的特性 熔化潜热 合金的比热和导 热性 凝固温度范围 模具的热传导情况及对铸件的质量要求等多种因素 当模 具温度高时 压射速度可适当降低 当铸件为薄壁复杂零件且对表面质量有较高 要求时 应采用较高的压射速度 2 填充速度 填充速度即内浇口速度 是熔融金属通过内浇口导人型腔时的线速度 填 充速度是压力铸造中重要的工艺参数之一 填充速度的大小对铸件刀学性能的影 响极大 填充速度太低 铸件强度就会下降 填充速度提高 强度就会上升 但 速度过高时 又会导致强度下降 填充速度的选择与压铸件壁厚的关系如表1 2 所示 表1 2 推荐的压铸件平均壁厚与充型时间及填充速度的关系 Table 1 2 the relationship between average thickness and filling time and filling speed of die casting 压铸件平均厚度 mm 充型时间 ms 填充速度 m s 1 10 14 46 55 1 5 14 20 44 53 2 18 26 42 50 2 5 22 32 40 48 3 压射速度与内浇口速度的关系 在冷压室压铸机中 压室 浇注系统和压铸模构成一个封闭系统 根据连续 性原理 填充速度与压射速度有固定关系 nny uAu d 4 2 1 5 y n n u A d u 4 2 1 6 上海交通大学硕士学位论文 6 式中 n u 内浇口速度 m s y u 压射速度 m s d 压射冲头 压室 直径 m n A 内浇口截面积 m2 由式1 5 1 6可知 内浇口速度与压射冲头直径的平方 压射速度成 正比而与内浇口截面积成反比 压力铸造过程中 速度的变化曲线如图1 4所示 其中N为慢压射速度 O 为快压射速度 P为压射平均速度 Q为凝固过程加压速度 图1 4 压力铸造过程中速度的变化曲线 Fig 1 4 The changing curve of injection speed 1 1 4 压力铸造的特点 压力铸造被公认为是 原材料和成品之间距离最短 的一种金属成型工艺 它 将液态金属形成零件仅需要零点零几秒时间 是有色金属铸造中具有生命力的一 个分支 9 高压力和高速度是压铸时熔融合金充填成型过程的两大特点 也是压 铸与其他铸造方法最根本的区别之所在 10 正是由于高压力和高速度的特殊充型及凝固方式 使压力铸造自身具有一些特有 的优点和缺点 11 12 优点 铸件尺寸精度高 在多数情况下 只需经过少量的机械加工 就可以直 接进行使用 铸件表面光洁度好 表面精糙度在Ra3 2以下 与用机械加工方法而得 上海交通大学硕士学位论文 7 到同样的光洁度的表面相比 铸件表面更加坚实耐磨 铸件组织致密 强度及表面硬度高 这是由于合金在模具内在压力下 20 200MPa 成形 在压力下凝固 冷却速度较快 所以组织致密 故强度及 表面硬度高 可以压铸形状复杂的薄壁深腔零件 生产效率高 有利于实现机械化和自动化 缺点 压铸件气孔缺陷较多 所以压铸件一般不能进行热处理及在高温条件下 工作 以免铸件内的气体膨胀 影响铸件质量与外观 压铸的合金类别和牌号有所限制 目前压铸的合金以有色金属 铝 镁 锌合金 为主 且每一种合金中 仅有几种牌号可用于压铸 压铸的生产设备费用较高 这是由于压铸机的成本高 模具加工周期较 长 而且压铸机生产效率高 故压铸不适合小批量生产 对于厚壁或薄厚相差较大的零件 容易产生缩孔和热裂 1 1 5 压力铸造常用铝合金的分类及特点 13 铝合金目前已发展成为应用最广泛的压铸材料 在众多的铝合金系列中 最 常用于压铸生产的是四个系列的合金 铝 硅合金 铝 硅 铜合金 铝 硅 镁合金及铝 镁合金 各系列合金成分及中美日三国相对应牌号见表1 3 表1 3 压铸铝合金的化学成份 Table 1 3 the nominal composition of die casting aluminum alloy 合金系列 牌号 Si Cu Mg Fe Al YL102 中 10 0 13 0 0 6 0 05 1 2 ADC1 日 11 0 13 0 1 0 0 3 1 3 Al Si 413 美 11 0 13 0 1 0 0 35 2 0 余量 YL104 8 0 10 5 0 3 0 17 0 3 1 0 ADC3 9 0 10 0 0 6 0 4 0 6 1 3 Al Si Mg 360 9 0 10 0 0 6 0 4 0 6 2 0 余量 YL112 7 5 9 5 3 0 4 0 0 3 1 2 YL113 9 6 12 0 1 5 3 5 0 3 1 2 ADC10 7 5 9 5 2 0 4 0 0 3 1 2 ADC12 9 6 12 0 1 5 3 5 0 3 1 3 Al Si Cu 380 7 5 9 5 3 0 4 0 0 1 1 3 余量 YL302 0 8 1 3 0 1 4 5 5 5 1 2 ADC5 0 3 0 2 4 0 8 5 1 8 Al Mg 518 0 35 0 25 7 5 8 5 1 8 余量 上海交通大学硕士学位论文 8 由于各个系列合金化学成份的差异 导致各个系列的合金有各自的应用范 围 铝 镁系合金凝固温度范围较大 有热脆性 压铸时容易产生裂纹 但强度 耐蚀性及表面质量好 适合于高强度下工作的零件 铝 硅系合金含硅量为 10 0 13 0 接近11 7 见图1 5 含硅11 7 的共晶合金凝固温度范围小且流 动性好 见图1 6 所以铝 硅系合金补缩性好 抗热裂性好 具有优良的铸造 性能 适合铸造薄壁 复杂铸件 铝 硅 铜合金具有最好的综合性能 铸造性 能好 机械性能好 适合于压铸汽车 摩托车零件 电子通讯设备零件 仪表零 件 机械零件 电动工具零件等 图1 5 铝 硅二元相图 图1 6 硅对流动性的影响 Fig 1 5 Al Si Binary Phase Diagram Fig 1 6 Effect of Si on fluidity 目前 铝 硅合金和铝 硅 铜合金是应用最为广泛的两种压铸铝合金 因 为它们可以有相当数量的杂质 可以回收利用 提高原料的利用率 除此之外 还有如下特点 14 密度较小 比强度高 在高温和常温下都具有良好的力学性能 尤其是冲击韧性尤其好 有较好的导电性和导热性 机械切削性能也很好 表面有一层化学稳定 组织致密的氧化铝膜 放大部分铝合金在淡水 海水 硝酸盐以及各种有机物中均有良好的耐腐蚀性 但这层氧化铝膜能被氯离 子及碱离子所破坏 具有良好的压铸性能 较好的表面粗糙度以及较小的热裂性 1 3 压铸件的孔洞类缺陷 压力铸造的工艺参数如果选择不当 将会导致压铸件中产生相应的缺陷甚至 出现废品 压铸缺陷大体分为三类 几何缺陷 压铸件形状 尺寸与技术要求有偏离 尺寸超差 挠曲 变 形等 上海交通大学硕士学位论文 9 表面缺陷 压铸件外观不良 出现花纹 流痕 冷隔 斑点 缺肉 毛 刺 飞边等 内部缺陷 气孔 缩孔 缩松 裂纹 夹杂等 内部组织 机械性能不 符合要求 随着汽车工业的发展 对铝合金压铸件的质量要求越来越高 除了保证铸件 的外观 尺寸精度 化学成分及力学性能外 更加注重铸件的内部质量 不允许 铸件有气孔 疏松及夹杂物的存在 目前 压铸件内的孔洞类类缺陷已成为铝合 金铸件中最常见的缺陷 也是对铝合金铸件质量影响最大的缺陷 据资料介绍 砂型铸件含气量为6 9ppm 100g铝 金属型铸件含气量为2ppm 100g铝 而普通 压力铸造生产的铸件含气量为15 45ppm 100g铝 是金属型铸件含气量的10 20 倍 所以压铸件不能进行较多余量的机械加工 以免气孔暴露在铸件的表面 削 弱压铸件的工作性能 15 1 3 1 气孔的形成 16 工业用的大多数金属 在熔炼及浇铸过程中 由于金属液温度较高 都会与 空气中的气体发生作用 在金属液与气体接触的界面上发生吸附 扩散 溶解相 化合等过程 金属液结晶时 气体主要有以下三种形式析出 气体以原子状态扩散至金属表面 然后脱离吸附状态 以气泡形式从金属液排除 与金属内某元素形成化合物 以非金属夹杂物形式排除 如同金属结晶一样 要形成气泡 首先必须形成气核 当气核尺寸大于临界 尺寸 k r时 气核就能稳定存在并不断长大 当气泡半径r较小时 由于金属液表 面张力 所产生的附加压强 r 2 非常大 金属液中难以自发形成气核 但在实 际生产中 合金中常含有许多气态及固态的夹杂物 这些夹杂物具有一定的界面 都有可能成为非自发气核的基础 这就会使气泡核心在现有的界面上迅速形成 气泡核心生成之后 随着金属液温度的下降 气体在金属液中的溶解度不断 降低 过饱和的气体就会向气泡核心扩散 至使气泡不断长大 当气泡长大到临 界尺寸时 气泡所受浮力大于界面对气泡的吸附力 气泡便从金属液中析出 如 果气泡在金属凝固过程中未能上浮至界面 则在铸件内部形成气孔 仍然溶解在 金属液中的气体 一部分以固溶体形态存在 一部分同金属形成化合物 在铸 件内形成夹杂 1 3 2 孔洞缺陷的分类及危害 17 18 铝合金压铸件上的孔洞缺陷 根据产生的原因可分为两类 气孔和缩孔 气 孔是金属液在冷却和凝固过程中 因温度降低 金属液中的气体溶解度不断下降 上海交通大学硕士学位论文 10 析出的气体来不及排除而产生的 充型过程中卷入的气体以及涂料挥发出来的气 体是气体两个主要来源 缩孔是指合金在浇注后 合金凝固过程中 由于最后凝 固部位得不到金属液补充或铸件局部过热 造成某一部位凝固慢从而产生的 收 缩而产生的 从外表看 气孔多为表面光滑圆形 收缩孔多为不规则形 1 气孔 根据气孔的形状大小和分布特点 可把其分为针孔 皮下气孔 集中性大气 孔3类 图1 7铝合金试样抛光表面气孔的典型显微图貌 Fig 1 7 Gas porosity in aluminum alloys on the polished surfaces of specimens taken by optical microscope 1 针孔的孔径约在1mm以内 形状为圆球状或苍蝇脚形 通常出现在 铸件的厚大部位 呈弥散性分布的小孔洞 针孔缺陷具有流行性 在同炉次铸件 中 都有相同或相似的组织缺陷 按针孔的大小和分布情况 可分针孔分为三类 点状针孔 网状针孔及混合性针孔 点状针孔 在低倍组织中 针孔外形呈圆点状 轮廓清晰 内壁光滑 且互不边续 直径可以测量且能数出单位面积上的个数 这种针孔是从合金液内 析出的气泡所形成 针孔多在结晶温度范围较小 补缩良好的铸件 如ZL102 中 出现 当冷却速度大时 在离共晶成分较远的合金 如ZL105 中也会出现 点状 针孔的金相图见图1 7 19 20 网状针孔 在低倍组织中 每个针孔几乎都连接起来 呈密集的网状 无法数出单位面积上的数目 难经测量直径 是淮固相温度范围宽的合金在冷却 速度很慢时 堵塞封闭在枝晶间隙间的气体不能扩散聚集长大而形成的 混合性针孔 其大小和形状介于前两种气孔之间 在低倍组织上观察 大针孔较多 其形状不呈圆点状 而呈多角形状 有密集区也有稀疏区 2 皮下气孔是产生在铸件或铸锭表皮下面的一种气孔 表面光滑 呈倒梨 上海交通大学硕士学位论文 11 型 多为铝合金液与铸型表面涂料发生化学反应而产生 皮下气孔对铸件的机械 性能 耐蚀性等没有太大影响 但影响铸件的外观和尺寸 3 集中性大气孔的特点是内壁光滑 比较深 多发生在壁厚肥大或靠近补 缩冒口处 这是由于这些部位后凝固冷却 铸件内的气体受压力影响 向这些部 位集中的原因 这种气孔使铸件报废 2 缩孔 缩松 铸件最后凝固部位由于收缩而出现的大而集中的孔洞称为缩孔 小而分散的 孔洞称为缩松 缩孔 缩松的存会导致铸件的机械性能 耐蚀性能 气密性下降 甚至适成铸件的报废 缩松的金相图片见图1 8 21 图1 8 铝合金抛光试样上缩松的典型金相形貌 Fig 1 8 Shrinkage porosity in aluminum alloys on polished surface of specimens taken by optical microscope 1 3 3 气孔的主要评价方法 压铸件气孔的评价方法 随着压力铸造技术的不断进步 也在不断发展 目 前 气孔的评价方法主要有以下几种 现分别介绍如下 1 低倍针孔度法 铸造铝合金针孔 22 在中华人民共和国机械行业技术标准JB T 7946 3 1999 铸造铝合金针孔 中 规定了铸造铝合金低倍针孔度的分级原则和评级方法 具体方法如下 JB T 7946 3 1999 在铸件凝固较慢的厚大部位按技术文件的指定部位切取金相试样 机械加工至表面粗糙度值Ra不大于1 6m 将制备好的金相试样用汽油 酒精或丙酮清洗干净后 准备腐蚀 将清洗干净的金相试样用10 15 NaOH水溶液浸蚀 浸蚀温度和浸蚀 时间按图1 9低倍浸蚀温度 时间曲线确定 推荐的浸蚀温度控制在25 5 上海交通大学硕士学位论文 12 为宜 图1 9 低倍浸蚀温度 时间曲线图 Fig 1 9 Relationship of the etching temperature and etching time 浸蚀剂的用量与试样浸入部分体积之比应大于10 对于便于工作用时间 较常的腐蚀剂 应适当延长浸蚀时间 并定期更换或补充新的腐蚀剂 浸蚀后 试样用水冲洗 然后用20 25 HNO3 水溶液去除试样表面的 腐蚀膜 接着用水洗清并干燥 将试样对照标准图片作目视比较 确定试样的针孔度等级 铸造铝合金针孔度分为五级 标准照片如图1 10所示 上海交通大学硕士学位论文 13 a b c d e 图1 10 针孔度等级图 a 一级 b 二级 c 三级 d 四级 e 五级 Fig 1 10 Rank of Porosity a Grade one b Grade two c Grade three d Grade four e Grade five 2 密度变化率法 铸件的密度变化率用阿基米德法测量 以本课题研究的铝合金汽车空调压缩 机缸体 图1 11 为例 上海交通大学硕士学位论文 14 图1 11 汽车空调压缩机缸体实物图 Fig 1 11 air conditioning compressor cylinder 图1 12 铸件切割后均匀的十二部分 Fig 1 12 twelve parts after cutting 将压缩机铸件切割成均匀的12部分 如图1 12所示 将切割好的各部分用水清洗干净 吹干 利用天平分别测量每部分在空气中的质量 i m i 1 2 12 利用排水法 测量每部分的体积 i V 利用公式 i i V m 0 算出铸件的平均密度 0 将所有的部分放在热处理炉中加热到530 并保温2h后取出 再分别测 量热处理后各部分质量和体积 算出热处理后压铸件的平均密度 利用公式 0 0 求其密度变化率 其中 为处理前后铸件的密度 变化率 0 为热处理前的铸件的平均密度 为热处理后铸件的平均密度 上海交通大学硕士学位论文 15 3 微观气孔形态法 23 从铸件指定部位切取试样 并将试样表面磨平 抛光 得用光学显微镜 观察孔洞形态 并拍照 每个试样随机拍照10张 利用光学分析系统测定铸件内气孔面积百分 比 平均粒径 用十个测定参量平均值评定压铸件微观汽孔形态 4 无缝连接法 24 从指定部位切取金相试样 观察面积尽量大些 将试样用300 1000目的金刚石砂纸磨平 用水清洗后 抛光 清洗并干 燥 用丙酮溶液对试样进超声波清洗 避免抛光时抛光布上细小的绒毛堵塞 气孔 影响观察 利用体式显微镜进行连续观察拍照 直到整个观察面拍摄完全 利用蒙太奇原理 将所有拍摄照片进行无缝连接 如图1 13所示 利用专业分析软件统计孔隙率 图1 13 280个视场无缝连接图 Fig 1 13 Digitally compressed seamless montage of 280 contiguous micro structural fields covering the complete specimens 上海交通大学硕士学位论文 16 铸造铝合金针孔法 操作简单 但只能和现有的针孔图片作对比 很难进行 定量化的研究 微观气态形态法 由于是在高倍显微镜下观察 视野范围较小 很难如实的反应铸件内气孔的分布情况 本文将密度变化率法与蒙太奇法相结 合 从宏观含气量到铸件指定部位气孔的分布两个方面 综合考察铸件的孔隙率 的大小 1 4 课题研究意义 目的及主要研究内容 1 4 1 课题的研究背景及意义 近年来 随着全球能源危机的出现和不断加剧 现代汽车业正在向着轻量化 的方向发展 汽车轻量化即减轻车体自身重量 可能通过改进汽车结构和采用轻 量化材料两种方法来实现 但改变汽车结构的方法已无太大潜力 因而汽车行业 把开发轻量化材料作为实现汽车轻量化首要手段 铝的密度小 仅为2 7g cm3 为 钢的1 3 纯铝的性能并不适合作汽车材料 纯铝中加入某种或某几种元素后 可形成强度 硬度 抗疲劳性能等材料综合性能较高的铝合金 铝合金密度小 比强度和比刚度高 弹性好 抗冲击性能良好 耐腐蚀 耐磨 高导电 高导热 易表面着色 良好的加工成型性以及高的回收再生性等 为此汽车公司逐步采用 轻量化的铝合金材料来取代传统的钢铁结构材料 目前发达国家轿车用铝量平均 已达133kg 铝化率达12 目前国产汽车平均用铝量仅为60kg 铝化率不到5 很有发展潜力 25 汽车用铝合金材料的方法主要以铸造为主 其中压铸件占70 以上 汽车工业的迅速发展 有效的促进了铝合金压铸工业的发展 26 随着压力铸造技术及汽车工业的发展 对压铸件的质量要求也越来越高 目 前 对于汽车上常用的高硅铝合金压铸件 主要存在两个问题 除气及硅的细化 变质 因此 研究工艺参数对铝合金压铸件孔隙率及初生硅大小的影响已成为该 领域的重点研究课题 1 4 2 课题主要研究内容 本课题是由上海交通大学轻合金精密成型国家工程中心与三电贝洱汽车空 调有限公司联合研究项目 研发一种新型汽车空调压缩机缸体 研究熔炼条件 变质工艺 浇注条件 浇注温度 及压铸机控制参数 快压射速度 压铸压力 快压射切换点及建压时间 对铝合金汽车空调压缩机 缸体性能 微观组织 初生硅大小 机械性能 孔隙率 的影响 通过数值模拟对压铸缺陷进行预测 进行实际压铸工艺实验 对压铸工艺参数进行优化 上海交通大学硕士学位论文 17 第 2 章 实验方案 铸造的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却 进而得到 铸件 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段 许多铸造缺陷 如卷气 夹渣 浇不足 冷隔及砂眼等 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 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 与充型过程相比 铸件凝固过程温度场模拟相对要成 熟得多 温度场模拟以及建立在此基础上的铸件缩孔 缩松预测是目前凝固模拟 商品化软件最基本的功能模块之一 应用先进的数值模拟技术 铸造生产正在由 经验走向科学理论指导 通过充型凝固过程模拟 人们可以掌握主要铸造缺陷的 形成机理 优化铸造工艺参数 确保铸件质量 缩短试制周期 降低生产成本 27 本文将利用铸造模拟软件AnyCastingTM对铝合金汽车空调压缩机缸体的压力铸 造进行工艺初步设计并结合实验验证工艺改进的有效性 具体流程如图2 1所示 图2 1 6C空调压缩机缸体模拟仿真流程图 Fig 2 1 Simulation flowchart of 6C air conditioning compressor cylinder 最优压铸工艺最优压铸工艺 CAD建模 建模 Pro E UG 简化模型 标准数据转换 求解运算 不真实 与事实相符 模型简化 离散化 网格处理 模型简化 离散化 网格处理 初始初始 边界条件 温度边界条件 温度 速度速度 压力等 压力等 温度场 流场结果温度场 流场结果 优化工艺参数优化工艺参数 缺陷分析缺陷分析 上海交通大学硕士学位论文 18 2 1 数值模拟基本步骤及主要散化方法 数值模拟求解实际工程问题的一般步骤大致为 28 清楚地认识材料成形的物理过程 这是进行数值模拟的前提 物理模型的建立 在充分分析实际问题的基础上 数学模型的建立 包括数学控制方程和定解条件 求解区域的离散 即将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离 散化处理 数值方程的建立 即建立空间区域中节点或单元的代数方程 数值计算 选用适当的计算方法求解线性代数方程组 计算结果的分析和可视化 缺陷预测 数值模拟中最核心的部分是离散方程的建立 数值模拟时离散化方法有多 种 常用的数值计算方法有有限差分法 Finite Difference Method 有限元法 Finite Element Method 边界元法 Boundary Element Method 等等 有限差分法 29 是求解偏微分方程的一类主要数值方法 它的基本思想是首 先将微分方程问题的求解域划分为差分网格 用有限个网格节点代替连续的求解 域 然后将微分方程的导数用差商代替 推导出含有离散点上有限个未知数的差 分方程组 将微分方程问题转化为代数问题 最后求解差分方程组以获得微分方 程的数值近似解 有限差分法是以差分代替微分来处理各类微分方程 由于网格 剖分及离散方程建立简便 计算程序容易编制 计算时间短 因而目前广泛应用 于流场数值模拟 金属热态成形过程温度场尤其是铸造过程温度场数值模拟 但 是由于典型的有限差分格式要求对物体作有规则的网格划分 使它在模拟复杂或 不规则的几何形状时精度受到影响 有限元法是基于古典变分法而发展起来的一种计算方法 他可作不规则网格 划分 故能用比FDM更少的网格来实现复杂的物体形状 在有限元法中 对单 元作了积分计算 充分考虑了单元对节点参数的 贡献 同时有限单元法节点 配置方式比较任意 可以根据实际需要确定节点的配置密集程度 能够在不过分 增加节点总数的情况下提高计算精度 因此有限单元法更适合于求解复杂问题 但是 有限元法的计算过程较为复杂 物理概念不如有限差分法明确 边界元法是使微分方程乘以某个权函数后对求解空间进行积分 当利用格林 公式将方程展开 如能选择适当的权函数 使其中体积分项为零 这问题就转化 为仅仅对边界进行线积分 这意味着利用边界元法可将实际问题降低一维来处 理 边界元法同样对网格剖分没有严格限制 对于稳态问题甚至无需处理内部区 域 只需对边界进行分割即可 但边界元法的工是推导及运算过程都比较复杂 上海交通大学硕士学位论文 19 计算工作量也较大 对于非稳态问题 内部区域仍需网格剖分 总的来说 边界 元法仍处于发展阶段 这些方法中 以有限差分法和有限元法应用较多 30 31 2 2 AnyCasting 介绍 本文所使用的模拟仿真软件为韩国AnyCasting公司研发的新一代基于 Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统 AnyCasting 是专门针对各种 铸造工艺过程开发的仿真系统 AnyCasting 采用有限差分计算温度场 然后采 用有限元法计算应力 发挥了有限差分法和有限元法分别在热分析和应力分析方 面的优势 通过将有限差分温度场转换为有限元模型中的温度场 作为应力分析 的温度载荷来进行应力场的分析 AnyCasting 由AnyCasting由anyPRE anySOLVER anyPOST anyDBASE四个模块组成 anyPRE是AnyCasting的前处理器 通过读取CAD数据 生成有限差分 FDM 网格并设置模拟条件 为运行anySOLVER做准备 anySOLVER读取由anyPRE 生成的文件 模拟铸造过程中的流体流动及其温度场 可模拟的铸造工艺有砂型 铸造 金属模铸造 熔模铸造 以及重力倾转铸造等 还可以模拟高压铸造 低 压铸造中的循环铸造工艺 anyPOST读取由anySOLVER生成的文件并通过图像 显示基本结果 如充填时间 凝固时间 场云图 温度 压力 速度 二维或 三维速度矢量等 并能够输出某一设定点的变化图表 各种凝固缺陷可以通过结 果整合功能以二维或三维的形式表达出来 anyDBASE是用来管理熔体 模具以 及其他铸造过程中所用到的材料数据的数据库程序 同时支持两种数据库 即常 规数据库以及用户自定义数据库 常规数据库包括了基于各种国际标准下 韩国 标准 日本工业标准 美国材料实验学会等 的黑色金属 有色金属 非金属及 其他功能材料的各种数据 2 3 数理模型的建立 2 3 1 流体的控制方程 32 33 压力铸造中 金属液的流动属于不可压缩粘性牛顿流体的非稳态紊流流动 紊流的基本特征是存在大量作杂乱无章运动的微小旋涡 这些旋涡的不断产生 发展 衰减和消失 使得金属液的各种物理参数 如速度 压力和温度等 随时间 与空间发生随机变化 这个过程包含着动量传递 质量传递和能量传递 因此可 用连续 动量 体积函数和能量方程组描述这一过程 1连续性方程 质量守恒方程 由于是运动学方程 与力学无关 因此既适用于理想流体 也适用于粘性流 体 可表达为 单元控制体内质量的增加等于其周围单元流入该单元的质量 数 学表达式为 上海交通大学硕士学位论文 20 0 z u y u x u t z y x 2 1 由于在压力铸造充型过程中 金属液视为不可压缩流体 即只有形状变化而不发 生体积变化 则 0 t 即金属液的速度散度为零 于是连续性方程变为 0 z u y u x u z y x 2 2 2 动量守恒方程 Navier Strokes方程 x xxxx z x y x x x g z u y u x u x P z u u y u u x u u t u 2 2 2 2 2 2 2 3 y yyyy z y y y x y g z u y u x u y P z u u y u u x u u t u 2 2 2 2 2 2 2 4 z zzzz z z y z x z g z u y u x u z P z u u y u u x u u t u 2 2 2 2 2 2 2 5 3 能量方程 0 xqTk t T cp 2 6 式中 流体密度 kg m3 x u y u z u 速度矢量在三个坐标轴上的分量 m s x g y g z g 重力加速度在三个坐标轴上的分量 m s2 动力粘度 2 msN p c 比热容 T 节点温度 t 时间 s zyx k 稳态热积率 xq 体积热源 上海交通大学硕士学位论文 21 2 3 2 自由表面处理 34 铸件充型过程是带有自由表面的瞬态流动过程 这类过程的难点之一就是确 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 目前铸造充型过程模拟中多采用VOF volume of Fluid 法来求解带有自由表面的 流动问题 同MAC法相比较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 本论文采用 了一种简化的VOF方法 引入体积函数 有效的实现了对自由表面的处理 其 中VOF法采用体积函数来代替跟踪自由表面的大量标志粒子 此法有效地节省 了计算机的存储量 为了跟踪自由表面 得出自由表面单元的位置 需要求解体 积函数方程 在求解之后 得到液态金属充填型腔的形态 也就确定出新的速度 场 压力场的求解域 0 Fu xt F j j 2 7 式中F为体积函数 当F 1时表示充满状态 当F 0时表示空格状态 当 0 F 1时则表示自由表面 当上式在每个计算网格单元内积分时 则每个单元F 值的改变便转化为穿过单元界面的F值流量 但在计算流量时一定要保证不破坏 自由边界的定义 为此 在SOLA算法中采用了 施主一受主 的处理方法 所谓施主一受 主法就是根据计算单元的速度方向及单元的液流量来将单元标志为施主单元或 受主单元 施主单元将有流体流出 受主单元将有流体流进 用施主一受主法确 定了各个单元的液流量之后 也就确定了自由表面边界的移动情况 2 3 3 紊流模型的建立 35 37 铸件充型过程中金属液的流速很快 对于铝合金来说 一般高达20 50m s 流动呈复杂的紊流状态 如果将这一过程过度简化 在实际计算中会带来误差 无法对紊流所特有的现象进行模拟 铸件充型过程中素流的模拟必须考虑如下因 素 充型过程中的紊流是尚未充分发展的紊流 在近型壁处对素流模型应做必要的处理 紊流模拟不应给计算带来太大的负担 模型的难确性与计算量应相互协 调 基于上述考虑 本文采用目前较为常用的 k双方程模型 在AnyCastingTM 软件中 有三种紊流模型 标准 k模型 RNG k模型以及Wilcox k模 型 现分别介绍如下 1 标准 k模型 Standard kmodel 紊流模拟的任务是通过表达式或输运方程来寻找这些未知关联项进而使方 上海交通大学硕士学位论文 22 程封闭 采用 k双方程模型更加接近于实际充型过程 而且较为简单 易于 应用 紊流动能k和动能耗散率 由下面的方程来确定 紊流动能k方程 k jk t j j j P x k x ku xt k1 2 8 紊流动能耗散率 方程 k c k Pc xx u xt k jk t j j j 2 21 1 2 9 由k和 的值可以确定 t 2 kcu t 2 10 式中 i j j i i i tk x u x u x u P 2 RNG k模型 RNG kmodel k c k Pc xx u xt k jk t j j j 2 2 1 2 11 式中 3 0 3 2 2 1 1 cc 2 2 1 kSS ijij i j j i ij x u x u S 2 1 3 Wilcox k模型 Wilcox kmodel kc x u x k x ku xt k j j ij jk t j j j 1 1 2 12 2 2 1 c x u k c xx u xt j j ij jk t j j j 2 13 式中 ij 为Reynolds应力张量 涡流粘度 k t 标准 k模型比层流模型更接近实际充型过程 是结构简单应用最为广泛 的模型 自从模型提出以后 就变成工程流场计算中主要的工具了 适用范围广 经济 合理的精度 它是个半经验的公式 是从实验现象中总结出来的 紊流动 能k方程是通过精确的方程推导得到 动能耗散率方程是通过物理推理 数学上 模拟相似原型方程得到的 基本能满足金属流动时的真实情况 但 k模型基 于湍流各向同性的前提假设 无法考虑不同方向上的不同作用 比较适用于各向 上海交通大学硕士学位论文 23 同性的充分发展的紊流流动 对于旋转的液体和管道变转度较大的情况计算结果 精度较低 RNG k模型通过在大尺度运动和正后的粘度项体现小尺度的影响 而使 这些小尺度运动有系统地从控