（材料加工工程专业论文）镁合金汽车零件压铸模具设计与数值模拟研究.pdf

堕堡堡堡三查兰三兰霎圭兰堡丝兰 镁合金汽车零件压铸模具设计与数值模拟研究 摘要 本文从国内镁合金压铸模c a d c a e 技术与国际先进技术水平的差距和 急需解决的问题着手，提出了镁合金压铸模集成c a d c a e 的思想，并结合 实际压铸模具设计的范例，实现了典型镁合金压铸件换档壳体压铸模 c a d c a e 的集成。 本文重点进行了镁合金汽车零件压铸模c a e 实现的研究和标准模架库 的建立。首先，针对镁合金压铸工艺特点和充型过程的不透明性，采用 p r o e 进行铸件的实体造型，并生成面网格文件。其次，利用仿真软件 p r o c a s t 对镁合金汽车换档壳体充型过程的物理场进行模拟和仿真。通过 对铸件充型模拟，分析结果表明利用压铸技术生产镁合金汽车换档壳体时， 铸件中的主要缺陷为气孔和缩松。气孔的形成主要是由于在充型过程中，气 体不能顺利的排出型腔，被高压的合金液卷入，挤压在铸件中，在冷却过程 中汇集成气孔。这些缺陷的存在使得材料的力学性能下降，同时气密性也变 差。最后，依据充型模拟分析的结果对浇注系统和溢流系统提出修正方案， 再进行建模和模拟，从而得到优化工艺方案，结果表明优化的工艺方案充型 效果比较理想，零件整体质量有了很大的提高。通过对汽车零件充型过程模 拟说明了计算机仿真技术对真实铸造情况的再现能力强，对压铸模具设计具 有很好的指导意义。 另外，本文在p r o e 及其相关功能的基础上，分析了压铸模标准模架的 特征共性及标准架库的层次结构，构建了三维压铸模标准架库。设计实例表 明该标准模架库对提高压铸模具设计效率有很好的实用性。 关键词镁合金；压铸；数值模拟；模具设计优化；标准模架库 堕查堡塞三查兰三兰堡圭兰堡竺圣 s t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d d e s i g no fd i e c a s t i n gm o u l df o r m a g n e s i u mv e h i c l ep f 埘s a f t e ra n a l y z i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nd o m e s t i cd i e c a s t i n gm o l dc d | c a e t e c h n i q u e s a n dt h ew o r l d sm o s ta d v a n c e do n e s ，a n dp r o b l e m sd e m a n d i n g p r o m p ts o l u t i o ni nt h i sf i e l d ，t h ea u t h o rs u g g e s t sa ni d e ao fi n t e g r a t e dd i e - c a s t i n g m o l dc a d c a e ，a n dw a n t st op r a c t i c et h ei d e af o rat y p i c a ld i e c a s t i n gp a r t - s h e l l - g e a r - c h a n g e - l e v e rw i t ha c t u a le x a m p l e t h er e s e a r c hi sm a i n l yo nt h er e a l i z a t i o no fs h e l l g e a r - c h a n g e l e v e rsd i e - c a s t i n gm o l dc a ea n dt h ee s t a b l i s h m e n t o fs t a n d a r dm o u l db a s e s f i r s t a c c o r d i n gt o t h es p e c i f i cs o l i d i f i c a t i o np r o p e r t yo fm a g n e s i u ma l l o y sa n dt h e o p a c i t yo ft h em e t a lm o u l d ，t h es o l i df e a t u r ea n dt h es u r f a c em e s ho ft h e m a g n e s i u md i ec a s t i n gw a sm a d et h r o u g ht h ep r o e p r o c a s tw a su s e dt o s i m u l a t ep h y s i c a l p r o p e r t i e s o ft h e s h e l l - g e a r c h a n g e l e v e rs m o l df i l l i n g p r o c e s s t h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em a i n l yd e f e c t sd u r i n gc a s t i n g a r ea i rh o l e sa n ds h r i n k a g ew i t hu s i n gd i e - c a s t i n gt e c h n i q u e st om a n u f a c t u r et h e s h e l l - g e a r c h a n g e l e v e r t h ef o r m a t i o no fa i rh o l e sc o u l db ea t t r i b u t e dt ot h a t t h ea i rc o u l dn o tb es u c c e s s f u l l yd i s c h a r g e df r o mt h ed i e t h u s ，t h ea i ri s e n g u l f e da n de x t r u d e di n t ot h ec a s t i n gb yt h ea l l o ym e l tw i t hh i g hp r e s s u r ea n d f l o w i n gs p e e d ，t h e nt h ea i ri n s i d ec a s t i n gc o n g r e g a t e sa n df i n a l l yb e c o m e st h e a i rh o l e s t h e a p p e a r a n c eo ft h ea i rh o l e sw o u l dl e a dt o t h ed e c r e a s ei n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dg a st i g h t n e s so fs h e l l g e a r c h a n g e l e v e r m o d i f i e d p r o j e c t so fg a t i n gs y s t e m sa n df l o o d i n gs y s t e m sf o rd i e c a s t i n gm o l d w e r e p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t 1 1 l er e l a t e dm o d e l sw e r er e b u i l ta n d t h es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ta g a i n t h eo p t i m u mp r o j e c tw a sa c h i e v e d n e r e s u l ts h o w st h a tag r e a ti m p r o v e m e n tc a nb ea c h i e v e da n dt h eq u a l i t yo ft h e s h e l l - g e a r c h a n g e l e v e r t h i si m p l i e st h a tt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e s u = 耋玺鎏曼三态兰王主要圭兰堡竺耋 p o s s e s sas a t i s f a c t o r yc a p a b i l i t yo fr e p r o d u c i n gt h ea c t u a ld i e c a s t i n gp r o c e s sa n d s i g n i f i c a n c ei ng u i d i n gd i e - c a s t i n gp r o c e s sd e s i g n b a s e do nt h ep r o ea n di t sr e l a t i v ef u n c t i o n s ，a na n a l y s i sw a sm a d et o a b s t r a c tt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t a n d a r dm o u l db a s e so fd i e - c a s t i n g m o u l d sa n dm a k ec l e a rt h es t r u c t u r eo ft h es t a n d a r dm o u l d b a s ed a t a b a s e a3 d d a t a b a s eo ft h es t a n d a r dm o u l db a s e so fd i e - c a s t i n gm o u l d sw a se s t a b l i s h e d a n e x a m p l eo fm o u l dd e s i g ni l l u s t r a t e dt h es t a n d a r dm o u l d - b a s ed a t a b a s eh a sv e r y w e l lp r a c t i c a b i l i t yw h e nt h ed a t a b a s ew a su s e di nt h ed e s i g no fd i e c a s t i n g m o u l d s k e y w o r d sm a g n e s i u ma l l o y ；d i e - 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 ；o p t i m i z e d e s i g n ；s t a n d a r dm o u l d b a s ed a t a b a s e 1 1 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 镁合金压铸发展现状 镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材 料。与目前的主流材料相比密度小、比强度高、减振性和机械加工性好、良好 的铸造性和再生性、高电磁屏障等优点。镁合金作为一种新型金属材料，已被 广泛应用于汽车、计算机、通讯及航空航天等众多领域，许多国家将之视为二 十一世纪的重要战略物资，提出了若干重大的研究与开发计划“1 。 随着能源的紧缺及环境污染的日益突出，各行业尤其是汽车工业对低排 放、高效率、轻量化的要求提高，高性能轻质材料的开发和应用越来越引起汽 车制造业的关注 a - - 4 3o 同时镁也是制造计算机硬件与电子设备的良好材料”1 。 相机、手机、摄像机等家电产品，也有相当的比例使用镁合金外壳，市场前景 十分广阔“。 目前全球镁的消费量已经达到4 3 - 4 5 万吨，且每年增长率高达2 0 。预计 到2 0 0 5 年，国际镁消费量将达到5 5 万吨左右“”。 1 1 1 国外镁合金压铸的发展 由于镁合金的众多优点和其他合金不可替代的优势，使得镁合金的需求量 大增。镁合金压铸件在汽车制造业中需求量增长幅度很大。目前，镁合金压铸 件的市场份额为“”：北美市场约占5 0 、欧洲市场约占2 5 、亚太地区市场约 占1 6 、其它地区市场占9 。 1 1 - 1 1 北美的发展北美地区以美国和加拿大发展最为快速。1 9 8 2 年至1 9 9 2 年，北美的压铸镁合金用量持续增长，平均年增长达1 9 ，估计9 0 年代其年 增长保持在1 5 。2 0 。其中增长最快的是压铸件，占7 0 8 0 “。著名的 汽车公司如福特、通用和克莱斯勒等公司在过去的十几年里一直致力于新型镁 合金和镁合金离合器壳体、转向柱架、进气歧管及照明夹持器等汽车零部件的 开发与应用，大大地促进了镁合金的发展。通用汽车公司于1 9 9 7 年成功地开 发出镁合金汽车轮毅，并且与世界最大的镁生产与加工公司一h y d m 公司签定 了应用镁合金压铸件的协议。福特公司也于1 9 9 7 年宣布与澳大利亚的昆士兰 金属公司合资新建昆士兰镁厂，以便有稳定的镁合金来源，威斯康辛l i n d b e r g 触变成形发展中心对镁合金压铸技术进行了创新，采用半固态压铸技术生产出 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 镁合金赛车离合器片与汽车传动零件”“。康柏公司f c o m p a q ) 在其笔记本电脑 的很多型号上也都采用了镁合金显示器外壳。康柏笔记本电脑在应用了镁合金 显示器外壳后，比塑料外壳坚韧2 0 倍，可在旅游中提供额外保护，在振动和 跌落情况下能更好的保护液晶显示器“。美国的a l u m a x 金属公司和t h i x m a t 公司“”，采用半固态金属射压成形方法生产镁合金汽车零件。 加拿大镁资源丰富，镁业十分发达。加拿拥有世界上最大的镁生产与加工 公司h y d r o 公司。随着镁合金应用领域的不断扩大，1 9 9 5 前后由加拿大联 邦政府及魁北克省与h y d r o 公司共同投资1 1 4 0 万加元成立了一个新的镁研究 中心，其宗旨在于通过优化设计、工艺及材质，获得具有优良性能的镁合金压 铸零部件，从而进一步拓展镁合金的应用。预计北美市场到2 0 0 6 年，镁合金 铸件需求量将是目前的3 倍“”1 。 1 1 1 2 欧洲的发展欧洲的镁合金用量仅次于北美，其中主要以德国为代表。 德国政府制订了一个投资2 5 0 0 万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究 压铸镁合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国 在镁合金应用方面的能力。“。9 0 年代以来，德国在镁合金压铸领域一直处于世 界领先地位。1 9 9 7 年，德国又由联邦科技教育部f a m e f ) 牵头，联合大众汽车 公司等5 0 余家企业和慕尼黑工业大学等6 所大学及研究所，投资2 5 0 0 万马克 进行了一项为期3 年的“m a d i c a ”( 镁合金压铸) 发展项目，其目的在于解决 镁合金压铸生产及加工中的各种关键技术难题，建立一套完整的镁合金压铸及 加工的工艺规范，并将镁合金压铸件进一步应用于汽车、计算机、航空、通 讯、医疗和轻工等领域。 近年来，英国金属铸件公司建立了世界上最大的镁合金压铸件厂，使用 i d r a 7 0 0 吨热室压铸机，年产5 0 万个镁合金压铸件。瑞士的b u h l e r 公司，用 1 8 0 0 0k n 的压铸机制造出半固态镁合金优质压铸件。另外，意大利w e b e r 公司，也进行了镁合金半固态生产。“。这使得欧洲的镁合金产业居于国际先进 技术水平。 1 1 1 3 日本及东南亚的发展日本镁台金的开发与应用也十分迅速，8 0 年代末 期，日本开发出先进的镁合金低压金属型铸造装置，经过研究相继开发了一系 列镁合金压铸产品。目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金 壳体类压铸件，而且日本正在开发6 5 0 0 k n ，1 3 0 0 0k n 和1 8 0 0 0k n 等三种压 铸机，为大型镁合金零件提供生产手段。“。 新加坡g i n t i c 制造技术学院长期以来一直致力于薄壁镁合金的压铸研究， 他们采用数值模拟技术进行浇口及浇注系统的设计与优化，在优化设计基础上 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 成功生产出了具有致密微观结构的薄壁镁合金通讯部件”“。南韩在镁合金的研 究方面也有很大的发展。 1 1 2 镁合金压铸在国内的发展现状及前景 我国镁合金压铸的产业化刚刚起步“。进入9 0 年代以来，我国在汽车、 计算机、通讯等领域有了极大的发展。汽车轻量化、高速、节能等问题也日益 突出，促使了镁合金的发展。国内各主要汽车厂家对镁合金在汽车上的应用表 现出强劲需求，其中一些厂家已开始将镁合金开发应用提上重要议程。 我国是镁资源生产大国，储量占世界总储量的2 2 5 。到2 0 0 1 年底，全 国共拥有5 0 余家镁生产企业，年产能力仅达1 0 万吨。国内还有镁合金压铸件 的生产。九十年代以来，中国镁行业通过技术进步和强化管理，在节能、降 耗、降低成本方面仍取得了进展，保持了旺盛的生命力。中国镁工业取得了飞 速发展，从镁产品的进口国，一跃成为世界上重要的镁产品出口国“”3 。 对于镁合金的发展国家给与很好的重视。2 0 0 2 年4 月，科学技术部完成了 “镁合金开发应用及产业化”项目的可行性论证、课题招标等工作，拟将其列 为“十五”国家科技攻关计划，目的是提高镁合金的加工手段，开发出汽车变 速箱壳体、方向盘固件等零部件；应用镁合金的3 c 产品超过5 0 0 万件。提高 高附加值镁产品出口比例。除此之外，国内众多高校和科研机构，如上海交通 大学、清华大学、中科院沈阳金属所、沈阳工业大学等，已经着手镁合金 的研究工作，有的已经取得了不错的成绩。在科研院所的技术支撑下，中国镁 用量正以每年1 2 的速度增长，年产量1 0 万吨。 台湾省镁合金压铸发展如火如茶，1 9 9 3 年由可成科技引入第一台镁合金热 室压铸机后，辉科技、敬得工业、集盛工业等相继加入。1 9 9 8 年以后大举向镁 合金压铸迸军，现在无论是其规模还是技术水平均居亚洲第一，并跻身世界前 列。与日本情况相仿的是，其主要产品为手提电脑外壳，小部分为电脑、手提 电话及电视零件。 我国目前的镁合金应用还处于较低水平，和发达国家还有很大的差距，但 市场潜力十分巨大。国内企业应抓住机遇，充分利用国内和国外两种资源，大 力开拓国内和国外两个市场，使我国真正由“镁资源大国”向“镁合金强国” 转变。 1 2 镁合金加工成型技术概述 镁合金成为重要的工程材料除了本身的优异性能外，还可以方便的加工成 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 所需要的外形。镁合金成型主要通过塑性变形和铸造两种方式 3 1 - 3 2 。但是用塑 性变形法加工镁合金存在着许多不利因素，当前镁合金的成型主要依赖铸造的 方法o “。镁合金铸造大致分为：熏力浇注、低压浇注、半固态压铸、触变注射 成型、高压铸造。由于镁合金热流动性好，所以很适合薄壁件的压铸生产。“。 现在9 0 左右的镁合金工程结构件是通过压铸方法制造的1 。压力铸造的原理 是液体金属在高压作用下压入精密加工的钢压铸模内，并完全填充压铸模，从 而获得轮廓清晰的、与压铸模型腔相符的压铸件。 1 2 1 填充过程的有关理论 压铸的填充过程是复杂的，目前尚未有完整的填充理论。早期的填充理论 的一些观点都是在特定的试验条件下获得的，有很大的局限性，直接用来分析 一些实际问题虽然有一定的意义，但还存在不足之处，这在生产实践中已得到 证实。所以填充理论还有待于进一步深化和完善。早期较为典型的三种填充理 论如下”： 1 2 。1 。l 喷射填充理论喷射填充的理论是由弗路梅尔于1 9 3 2 年提出的。弗路 梅尔认为，金属液从内浇口处喷射至型腔最远端，撞击该处型壁后，部分金属 聚积并产生涡流，另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁自远端向内浇口 返回。金属流的速度由内浇口截面积与型腔截面积之比的大小来控制。 1 2 1 2 全壁厚填充理论全壁厚填充的理论由勃兰特于1 9 3 7 年提出。勃兰特 认为，金属流从内浇口处开始，由后向前充满型腔的整个厚度流动，流动时不 产生涡流。荠且认为，无论内浇口截面积与型腔截面积之比的大小如何，流动 形态不受影响。 1 2 1 , 3 三阶段填充理论三阶段填充的理论是巴顿1 9 4 4 年提出来的。巴顿认 为，填充过程是一个包含着力学、热力学和流体力学因素的复合问题。并且认 为，填充过程大致分为三个阶段：第一阶段是金属进入型腔后，首先冲击对面 型壁，并沿型腔表面向各方向扩展，在型壁上生成表层，这个表层即为铸件的 外壳，又称为薄壳层；第二阶段是随后进入的金属继续沉积，在薄壳层内的空 间，直至填满；第三阶段是在压力的作用下，型腔内的金属得到压实。 1 2 2 镁合金主要物理和化学性能对压铸性能的影响 1 2 2 1 热焓对充型性能的影响表1 - 1 为铝、镁、锌的热焓比较情况。金属熔 体从工作温度到凝固温度释放的热量，决定了其在相同热导率下保持可铸性的 时间，因此这种热量便作为判断其最大可充型时间的尺度m 3 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 铝镁及锌的热焓比较 t a b l e1 - 1e n t h a l p i c so ft h ea ia n dm ga n dz n 材料 铝镁 锌 比热容( j c 吖) 2 6 0 1 8 8 2 7 6 凝固潜热( j c r n - ) 1 0 2 6 6 6 2 6 5 7 工作温度( ) 6 3 06 3 04 2 0 凝固温度( )5 8 05 8 03 7 0 铸件推出温度( ) 3 8 03 4 02 3 0 从工作温度到凝固温度热焓( j c n ，) 1 1 5 67 5 6 7 9 5 从工作温度到推出温度热焓( j c n v ) 1 6 7 51 2 0 81 1 8 2 从工作温度到0 的热焓( j c n t ，) 2 7 2 11 8 8 41 8 1 3 利用合金的最大可充型时间与其从工作温度至凝固温度的热焓的定性比较 可褥：充填同一铸型时，镁合金所需的充型时间仅为铝合金的6 5 。 1 , 2 2 2 金属液粘度对充型性能的影响金属液粘度显著影响充型流动状态，用 雷诺数来表示这种性质，它同时考虑到流道的几何形状和金属液内摩擦产生的 流动阻力。以g d - m g a l 9 z n l 与g d a 1 s i l 2 c u 的粘度作比较，定性得出浇注 速度。两者充型时的流动特征应相同。故两者流动时雷诺数相等。镁合金液平 均充填型腔速度约为铝合金的l ，2 5 倍。”。根据镁合金的比热容，充型时间要 短；根据镁合金的粘度，充型速度要快。这两者的一致性，表明镁合金是一种 非常适宜压铸的合金。 1 2 2 3 压力对镁合金热物性值的影响压铸时的高压会影响金属的某些热物性 值。根据c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程，当镁合金体收缩为3 8 及铝合金体收缩为 6 。3 时，熔点升高率为0 0 0 6 0 1 m p a ，当充型压力为5 0 m p a 时，镁合金 的熔点可升高3 ，这对压铸件质量几乎没有影响。 1 2 2 4 镁合金的吸气性与压铸件中的气孔镁合金压铸件中的气孔，除少部分 是充型过程中形成的卷入性气体外，主要是镁合金在熔炼、保持、浇注过程中 吸收和溶解的气体在冷却和凝固过程中析出而形成的析出性气孔。镁合金溶解 氢的能力很强，铸锭上即使沾有一点水分，也会与镁锭体反应，还原除游离氢 并溶解在镁锭体中。镁的氮化物和氧化物都呈固态，故镁合金熔体中所含的气 体主要是h 2 。因此，镁合金熔体的含气量及其压铸件的气孔数量与熔炼、保 温、浇注时的空气的温度及炉料的干燥程度密切相关，故镁锭及镁回炉料必须 彻底烘干后才能投炉。氢在镁合金熔体中的溶解度随温度降低而减小，在外界 压力及本身压力的作用下，析出的游离氢在镁舍金凝固和冷却过程中在铸件中 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 形成孔壁光滑的不规则气孔。当铸件继续冷却时，由于外界压力的作用及气孔 吸收残余镁液而形成伴有气孔的偏析( 即所谓的浸透固溶体) ，并使气孔直径 显著减小。 1 2 3 镁合金压铸关键技术的研究 1 2 3 1 镁合金的熔体保护镁在空气中易氧化，镁合金在熔炼和加工过程中极易 氧化燃烧，生产十分困难。目前国内外一般采用熔剂覆盖和气体保护法熔炼镁 合金，存在着环境污染和设备复杂等缺点。因此，找到一种更好的阻燃方法一直 是研究人员努力的方向和目标。 解决镁合金阻燃性的一个途径是向镁合金中添加合金元素。这种方法也是 解决易氧化燃烧合金的常用方法“。用来降低镁活性的元素是b e 和c a 。加入 c a 的阻燃机理是，氧化膜的上层是富c a 区，由c a o 组成，其下层是m g o c a o 混合膜，c a o 层的厚度与暴露时间无关，m g o c a o 层随时间增厚，含c a 的氧 化膜阻止氧渗入镁液并阻止m g 的挥发，从而提高了燃点“。b c 的阻燃机理 是，空气中的氧将通过m g o 膜进一步与镁合金进行反应。而此时与m g o 接触 的b e 开始与o ，m g o 发生反应，反应的生成物将与最先反应生成m g o 组成复 合膜，从而增加了表面膜的致密度，起到阻燃的作用。z n 也可作为在镁熔体上 形成致密的覆盖层的元素，上限取1 5 ，否则，会导致铸件产生热裂c 4 2 。但b e 不能完全阻止镁的燃烧，因此熔炼时还须使用s f 。气体保护，但s f 。气体会造大气 的温室效应，在一定温度下还会分解生成有毒气体，其使用正日渐减少并终将被 禁用1 。 熔荆阻燃。以光卤石为基础，加上由m g c h 、k c i 及n a c l 所组成的低熔点 共晶混合物，添加约2 0 高熔点萤石粉，除可作为覆盖物外，还可对熔体起到净 化作用。盐类溶剂仅适用于单件小批量砂型铸造，对于现代化、自动化程度高 的压铸作业而言，这种工艺不宜采用c “，。 惰性气体保护阻燃，加气是不会与m g 产生反应的，为了防止m g 的蒸发， 加入少量s 0 2 ，b f 2 可以阻止n 2 和加处理下m g 的蒸发。氮气能阻止燃烧，与 m g 缓慢反应，产生粉末状m g a n 2 膜，其所提供的防护温度为6 5 0 c 以下，如果处 于此温度以上，m g 的蒸发加剧失去保护作用。单独使用时在大气下并不能充分 抑制m g 的蒸发，但是在特定情况下，如在具有全封闭功能的炉型中，还是能发 挥其主导作用的。 1 2 3 2 压铸型设计镁合金的化学、物理参数及压铸特性与铝合金有很大差 异，因此铸型设计不能完全套用铝合金铸型设计原则“”。由于目前实际应用 哈尔滨理工大学二r 学硕士学位论文 的镁合金种类很少，镁合金压铸型的研究亦未引起重视，随着压铸镁合金种类 和数量的日益增多，研制开发成本较低的压铸型材料、加工工艺、制定压铸型 设计原则将成为2 1 世纪镁合金压铸不可忽视的一个课题。 1 2 3 3 充型过程的研究镁合金随着镁合金压铸件的应用领域日益扩大，对压 铸镁合金的充型性能提出了更高的要求。而目前对压铸镁合金的充型规律、充 型性能与压铸工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，因此急需进行系统 的研究。 1 2 3 4 计算机模拟研究鉴于镁合金压铸理论尚未完全成熟，应大力开展镁合 金充型及凝固过程的计算机模拟研究，并在此基础上形成专家系统，以指导压 铸工艺的制定、压铸型设计、压铸件质量控制，可以有效避免由于结构、工艺 和模具的不合理设计所造成的损失“。提高镁合金压铸件的合格率及压铸型的 使用寿命“”。 1 3c a d c a e 技术在压铸行业的应用概述 铸造工艺计算机辅助设计及铸造过程计算机模拟仿真( 简称铸造 c a d ，c a e ) 涉及计算机辅助绘图、计算机辅助工艺与工装设计及充型凝固过 程模拟仿真等三部分内容“。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真已成为学科发展的前沿领域，也是改造 传统铸造行业的必由之路。铸造成形加工过程的模拟仿真正向高功能、高保 真、高效率的多学科模拟与仿真方向发展，经过数十年的努力，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，铸造生产正在从只凭经验走向有 科学理论指导的道路。铸造充型凝固的模拟仿真，可以帮助工作人员在实际铸 造前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，以便在浇注前采取对策，确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成 本。 铸造c a e 研究与开发起步于6 0 年代，据统计，国外已投入的研究与开发 费用达数千万美元。经过几十年的努力，由于在以下三方面取得了重要突破， 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真在工程上的应用才变为可能与现实。 1 具有能处理三维复杂形体的图形功能。 2 硬件以软件费用大幅度下降，铸造工厂能够接受。 3 计算机操作系统及软件对用户友好( u s e rf r i e n d l y ) ，一般铸造工程技术人 员稍加培训就可独立操作运行。 国外计算机仿真技术在压铸行业中的应用起步较早，投入的人力、物力也 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 是国内企业、研究单位所无法比拟的，压铸领域内的计算机仿真技术大大领先 国内。国外的基础研究及商品化软件的开发主要集中在充型凝固过程模拟分析 方面，不仅是因为这部分的基础理论深、技术含量高，而且也因其内容通用性 强，可应用在不同合金、不同形状、不同工艺的铸件，因而有利于软件的通用 化、商品化及推广应用。尤其是国外的些成熟的商品化的综合性软件，经受 了实践的检验，以大量地用于压铸企业。德国的m a g m a 软件和美国的 p r o c a s t 软件是这方面的佼佼者。他们都有几何造型功能，并且与一些著名的 大型的c a d 软件如u g 、p r o e 都有数据接口。他们推出的一些模块大多能 解决生产中的一些实际问题，并在不断改进提高。p r o c a s t 软件可用于模拟砂 模铸造、金属模铸造、熔模铸造、高低压铸造、精密铸造、蜡模铸造、连续 铸造等多种铸造过程的充填、凝固和热平衡。 国内由于起步晚，投入人力、物力不足，尚无综合性软件推出。做的一些 研究大多数是在些分散的领域内，没有集成起来，虽做了一些开发，远不能 和国外相比，也不能很好地用于实际应用。就如绘出复杂的三维实体，我们在 p c 机上开发的一些软件是不能与通用c a d 软件p r o e 等相比的。尤其是国 内在c a e 方面做的工作更是不足。上海交通大学和清华大学也只是在温度场 方面做了一些工作，就是在这方面也尚未完美，不能在企业中应用，至于充 填、凝固则几乎未涉及。要用c a e 技术指导压铸生产中的工艺设计，还有大 量的工作要做。 展望我国压铸模的数值模拟技术，为了适应各行业产品更新的需求，提高 产品竞争力，国内压铸模数值模拟技术应进一步发展和提高水平。作为生产任 务繁重的国内压铸企业，为了提高和确保产品质量，应在高校的帮助县发挥群 体优势，引进先进的c a d c a m c a e 软件，结合实际情况，补充数据库并作 二次开发，实现c a d c a m c a e 一体化，定能提高应用c a d c a m ，c a e 技术 的水平，提高企业竞争力，促进我国压铸工业的发展。 1 4 课题的选题背景及意义 镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材 料。镁合金作为一种新型金属材料，已被广泛应用于汽车、计算机、通讯及航 空航天等众多领域，许多国家将之视为二十一世纪的重要战略物资，提出了若 干重大的研究与开发计划。 近年来，镁合金及其成形技术的研究应用已取得重要进展，镁合金的材料 质量不断提高而生产成本得以下降。镁合金熔液保护技术更加成熟，高纯镁台 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 金材料耐蚀性的大幅提高以及人们对能源和环境保护的高度重视，镁合金已经 具备了铝等其他轻合金材料无可比拟的巨大优势。 在国内镁合金压铸的开发与应用在最近几年才有所发展，在生产效率和灵 活性方面存在较大的问题。前人应用先进工具软件进行模具设计的很少，更很 少进行应用软件的二次开发，致使模具设计的效率和灵活性很低、生产成本 高、设计周期长、市场应变能力差。这种设计方式已经不能适应现代化的工业 生产。在这种情况下，本课题旨在前人研究基础上进行汽车镁合金零部件的压 铸模具的设计。本课题工作的完成对进一步研究和开发微机环境下的压铸模 c a d c a e 系统具有十分重要的理论和实践意义。题目完成后，其成果可以推 广应用到汽车、摩托车等交通工具上，笔记本电脑外壳、手机外壳、摄像机、 数码相机、电视、投影仪、音响等电子和通讯器材上。可以起到节省能源、保 护环境等作用，经济效益和社会效益巨大。 1 5 本课题的内容 选用镁合金作为汽车零件的材料，运用先进的工具软件p r o e 建立模具标 准件数据库和压铸模具设计，采用p r o c a s t 进行计算机数值模拟，完成p r o e 与p r o c a s t 接口等工作。在模拟充型和温度场过程基础上寻求模具的优化设 计。主要包括以下内容： 1 使用p r o e 对零件进行三维实体造型。还要用到p r o e 提供的关系设定 和族表两个功能，构建压铸模模架的模板、垫块、导柱、导套、螺钉和复位杆 等零件库。并装配成标准的模架。 2 利用p r o c a s t 软件进行充型模拟，根据分析结果不断改进有关参数及 浇注、排气系统等，最后根据总的分析结果选择优化方案。 3 完成模架和推出机构的设计，主要包括动定模底座、动定模套板、推 板、推板固定板、推杆、推板导柱、导套、复位杆、限位钉、浇口导套以及支 承板零件的设计。 4 抽芯机构的设计，包括限位块、楔紧块、斜销、滑块、型芯、接头、止 转导向块。 5 进行模具的装配，并生成与输出最终模具的二维装配工程图。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章数值模拟技术理论及数值模拟计算 铸件充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，他涉及到计算流 体力学、传热学、计算机图形学、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、充型过程中的自由表面的处理、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 形成的影响及计算结果的可视化等。 2 1 数值计算方法与计算格式 金属的充型与凝固过程无论从传热、传质或其它传递过程来看，都是非稳 态过程。描述这类过程的偏微分方程绝大多数都无法通过解析法来求解，只能 应用数值法得到具有一定精度的近似解。 数值法求解实际工程问题的一般步骤大致为：分析实际问题，建立能反映 此问题的物理模型；根据物理模型，找出支配过程的主要参数并建立能描述实 际过程的基本方程或数学模型；寻求说明此实际过程的各项单值性条件；将基 本方程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理( 网格划分) ，使之形 成一系列的微小单元或节点；在所有的单元( 节点) 包括内部单元( 节点) 和 边界单元( 节点) 上建立由基本方程及定解条件转换而来的数值计算方程组； 选用适当的计算方法求解此方程组并将求解过程编制成可供计算机执行的程 序，求得计算结果；对计算结果作适当处理以得到我们需要的各种数据、图形 或其他文件。 在根据基本方程建立相应的数值计算方程式，可以有不同方法，从而便有 不同的求解方法及计算格式。针对凝固与压铸充型过程的基本方程，常用的数 值计算方法有：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 、有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 等“。这些方法中， 以有限差分法和有限元法应用较多。有限差分法以差分代替微分来处理各类微 分方程，概念清晰直观，易于计算，其中的显示格式更在占用内存量与计算时 间上其有优点，但其稳定性要求决定了在离散化时对距离不长与时间步长的选 用产生一定制约。同时，一般来说，典型的有限差分格式要求对物体作有规则 的网格剖分，使它在模拟复杂或不规则的几何形状时精度受到影响。同属于有 限差分范畴的直接差分法突破了这一限制，可对物体作不规则剖分，是其一大 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 优点。 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 格剖分，故能用比f d m 更少的网格来实现复杂的物体形状。目前有较多的商业 化软件可供借鉴或移植也是它的一大优点。由于涉及时间域的离散，它在一定 条件下也同样存在稳定性问题。此外，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，如能适当选择权函数，使其中体积分项为零，这问题就转 化成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，他也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，计算工作量也较大。尤其对非稳态问题，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，在凝固过程的数值模拟中它的应用不如上述两 法广泛。 2 2 压铸数值模拟数学模型 压铸充型过程中，金属液的流动是紊流。紊流是一种高度复杂的非稳态三 维流动，流动的各种物理参数( 如速度、压力和温度等) 都随时间与空间发生 随机变化。从物理结构上说，可以把紊流看成是由各种不同尺寸的涡旋叠合雨 成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向是随机的。关于紊流运动与换热的 数值计算，是目前计算流体动力学与计算传热学中困难最多、研究最活跃的领 域之一。紊流模拟采用的数值计算方法大致可以分为如下三种： 1 完全模拟这是用非稳态的n - s 方程来对紊流进行计算，无需引入任何模 型，但需要在紊流尺寸的网格内求解。这是目前计算机容量及速度难以解决 的，至少在近期尚不能实现。 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，但不直 接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似模型来考虑。这种方法仍需要较 大的计算机容量，只能模拟一些简单情况，目前仍不能宜接用于工程实际。 3 r e y n o l d s 时均方程法这类方法中，将非稳态的控制方程对时间作平均， 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，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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用的基本方法。紊流模型有零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中，双 方程模型在铸造充型过程模拟中得到了较广泛的应用。 计算机仿真的关键核心技术是对各种方程的求解过程。不同的求解方法决 定了计算效率的高低以及数据量的多少。下面介绍两种模拟铸件充型的数学模 型。 2 2 1s o l a v o f 数学模型 最初的s o l a v o f 法式求解二维的具有自由边界的非定常流动问题的模拟 方法，它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方程和n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 1 。 由能量守恒可以得到考虑了流动影响的传热方程： 詈+ p 誓+ v 詈+ w 詈- f 警+ 斋+ 軎1 c z m 百 i 州面+ w i 叫l i + 矿+ 可j u 。1 对于不可压缩流体，速度必须满足连续性方程： 竺+ 煎+ 堕+ 煎；o( 2 2 ) 速度随时间变化，由d 方程确定： p ( 等吧誓嵋詈+ v z 警) l 一芸+ 叩( 軎+ 等+ 告) + 昭。c 矧 p ( 誓嵋誓嵋等也誓) - 一孑+ 叩( 誓+ 等+ ) + 昭，c 2 埘 p ( 等誓嵋等叱誓) 一一芸+ 叩( 警+ 等+ ) + 偌：c z 固 式中匕、v ，、v ：x 、y 、z 方向的分速度( m s ) ； x 、y 、z 直角坐标； 堕查堡矍三奎兰三兰罂圭兰竺鎏兰 g ，、g ，、g ：重力加速度在x 、y 、z 方向的分量： 柙动力粘度( n s m 2 ) ； p 压力( p a ) 要求解上述方程，首先要进行离散处理，离散后采用s o l a 法求解压力场 和速度场，用v o f 法进行自由表面处理。n a v i e r s t o k e s 方程由于其非线性在数 学上处理是非常困难的，该方程只在非常简化的情况下有解，如层流管流体。 2 2 2k - s 双方程紊流模型 在各种时均方法中，k - f 双方