畢業(yè)論文——基于有限元分析的發(fā)動機(jī)缸體壓鑄模具設(shè)計

1、<p>　　基于有限元分析的發(fā)動機(jī)缸體壓鑄模具設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文以某汽車的發(fā)動機(jī)鋁合金缸體壓鑄件為研究對象，對該缸體壓鑄件可能鑄造缺陷進(jìn)行分析及預(yù)測。首先利用NX10.0設(shè)計該缸體的三維模型，并參照設(shè)計手冊完成澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計。然后利用鑄造模擬軟件anycasting v4.0對壓鑄模具型腔、

2、澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)整體進(jìn)行充填和凝固過程進(jìn)行模擬研究。分析目前的工藝和設(shè)計的澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)的是否存在問題，對重要的壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并優(yōu)化壓鑄模具澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)。根據(jù)以上模擬結(jié)果和設(shè)計手冊，利用NX10.0、AUTOCAD完成其余結(jié)構(gòu)的設(shè)計。使用anycasting v4.0主要完成充型分析，充型過程熱分析和熱凝固分析，其中重要的工藝參數(shù)是沖頭快壓射速度、澆注溫度、沖頭高低速轉(zhuǎn)換點(diǎn)和模具預(yù)熱溫度，最后得到一個缺陷比較少的模擬

3、結(jié)果。對一般充型缺陷，可以通過優(yōu)化設(shè)計澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)改進(jìn)，對凝固缺陷可以通過修改冷卻系統(tǒng)的位置進(jìn)行改進(jìn)。模具設(shè)計部分包括模具型芯部分設(shè)計、模架設(shè)計、側(cè)抽芯系統(tǒng)設(shè)計、頂出系統(tǒng)設(shè)計、模具厚度核算、動模座板行程校核、最小合模距離與最大開模距離校核和模具最大外形輪廓校核。最后依據(jù)模擬分析結(jié)果和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用NX10.</p><p>　　關(guān)鍵詞：鋁合金缸體、數(shù)值模擬、壓鑄、模具設(shè)計</p><

4、p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Taking a car engine cylinder aluminum die castings for the study, the cylinder block casting casting defect may be analyzed and forecast.First, NX10.0 three-dimens

5、ional modeling software design of the cylinder model, and complete reference design manual design gating system and overflow discharge system. Then use the casting simulation software anycasting v4.0 of the casting mold

6、cavity, injection system, exhaust system overflow whole process of filling and solidification simulation study, analy</p><p>　　KeyWords：Aluminum alloy cylinder；Numerical simulation；die-casting；Mold design<

7、;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　現(xiàn)在的鑄造行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)是屬于全球化，合金壓鑄工業(yè)的發(fā)展趨勢屬于更短的產(chǎn)品研制周期、更復(fù)雜的產(chǎn)品和更優(yōu)的質(zhì)量。以往我們都花費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行鑄件產(chǎn)品的研發(fā)，都要在實(shí)際的生產(chǎn)的條件下進(jìn)行反復(fù)的試鑄，然后不斷修改壓

8、鑄方案和工藝，最后再確定生產(chǎn)工藝的模式，現(xiàn)在已經(jīng)被逐步拋棄。利用先進(jìn)的計算機(jī)模擬軟件進(jìn)行相關(guān)的鑄造模擬的技術(shù)在現(xiàn)代化壓鑄生產(chǎn)工藝上已經(jīng)逐漸成為主要流程之一。</p><p>　　本文所研究的缸體壓鑄的鑄件為直列四缸的發(fā)動機(jī)缸體壓鑄件，選用的材料采用為鑄造鋁合金，目前發(fā)動機(jī)材料也已經(jīng)大量使用鋁鎂等合金，因為這種的材料可以大幅減輕發(fā)動機(jī)自身占整車的比重。由于缸體鑄件采用壓鑄生產(chǎn)，質(zhì)量問題一直是影響批量生產(chǎn)的關(guān)鍵，在排

9、除了鋁合金的熔煉及生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過程造成的鋁合金的熔液質(zhì)量不能達(dá)標(biāo)等因素后，</p><p>　　一般的毛坯鑄件在檢測后，會發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部仍存在內(nèi)部氣孔、氧化夾渣和縮孔等一般的鑄造缺陷。壓鑄鑄件中氣孔、氧化夾渣等鑄造缺陷一般會存在壓鑄缸體鑄件的兩側(cè)內(nèi)壁的內(nèi)部和壓鑄缸體中部的內(nèi)部的區(qū)域；縮松和縮孔等孔類缺陷主要存在于壓鑄缸體內(nèi)部孔附近的區(qū)域，在鑄件兩側(cè)的氣缸內(nèi)壁，某些壁厚相對較厚的部位也會有非常大的可能性存在缺陷。當(dāng)然壓鑄缸

10、體的鑄件也會存在其他種類的缺陷如冷隔、欠鑄等，這種缺陷一般也在可控的范圍內(nèi)，但是為了能嚴(yán)格地把控整個壓鑄過程中的各個生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)都能達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對于本壓鑄缸體鑄件來說，整個生產(chǎn)制造的節(jié)奏相對較快、產(chǎn)量也較大，在這種情況下,還要保證本產(chǎn)品合格率，提高整體壓鑄缸體鑄件的質(zhì)量和品質(zhì)，是一個非常復(fù)雜的過程。因此設(shè)計人員需通過細(xì)致地調(diào)節(jié)一般壓鑄生產(chǎn)的工藝來去除或減輕這種壓鑄缸體鑄件的缺陷?，F(xiàn)在伴隨著鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的迅速的發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)制

11、造中也已有著的廣泛應(yīng)用。從目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，壓鑄生產(chǎn)過程采用優(yōu)秀的鑄造模擬技術(shù)來進(jìn)行工藝方案的優(yōu)化已經(jīng)成為一種非常有效的途徑，不僅可以大幅節(jié)約人力、物力和時間，同時也為新產(chǎn)品的工藝研發(fā)加快了效率，和一些比較可靠的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2壓鑄模擬技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　普通的鑄造生產(chǎn)過程的本質(zhì)就是將熔化了的液態(tài)金屬用相應(yīng)方法澆入到鑄型中的過程，最后隨著周圍冷卻系統(tǒng)的控

12、制下在鑄型中冷卻，并凝固，最后就能得到鑄件。對于鑄造工藝來說，液態(tài)金屬液的充型過程一般是壓鑄鑄件成型的第一個階段過程，充型階段對于壓鑄件生產(chǎn)來說，是一個比較復(fù)雜，但是非常重要的的階段。如果控制不好，就會形成很多的鑄造缺陷：如卷氣、夾渣和砂眼等。對于這些類型的缺陷，在第一階段充型不順暢的情況，就有可能會產(chǎn)生的這些類型的缺陷。因此，為了獲得缺陷比較少、高品質(zhì)的鑄件，充分了解和控制這一充型過程是一個非常重要的前提。但是，壓鑄件生產(chǎn)的整個的充型

13、過程是非常復(fù)雜的，現(xiàn)在人們對這一過程的了解主要是建立在大量生產(chǎn)和實(shí)驗的基礎(chǔ)上建立起來的經(jīng)驗來判斷和指導(dǎo)生產(chǎn)?，F(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)軟件技術(shù)已經(jīng)快速的發(fā)展，利用計算機(jī)技術(shù)來完成前期的鑄件充型過程和凝固過程數(shù)值模擬的指導(dǎo)方法已經(jīng)受到了現(xiàn)在國內(nèi)外鑄造行業(yè)工作者的廣泛重視。從60年代開始，這個領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行一定的研究，從數(shù)學(xué)模型建立、算法實(shí)現(xiàn)、計算效率提高和相關(guān)工程應(yīng)用領(lǐng)域都有重大突破。而砂型鑄造的工藝過程的數(shù)值模擬，從60年代開始研究，經(jīng)歷了三個階段。

14、1960至1980，</p><p>　　鑄件充型數(shù)值模擬：就是利用相關(guān)分析軟件進(jìn)行模擬鑄件在充型過程中，合金金屬液復(fù)雜的流動過程和液態(tài)金屬充型的過程中鑄件熱量對模具的沖蝕情況。模擬充型過程的結(jié)果對于鑄造數(shù)值模擬分析和相關(guān)工藝設(shè)計來說，是一個非常重要的內(nèi)容。首先，通過計算機(jī)軟件進(jìn)行模擬液體通過澆注系統(tǒng)和鑄型中的流動狀態(tài)，通過模擬結(jié)果就可以初步分析并優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設(shè)計，改善設(shè)計后就可以有效避免液體通過澆道時吸氣過大

15、，降低空氣進(jìn)如到液體的量，減少氣體接觸，同時也可有效避免鑄件氧化。對于這種類型的缺陷，通過合理的設(shè)計澆注系統(tǒng)類型缺陷引導(dǎo)到澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，便于除去。分析不同橫澆道的充型量和速度，也可以合理設(shè)計橫澆道的大小，這樣也可以有效避免高溫液體對模具鑄型的沖蝕作用;同樣，只要能準(zhǔn)確的模擬充型過程中金屬液體的流動并細(xì)致地分析充型過程中溫度的變化過程，這樣也可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測到冷嗝、澆不足等充型類型的缺陷，在進(jìn)行這樣的充型模擬分析后，相關(guān)設(shè)計人員就可以

16、進(jìn)行接下來的凝固模擬分析，結(jié)合先前所做的充型分析，綜合分析結(jié)果就能給出一個比較合理的初始溫度設(shè)置參數(shù)。對于復(fù)雜薄壁鑄件的來說，這種充型、凝固的模擬分析方法非常有意義的。當(dāng)然數(shù)值模擬也會遇</p><p>　　鑄造模擬軟件介紹隨著目前的鑄造CAD和CAE等相應(yīng)模擬軟件已經(jīng)在各國相應(yīng)領(lǐng)域商品化和應(yīng)用已經(jīng)非常普及，其中功能強(qiáng)大的模擬軟件也非常的多。現(xiàn)在能直接能應(yīng)用于商業(yè)類型的鑄造模擬軟有很多，其中應(yīng)用最廣的國外軟件是美

17、PROCAST、FLOW-3D、MAGMA soft和ANYCASTING等。國內(nèi)能應(yīng)用于鑄造的數(shù)值模擬軟件主有是FT-STAR、華鑄CAE等。這些不同的鑄造數(shù)值模擬軟件的數(shù)值模擬計算的方法主要的有以下幾種：有限元計算方法、有限差分計算方法和有限體積計算法。對于軟件市場上大部分的數(shù)值模擬商業(yè)化的軟件都是基于有限元方法來計算，采用有限元法更多考慮到流體力學(xué)、固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的問題。而對有限差分方法，它的求解精度比較差，所以它的適用性比較

18、差，可以作為理論研究，但是直接商用化的軟件就比較少，對于利用有限體積法求解的商業(yè)化軟件，主要是為了能夠求解出流體力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)學(xué)等相關(guān)的問題。</p><p>　　Procast軟件是美國的鑄造數(shù)值模擬軟件。主要是針對鑄造工藝中流動過程．傳熱過程和應(yīng)力分析過程的模擬軟件系統(tǒng)。它擁有8種模塊包括：基于有限元計算法的網(wǎng)格劃分技術(shù)、傳熱過程的分析模塊、流動過程的分析模塊、應(yīng)力分部的分析模塊、熱輻射過程的分析模塊、應(yīng)力

19、組織分布的分析模塊、電磁感特性的分析和反向求解分析模塊等。它采用的數(shù)值模擬方法是基于有限元法，對于鑄造模擬過程中大部分問題和物理現(xiàn)象都能模擬清楚，并且也充分考慮到了液態(tài)金屬液充型過程中的氣體流動、過濾、高壓氣體和旋轉(zhuǎn)沖擊等對鑄件成型過程的影響，這種模擬方法也能夠模擬大多數(shù)不同種類的鑄造工藝過程。并且能夠結(jié)合設(shè)計加工系統(tǒng)，共享數(shù)據(jù)，這樣就可以極大的提高鑄造的生產(chǎn)效率。但是Procast軟件的缺點(diǎn)是前處理的過程比較復(fù)雜，在補(bǔ)網(wǎng)格與面網(wǎng)格化分

20、上比較復(fù)雜麻煩。</p><p>　　Flow-3D是美國公司開發(fā)的一種能夠來分析多種不同的鑄造工藝的軟件，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在航空航天、金屬鑄造和海運(yùn)等相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域，是一種非常通用的軟件。它采用的計算方法是有限差分法，在前處理過程中的網(wǎng)格化分比較簡單，主要是利用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)的自由網(wǎng)格劃分法。主要的優(yōu)點(diǎn)是采用了流體動力學(xué)的研究方法，這樣就可以提高穩(wěn)定性，同時充分利用了自由表面技術(shù)，這樣得到的結(jié)果會更加逼真，同

21、時軟件也包含大量和有意義的物理模型和大量的材料庫，可以為使用軟件的用戶提供可以二次開發(fā)具有實(shí)際利用價值的二次開發(fā)接口。缺點(diǎn)：對于薄壁件壓鑄的數(shù)值模擬的模擬計算的應(yīng)用能力相對較差，而且這種數(shù)值模擬軟件的計算時間比一般模擬軟件要長，一般的模型都需要三天左右的時間。</p><p>　　Anycasting是由韓國公司開發(fā)的鑄造模擬軟件，它可以應(yīng)用于生產(chǎn)過程中工藝的壓力鑄造模擬過程、砂型鑄造過程和離心鑄造工藝過程等其他

22、典型的鑄造工藝和方法，并且操作方法相對的簡單，并且數(shù)值模擬的計算時間比較少，效率比較高，但是得到的計算精度相對較弱。</p><p>　　華鑄CAE是華科研發(fā)的鑄造數(shù)值模擬軟件并且擁有完善的分析系統(tǒng)，可以模擬不同種類的鑄造合金的鑄造模擬，可以用于不同的壓鑄工藝，如砂型、金屬型、低壓鑄造和壓力鑄造等多種不同的鑄造工藝。華鑄CAE軟件的前處理方式也比較快，效率比較高，網(wǎng)格劃分采用不同的劃分方式，這種軟件主要采用四面體

23、的網(wǎng)格劃分方法，這種劃分方法計算速度較快，效率比較高。</p><p>　　Magma是德國公司開發(fā)的一種商品化的鑄造軟件，理論基礎(chǔ)是經(jīng)典的物理學(xué)方程為計算方法，這種鑄造模擬軟件得到結(jié)果與事實(shí)比較相符，整個模擬過程比較可靠，得到的計算結(jié)果也準(zhǔn)確。Magma模擬軟件也模擬目前大部分適用鑄造的合金材料的典型鑄造工藝生產(chǎn)，包括白灰鐵鑄造過程、鋁合金砂型鑄造過程和大型鑄鋼件等典型鑄造工藝過程。而且Magma軟件對于不同的

24、鑄造工藝，也設(shè)計了不同的模塊，包括：高壓鑄造模塊、鑄鐵鑄造模塊等。</p><p>　　Anycasting充型凝固模擬技術(shù)簡介：一般的凝固過程數(shù)值模擬，假設(shè)的前提是快速充型，不考慮充型過程，這樣的模擬前提就是假設(shè)壓鑄鑄件開始的模擬的初始溫度都為澆注溫度。這種模擬方法對于一般較厚的鑄件，這種模擬方法非常接近實(shí)際的生產(chǎn)情況;但是對于較薄的薄壁鑄件如氣缸蓋，這種模擬方法與實(shí)際的模擬方法相比，會有較大的模擬誤差。因此，

25、在模擬薄壁件的時候，需要充分考慮凝固過程的初始溫度條件，要重點(diǎn)考慮到充型過程中會出現(xiàn)溫度下降和金屬凝固的問題和現(xiàn)象，這種初始條件的設(shè)置，相比過去的凝固過程數(shù)值模擬，這種數(shù)值模擬方法在實(shí)際應(yīng)用中會有更多的研究價值。</p><p>　　在一般生產(chǎn)環(huán)境下，金屬液流動充型過程一定會伴隨著相當(dāng)規(guī)模的熱量損失和動態(tài)的凝固過程，并且這些金屬液體的流動充型過程也是非常符合動量守恒定律、質(zhì)量和能量守恒定律，所以對于充型流動過程來

26、說，可以采用一般連續(xù)性方程組、動量方程組和能量方程組作為計算模擬的理論基礎(chǔ)。但是，這三種求解方程組都是類非線性偏微分方程組，相對需要求解的變量值較多，整體的求解過程較復(fù)雜。對于這些復(fù)雜方程的求解，許多工作者就此進(jìn)行研究，已經(jīng)提出大量的求解方法。目前，對于充型過程的計算模擬的理論基礎(chǔ)，主要數(shù)學(xué)處理方法有Simple法、Mac法、Am'c法和Sola-Vof法。Anycasting現(xiàn)在的模擬技術(shù)采用的是SOLA-VOF方法。<

27、/p><p>　　在一般環(huán)境中，合金液的充型和凝固過程中，鑄件相對鑄型的傳熱方式主要有三種類型：高溫合金金屬液的輻射傳熱過程、液態(tài)金屬液和鑄型通過對流傳熱的過程、金屬液和鑄型接觸導(dǎo)熱過程。對于壓鑄鑄件的凝固數(shù)值模擬過程的主要的理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)分析模型是偏微分方程組。對于鑄件凝固數(shù)值模擬過程來說，模擬的目標(biāo)是建立鑄件凝固過程中的傳熱分析模型，最后通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行求解。對于導(dǎo)熱問題的求解方法主要有限元法、有限差分法和

28、直接差分法。在Anycasting模擬中使用的是有限差分法進(jìn)行模擬，他的基本的求解思想是先將微分方程組的導(dǎo)數(shù)值利用差商數(shù)來代替，最后再推導(dǎo)出具有在大量的離散點(diǎn)上的有限未知數(shù)的差分方程組，這樣就可以將微分方程的問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題。最后求解這些有限差分方程組就能獲得這些微分方程的近似求解值。</p><p>　　目前，就國內(nèi)鑄造模擬的軟件的發(fā)展現(xiàn)狀無論在功能，還是在鑄造數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性上相比國外同種類的軟件還有一

29、定量的差距。國內(nèi)對于復(fù)雜的鑄件應(yīng)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析還是比較少的，主要原因如下：一般小型鑄造相關(guān)企業(yè)對現(xiàn)行鑄件的加工工藝制造觀念相對比較落后，沒有豐富的鑄造模擬軟件，所以對于產(chǎn)品設(shè)計前期研發(fā)的成本意識也比較淡薄;一般正版的模擬軟件維護(hù)成本和使用成本都比較昂貴，所以中小型的企業(yè)對于前期開發(fā)比較不重視;由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)人員，在實(shí)際使用過程中，熟練的工藝人員也比較缺少，對于不僅懂得數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用而且還熟悉實(shí)際的鑄造工藝的專業(yè)人

30、員也比較少。因此，我們要加快開發(fā)出和國外數(shù)值模擬軟件相當(dāng)功能、并且使用和維護(hù)費(fèi)用也能使現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)中小型鑄造相關(guān)企業(yè)能接受，并且實(shí)用的鑄造數(shù)值模擬軟件，并加快相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員的培養(yǎng)，并提高我國的鑄造工藝水平，生產(chǎn)出更加復(fù)雜的優(yōu)質(zhì)鑄件，這樣的要求也是擺在目前鑄造相關(guān)行業(yè)工作者面前一類比較困難和緊迫目標(biāo)和任務(wù)。</p><p>　　1.3壓鑄模具設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　最近一些

31、年來，目前的壓鑄鑄造工業(yè)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟。對于壓鑄模具設(shè)計行業(yè)工作人員來說，就會擁有更多更廣的發(fā)展的空間。大部分的工作人員可以在設(shè)計工作的實(shí)踐中可以積累大量的工作經(jīng)驗，也可以學(xué)習(xí)目前國外的先進(jìn)的壓鑄技術(shù)，相關(guān)工作人員在這些經(jīng)驗和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合實(shí)際工藝生產(chǎn)情況，就可再設(shè)計出更多形式新穎、合理結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率相對較高的壓鑄模具。這樣就可以大幅度提高我國的金屬壓鑄模具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，使我國壓鑄工業(yè)發(fā)展更加成熟。</p>&

32、lt;p>　　對于每個壓鑄行業(yè)工作者來說，面對具體的設(shè)計問題中，不同的設(shè)計者就會根據(jù)自己的工作經(jīng)驗和自己對不同尺寸的理解，同樣 每個參與設(shè)計工作的企業(yè)也會有自己的設(shè)計規(guī)范。所以，對于相同的產(chǎn)品，不同的設(shè)計單位，最后不同的設(shè)計企業(yè)做的模具尺寸會相差較大。對于尺寸選大的設(shè)計，雖然會比較符合設(shè)計要求，較比較保險，但到最后加工的過程中，會造成一定量的材料浪費(fèi)，同樣也會造成加工時間的浪費(fèi)。如果模具的設(shè)計尺寸選少了，在使用過程中也會發(fā)生快速的

33、變形和損壞。最后也會對模具使用效率和壽命造成一定的影響，同樣 也會造成一定量的浪費(fèi)。</p><p>　　所以要加快我國的壓鑄模具設(shè)計水平，在理論上的處理方法就是如下：對于設(shè)計參數(shù)要規(guī)范化設(shè)計，一般參數(shù)也要量化設(shè)計，這也是目前理論工作最需要解決的問題，對于壓鑄模具設(shè)計，主要設(shè)計的就是結(jié)構(gòu)設(shè)計，同樣也有一定的理論設(shè)計。在目前的模具設(shè)計工作中，一些參數(shù)可以通過在確定其他結(jié)構(gòu)后，根據(jù)連接和定位的設(shè)計方法來確定。這樣的

34、參數(shù)設(shè)計，理論計算也只是對于設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證。因此參數(shù)的計算和可選范圍，不需要一個精確的值，只需要提供一個比較有用的數(shù)值范圍。同樣，以極限尺寸作為一個理論判據(jù)，根據(jù)這個臨界尺寸，進(jìn)行一定量的調(diào)整，最后完成設(shè)計計算工作，所以對于具體設(shè)計情況，一般的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以采用類比和選擇的方法來設(shè)計。</p><p>　　對于現(xiàn)在的壓鑄模具設(shè)計要求，可以利用三維設(shè)計軟件和一些電算軟件的計算和存儲功能，通過這些軟件和程序自動提供相

35、應(yīng)的設(shè)計程序、計算參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型，對于常用的模具設(shè)計，直接提供一些具體的參數(shù)，如根據(jù)壓鑄件的壁厚和所選用的壓鑄機(jī)參數(shù)就可以提供最大比壓，并提供相應(yīng)的其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。所得到的可選參數(shù)計算結(jié)果可以分為兩種：直接選用類型，包括模型尺寸、?？虺叽纭鸿T機(jī)的噸位，內(nèi)澆口的截面積等。其他參數(shù)設(shè)計要求為參考選用參數(shù)：滑塊的尺寸和滑塊的尺寸等。這些需要計算參數(shù)的核心問題主要是模型尺寸計算、充填時間計算和內(nèi)澆口截面積計算。所以采用參數(shù)化設(shè)計是現(xiàn)在模具

36、設(shè)計一個比較普遍的方法：其主要的流程為：根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后再采用不同的計算設(shè)計方法，計算出模具結(jié)構(gòu)中基本的工藝尺寸或者極限尺寸判據(jù)，最后按照這些計算尺寸來生產(chǎn)合理模具工程圖，對于這些模具設(shè)計，再考慮到其他的結(jié)構(gòu)特征、材料利用問題、加工和工藝問題以及其他不影響模具強(qiáng)度的設(shè)計要求下進(jìn)行尺寸參數(shù)的調(diào)整。這也就是目前壓鑄模具設(shè)計工作比較合理的設(shè)計流程。</p><p>　　目前壓力鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)：可以生產(chǎn)尺寸精度較

37、高、外表面的光潔無缺陷、薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件。當(dāng)然，問題也有很多，具體的問題和缺點(diǎn)如下：目前用于壓力鑄造的合金的類別種類比較少，主要是由于壓鑄合金的收縮率比較大；同時在液體充型到型腔的過程中，高速的金屬液會帶來大量的空氣和氧化渣進(jìn)入到目前的鑄件結(jié)構(gòu)中并產(chǎn)生紊流。所以用壓鑄去生產(chǎn)鑄件，一般會導(dǎo)致壓鑄件的內(nèi)部缺陷多，并且致密性差。對于這些問題，一般的解決方法如下:①采用真空工藝;②修改澆注系統(tǒng)使其變得更加合理;③采用先進(jìn)的半固態(tài)鑄造技術(shù)工藝代

38、替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)壓鑄工藝;④采用先進(jìn)的過濾技術(shù)；現(xiàn)在適用于壓鑄生產(chǎn)工藝中的鑄造材料只能用一些低熔點(diǎn)的鋅、鋁、鎂等合金進(jìn)行生產(chǎn)制造。而在壓鑄工藝中對于黑色金屬的壓鑄成型，目前 還沒有非常適合的模具材料。而對于傳統(tǒng)的缸體壓鑄工藝，進(jìn)行壓力鑄造生產(chǎn)的壓射比壓相對較高、產(chǎn)量較大，所以生產(chǎn)較復(fù)雜的壓鑄鑄件利用金屬型芯。所以采用傳統(tǒng)的壓鑄工藝只能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)一般，非封閉結(jié)構(gòu)的缸體。而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缸體，一般的壓鑄工藝無法直接生產(chǎn)，具有更大的剛性。</

39、p><p><b>　　1.4本文研究內(nèi)容</b></p><p>　　采用Anycasting對與設(shè)計的壓鑄工藝方案進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，可以分析通過設(shè)計手冊設(shè)計的壓鑄工藝方案中的澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計和排溢系統(tǒng)的設(shè)計是否設(shè)置的合理，主要分析的就是充型模擬過程和凝固模擬過程，對于以上所呈現(xiàn)的模擬分析結(jié)果，就可大致確定沖頭的快速壓射速度參數(shù)、澆注溫度參數(shù)、沖頭的低速和快速壓

40、射的轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置參數(shù)和模具的預(yù)熱溫度參數(shù)等相關(guān)鑄造工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理。如果能結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)狀況對比缸體鑄件的缺陷的數(shù)值模擬結(jié)果，判斷實(shí)際工藝生產(chǎn)缺陷存在的部位和符合程度的情況，就可以初步判斷數(shù)值模擬的合理性。</p><p>　　通過對這種壓鑄缸體鑄件數(shù)值模擬結(jié)果的分析結(jié)果，可以用來進(jìn)行缸體鑄件壓鑄模具的改進(jìn)，并且了解到哪些工藝參數(shù)對缸體鑄件數(shù)值模擬過程的影響，根據(jù)影響比例，就可以確定壓力分布部位、凝固時間和缺

41、陷情況的影響規(guī)律，最后也就能得到相對可靠的模擬工藝方案。 </p><p>　　壓鑄缸體鑄件的模具設(shè)計內(nèi)容。主要包括設(shè)計結(jié)構(gòu)有動模型芯、定模型芯、側(cè)抽型芯和滑塊設(shè)計，動模板、定模板、動模模座、導(dǎo)柱和導(dǎo)套、頂出機(jī)構(gòu)等模具部件結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化的設(shè)計內(nèi)容主要包括如下：動模型芯和定模型芯的設(shè)計尺寸可以按照選用的壓鑄機(jī)的安全工作比壓或通過最大的比壓臨界值作為判據(jù)；根據(jù)壓鑄鑄件的投影面積來計算選用相應(yīng)的壓鑄機(jī)噸位，并給

42、出相應(yīng)的參數(shù)；壓鑄模具的?？蛞彩歉鶕?jù)所選用的壓鑄機(jī)具體噸位參數(shù)來給出相應(yīng)的推薦值；通過給定的慢速和快速充填速度并結(jié)合壓鑄件的壁厚來選擇相應(yīng)的充填時間和內(nèi)澆口截面積參數(shù)；對于側(cè)抽出機(jī)構(gòu)等相關(guān)零件的設(shè)計，可以先結(jié)合相關(guān)圖例來選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型，隨著壓鑄鑄件參數(shù)和澆口位置的選擇變化，同步的修改相關(guān)需要設(shè)計的零件尺寸，最后再根據(jù)推薦的參數(shù)表的數(shù)據(jù)選定具體尺寸?？傊⒂嬎氵^程只是為了進(jìn)行對比制造的一種思路；對于標(biāo)準(zhǔn)件和一些比較常用的部件，一般是先

43、選用，然后根據(jù)一些主要參數(shù)做一些調(diào)整，并且仿照相關(guān)結(jié)構(gòu)完成設(shè)計；對于不常用的模具結(jié)構(gòu)也可在常用模具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修改設(shè)計。</p><p>　　1.5研究的目的和意義</p><p>　　本論文的研究目的主要是通過目前可以商用較精確的鑄造數(shù)值模擬軟件對缸體鑄件的壓鑄生產(chǎn)工藝進(jìn)行驗證和分析計算，發(fā)現(xiàn)壓鑄缸體鑄件在生產(chǎn)過程中極有可能產(chǎn)生的鑄造類缺陷，并提出可行的改進(jìn)方法，完成合理的模具設(shè)計，最終提

44、高缸體鑄件大規(guī)模生產(chǎn)下的合格率。目前的鑄造企業(yè)生產(chǎn)工藝方法還是比較傳統(tǒng)，沒有合理的理論基礎(chǔ)也不會輕易對己經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，但合格率不高的工藝進(jìn)行改進(jìn)。如果擁有比較成熟的鑄造數(shù)值模擬后，一方面對于設(shè)計的壓鑄工藝可以提前進(jìn)行模擬計算，等待工藝模擬完成并基本符合生產(chǎn)要求，再制造相應(yīng)的模具。這樣就可以大幅減小因為設(shè)計工藝的不成熟造成所制造的模具適用性低造成的浪費(fèi)，同時也能減少不同工藝的修改而帶來的經(jīng)濟(jì)損失，也能縮短相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率和

45、效益。另一方面，也能夠?qū)航?jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的鑄造工藝做進(jìn)一步的優(yōu)化，進(jìn)一步提高成品率，更大的降低制造成本。</p><p>　　當(dāng)然對于相關(guān)行業(yè)的工作人員來說，也要充分的認(rèn)識到，影響實(shí)際的壓鑄生產(chǎn)工藝過程的因素多而復(fù)雜。對于鑄造數(shù)值模擬技術(shù)來說，一些可知的基本條件都做了相應(yīng)的簡化處理，并不能考慮到全部因素的影響。本論文研究目的也只是為模具設(shè)計和壓鑄工藝做一種驗證和提供一種可選的方法，目前的應(yīng)用于鑄造行業(yè)的數(shù)值模擬

46、技術(shù)還不能直接替帶鑄造行業(yè)相關(guān)工藝人員的經(jīng)驗積累。</p><p>　　2 壓鑄模擬分析方法</p><p>　　2.1 Anycasting軟件簡介</p><p>　　2.1.1 Anycasting模塊簡介</p><p>　　AnyCasting鑄造分析軟件是由韓公司自主開發(fā)的，可以在Windows操作平臺上使用的新一代的比較高級的鑄

47、造模擬分析軟件系統(tǒng)。它是專門針對典型類型的鑄造工藝過程進(jìn)行相應(yīng)工藝條件模擬開發(fā)的仿真系統(tǒng)，不僅可以進(jìn)行鑄造的充型過程、熱傳導(dǎo)過程、凝固過程和相應(yīng)的三維應(yīng)力場的模擬分析。它主要模塊有：</p><p>　　AnyPRE作為一種AnyCasting的前處理軟件程序，anyPRE的功能可以將已經(jīng)設(shè)計好的三維模型導(dǎo)入到其中，這個軟件的前處理的網(wǎng)格劃分方法采用的是有限差分法的網(wǎng)格劃分，在其中的模擬條件的設(shè)置中有簡單網(wǎng)格劃分

48、和可變網(wǎng)格劃分，將前處理的設(shè)置結(jié)果直接導(dǎo)入到AnySOLVER中進(jìn)行求解。在anyPRE中，可以設(shè)置工藝流程類型和材料的選取進(jìn)行相應(yīng)的鑄造模擬成型過程，設(shè)置相應(yīng)的邊界、熱傳導(dǎo)參數(shù)和澆口條件參數(shù)，其中一些特殊的功能模塊可以設(shè)置相應(yīng)設(shè)備和模型狀況。在anyPRE中也可提供的相應(yīng)的模型查看功能來查看、移動和旋轉(zhuǎn)實(shí)體模型的坐標(biāo)系統(tǒng)。</p><p>　　AnySOlVER作為AnyCasting軟件的求解器，anySOL

49、VER能夠依據(jù)先前在前處理中設(shè)計的流場和溫度場。鑄造過程模擬計算包括熔體充型過程的充型分析計算、傳熱和熔體凝固過程分析計算。一般先模擬完充型分析再模擬凝固分析，在這兩中類型分析都準(zhǔn)確完成的情況下，就非常有可能正確得預(yù)測到可能產(chǎn)生缺陷的區(qū)域。</p><p>　　AnyPOST作為AnyCasting的后處理程序，anyPOST可以直接打開由anySOLVER計算結(jié)果生成的結(jié)果文件，在計算機(jī)屏幕上也會出現(xiàn)比較精確的

50、網(wǎng)格圖形結(jié)果。在anyPOST中，可以比較直觀查看充型時間、凝固時間、等高線和速度向量的變化，通過傳感器的的設(shè)置和計算點(diǎn)也能創(chuàng)建相關(guān)參數(shù)的曲線圖。利用這個程序相應(yīng)模塊的功能將模擬結(jié)果用動畫的形式將模擬計算結(jié)果用播放文件呈現(xiàn)，可以比較直觀的分析凝固缺陷的部位。另外，相關(guān)的設(shè)計文件也會保存成新的文件類型，可以用來再次檢查分析。</p><p>　　AnyMESH功能模塊可以用來編輯由anyPRE生成的網(wǎng)格文件?？梢岳?/p>

51、用可變網(wǎng)絡(luò)模塊快速的修改網(wǎng)格信息，并且不會改變幾何的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p><p>　　AnyBASE是一種儲存各種鑄件材料，模具材料和其他種類材料參數(shù)性能的數(shù)據(jù)庫管理模塊，anyBASE數(shù)據(jù)庫中主要化分為常規(guī)材料數(shù)據(jù)庫和用戶定義數(shù)據(jù)庫。常規(guī)材料數(shù)據(jù)庫可以提供具國際標(biāo)準(zhǔn)的常用類型材料的性能參數(shù)，用戶數(shù)據(jù)庫可以使用戶能保存管理和修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)。使用者可以直接選擇比較有用的材料就可得到相光材料的性能和不同材料間傳熱系

52、數(shù)等參數(shù)，更加有助于參數(shù)的設(shè)計。</p><p>　　2.1.2 Anycasting缺陷分析理論基礎(chǔ)</p><p>　　鑄件凝固過程模擬的最主要目的就是為了設(shè)計和優(yōu)化相關(guān)類型的鑄造工藝，提高生產(chǎn)效率。現(xiàn)在商業(yè)的數(shù)值模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)不是太復(fù)雜的鑄件主要的鑄造缺陷較精確的預(yù)測和控制，所以對于縮孔和縮松等缺陷的精確預(yù)測也是模擬過程的重要內(nèi)容之一。同樣現(xiàn)在的商業(yè)模擬軟件進(jìn)行凝固過程數(shù)值模擬計算

53、也可以用來確定鑄件凝固過程中的三維凝固溫度場、三維溫度梯度和最終凝固時間等。過去的數(shù)值模擬研究方法中一般把縮孔和縮松化歸為同一種缺陷類型。并且一般的模擬方法和模擬判據(jù)只能解決縮孔、縮松的位置問題，現(xiàn)在的研究方法已經(jīng)將縮孔和縮松區(qū)別開來分析。同樣為了可以準(zhǔn)確的預(yù)測鑄件中縮孔和縮松缺陷，現(xiàn)在對于縮孔的形成機(jī)理的研究，現(xiàn)在的基礎(chǔ)研究已經(jīng)可以對于溫度場進(jìn)行求解計算，并且現(xiàn)在已經(jīng)有了更多的預(yù)測縮松和縮孔等缺陷的方法;其中在Anycasting中運(yùn)

54、到的預(yù)判方法有：等溫曲線法、溫度梯度法和G/。</p><p>　　（1）等溫曲線法：對于鑄件壓鑄過程，如果在鑄件各個部位和冒口之間始終存在有可用的補(bǔ)縮通道，即可以判斷本壓鑄鑄件的凝固過程基本會符合定向凝固的判斷原則，這樣合理的凝固過程可以有效避免縮孔的產(chǎn)生。如果凝固通道在鑄件完全凝固之前就被現(xiàn)行凝固部分截斷，不能符合定向凝固的過程，這樣就會產(chǎn)生縮孔缺陷。這樣的凝固過程，在凝固溫度場曲線上，這樣的等溫線在曲線圖上

55、，就會看到封閉的回路。以充型金屬液的固相線上的溫度點(diǎn)作位實(shí)際工藝流動和補(bǔ)縮充型的分界限，這樣得到的等溫曲線回路，其中的內(nèi)部區(qū)域就是可能的縮孔部位，但是這種方法也有缺點(diǎn)，比如當(dāng)這種閉環(huán)回路無法觀察到時就不能判斷具體的縮孔缺陷的位置。</p><p>　?。?）溫度梯度法：溫度梯度法則是觀察鑄件凝固后期的溫度梯度，根據(jù)溫度梯度的大小就可以準(zhǔn)確的預(yù)測壓鑄鑄件是否會出現(xiàn)和存在這樣的收縮缺陷的。而對于溫度梯度G，一般將按照

56、下面的計算方法來確定:一單元格在某時刻的溫度為，在時后，當(dāng)鑄件的澆注溫度由，降到鑄件的固相線 ，隨著溫度繼續(xù)下降，就可以計算出在+時刻，從鑄件中心到鑄、邊緣處整個連續(xù)喝相連點(diǎn)之間溫度梯度的變化，將所有觀測到的溫度梯度變化中最大值就可以將其作為鑄件凝固結(jié)束的溫度梯度G。當(dāng)G<臨界值時，這樣就可以初步判斷鑄件該區(qū)域有產(chǎn)生縮孔缺陷的可能性。這種判斷方法的特點(diǎn)是鑄件的臨界溫度梯度會隨著不同的鑄件形狀和復(fù)雜程度、以及鑄件的壓鑄工藝和冷卻條件

57、不同而有一定的改變。</p><p>　?。?）G/法：壓鑄鑄件在凝固過程的縮松缺陷的預(yù)測主要是利用縮松判據(jù)來預(yù)測的，現(xiàn)在的比較商業(yè)的軟件中，其中利用來判斷縮松的理論基礎(chǔ)普遍采用的是使用的新山英輔判據(jù)，即</p><p><b>　　G/<2.1</b></p><p>　　式中,G局部溫度梯度;R是冷卻速度;為臨界值。</p&g

58、t;<p>　　是量綱量，一般取。研究表明，值會鑄件大小不同而不同，大件一般取，小件一般取。該判據(jù)充分地考慮到凝固過程中枝晶在補(bǔ)縮通道過程中的壓力損失量。</p><p>　　在Niyama判據(jù)中，單元格( i, j, k)的溫度梯度為該單元與周圍相鄰16個單元格的溫度梯度中最大的值，即</p><p><b>　　G=max2.2</b></p

59、><p><b>　　式中，為單元步長。</b></p><p><b>　　冷卻速度公式為:</b></p><p><b>　　2.3</b></p><p>　　由于新山英輔判據(jù)中并沒有充分考慮到合金類型和含量對缺陷判斷的影響，并且這個臨界值是一個量綱，含義很不清楚，所以研究

60、工作者對該判據(jù)也進(jìn)行一定的改進(jìn)和修正。這些改進(jìn)和修正主要考慮到了合金含量和類型、枝晶之間的流動阻力和充型過程中的壓力損失等一些對實(shí)驗結(jié)果有影響的因素在內(nèi)。而在Anycasting凝固模擬中就充分考慮到了合金成分和含量，所以Anycsating也可以用來模擬在受到重力條件下的凝固情況。</p><p>　　2.2 Anycasting模擬研究方法</p><p>　　2.2.1模擬過程設(shè)置&

61、lt;/p><p>　　本文的研究對象是缸體壓鑄件，采用anycasting數(shù)值模擬軟件對該壓鑄件的壓鑄工藝進(jìn)行分析和模擬優(yōu)化，具體流程如下所示；</p><p>　　（1）三維實(shí)體造型和預(yù)處理：使用高級的三維造型軟件NX10.0,對壓鑄鑄件產(chǎn)品、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、排溢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)位置設(shè)計、動模板和定模板以及型芯等相關(guān)結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體造型，然后以STL格式導(dǎo)出，根據(jù)模

62、擬實(shí)驗需要將各實(shí)體通過anyPRE導(dǎo)入,并賦予對應(yīng)的屬性如：鑄件型腔、內(nèi)澆口、流道、壓室澆口杯、渣包、冒口、堵頭、升液管、澆口、過濾網(wǎng)、冷卻系統(tǒng)、沖頭、模具、附件、管道(動模)、料餅等，然后根據(jù)需要設(shè)置模具和求解域。</p><p>　?。?）網(wǎng)格劃分：由于本發(fā)動機(jī)缸體壓鑄件的型腔、澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)整體的形狀和結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，存在薄壁區(qū)域，整體采用均勻網(wǎng)格劃分，具體方向采用細(xì)分網(wǎng)格或則采用可變網(wǎng)格。</p

63、><p>　　（3）基本過程設(shè)置：任務(wù)設(shè)計、目標(biāo)工藝、分析類型、鑄件使用材料、模具使用材料，冷卻介質(zhì)、傳熱系數(shù)；材料設(shè)置：設(shè)置材料屬性；初始值條件：初始條件、求解域邊界條件；熱傳導(dǎo)模型：鑄件和模具之間的傳熱系數(shù)參數(shù)、模具和模具傳熱系數(shù)參數(shù)、鑄件和外界空氣傳熱系數(shù)參數(shù)、模具和外界傳熱系數(shù)等；澆口條件：倒流控制、熱條件、充型條件；重力設(shè)置：方向設(shè)置；壓鑄機(jī)參數(shù)：壓室參數(shù)包括沖頭直徑、壓室長度、壓室充滿度等。</p&

64、gt;<p>　　循環(huán)條件設(shè)置、合模時間參數(shù)、等待時間參數(shù)、冷卻通道工作溫度區(qū)間大小、脫模劑噴涂時間參數(shù)、吹氣時間等。</p><p>　　（4）可選模塊選擇:收縮模型：材料設(shè)置、體積收縮率、參數(shù)化模型、重力縮孔模型；流體流動模型：表面張力、附壁模型、紊流模型；微觀組織模塊：確定性模型、參數(shù)化模型；偏析模型；半固態(tài)模型：有效粘性模型、冪率模型等；氧化夾渣模塊：常溫、變溫設(shè)置；循環(huán)工藝模塊:循環(huán)、事件

65、；真空和出氣口：不斷流出、暴露在環(huán)境中、用戶自定義壓力；背壓模型；重力傾轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度；大型鑄件：快速流動、發(fā)熱、二次澆注；壓室模型：壓室、熔體-裝載、壓射、活塞；檢測模型：粒子追蹤、模具侵蝕。</p><p>　　（5）設(shè)置儀器：傳感器、管道、澆口杯、開關(guān)、升液管、過濾網(wǎng)</p><p>　?。?）求解方法設(shè)置：求解目標(biāo)、求解器類型、迭代目標(biāo)、迭代方法、松弛因子、收斂判據(jù)

66、、最大迭代步、對流項、時間步長率、滑動系數(shù)、充型結(jié)束判據(jù)；結(jié)束和輸出條件:充型率、凝固率、時間、最高溫度。</p><p>　　2.2.2模擬結(jié)果分析</p><p>　　本發(fā)動機(jī)缸體壓力鑄造充型數(shù)值模擬分析結(jié)果主要內(nèi)容如下：</p><p>　　（1）充型速度分析：判斷澆注系統(tǒng)及鑄件型腔不同區(qū)域的充填速度分布情況，特別是內(nèi)澆口和易形成缺陷的地方速度切換是否合理。&

67、lt;/p><p>　　（2）充型時間分析：根據(jù)鑄件型腔各個部位的充填時間點(diǎn)、觀察充填順序、可能出現(xiàn)卷氣和夾渣的部位，以及觀察低速階段速度和高速速度的交換點(diǎn)等。</p><p>　?。?）氧化夾渣分析：通過判斷熔體與空氣接觸的時間，來判斷氧化夾渣產(chǎn)生的部位的概率。</p><p>　?。?）卷起分析：分析缸體鑄件型腔在充型過程中所受氣壓阻力情況。</p>

68、<p>　?。?）紊流分析：分析預(yù)測充型過程中產(chǎn)生紊流的具體部位和情況。</p><p>　　發(fā)動機(jī)缸體壓鑄凝固過程熱分析包括以下內(nèi)容：凝固時間、凝固順序、溫度梯度、界面移動速度倒數(shù)、冷卻率、局部凝固時間、固相分?jǐn)?shù)等值線曲率、殘余熔體模數(shù)、殘余熔體體積、殘余熔體表面積、組合缺陷參數(shù)、概率缺陷參數(shù)；微觀組織預(yù)測：形核密度、晶粒尺寸和二次枝晶臂間距；力學(xué)性能預(yù)測：維氏硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率。</p&g

69、t;<p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　根據(jù)angcasting軟件對壓鑄模具結(jié)構(gòu)、型腔結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果，直接利用NX10.0三維造型軟件進(jìn)行整體模具結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體造型和其他裝配設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容和步驟如下：模具整體模架設(shè)計：主要包括動模固定板結(jié)構(gòu)、動模模板、定模模板、模板導(dǎo)套、模板導(dǎo)柱、動模模座等部件，定位及固定結(jié)構(gòu)設(shè)計;模

70、具成型部分設(shè)計：主要包括動模型芯、定模型芯、動模鑲塊、定模鑲塊、澆注系統(tǒng)鑲塊、溢流系統(tǒng)鑲塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸計算、固定和定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計;頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計：其中包括頂桿的選用、頂針板的尺寸計算、頂針底板的尺寸計算、頂板導(dǎo)柱和導(dǎo)套的固定方式;側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計：其中包括側(cè)抽芯的抽拔力的計算、側(cè)抽芯的位置、側(cè)抽芯距離的計算、滑塊的尺寸設(shè)計、側(cè)抽芯和滑塊的緊固方式等內(nèi)容。</p><p>　　3 缸體壓鑄過程的數(shù)值模擬</p

71、><p>　　3.1 數(shù)值模擬前處理</p><p>　　3.1.1 三維模型建立</p><p>　　缸體三維模型的建立：本是某汽車發(fā)動上的零件，簡化的三維實(shí)體模型如圖3.1所示，大致是由4個直列汽缸體和半圓柱體曲軸箱結(jié)合成一體的整體壓鑄件，此缸體的材料為ADC12的鑄造鋁合金，每個直列缸筒都要加鑄鋼缸套。壓鑄缸體鑄件的輪廓為340mm×240mm×

72、;320mm,鑄件質(zhì)量大約為4.35kg（不包括澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)）,平均的壁厚為5mm，最大壁厚處約為20mm。</p><p>　　圖3.1 壓鑄缸體的三維實(shí)體模型</p><p>　　參考設(shè)計手冊完成的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的三維模型結(jié)構(gòu)如圖3.2所示,其中分型面為缸體的最大橫截面處，型腔成型部分大部分位于動模部分，曲軸內(nèi)腔位于定模部分，四周外側(cè)成型部分由四個側(cè)抽型芯鑄出。其中澆注系統(tǒng)位

73、于鑄件長邊的一側(cè)，設(shè)有4個橫澆道，4個內(nèi)澆口，其中內(nèi)澆口總截面積為1125mm。料餅的厚度為30mm，料餅的直徑為140mm，澆注系統(tǒng)總體積為1369500mm，排溢系統(tǒng)總共設(shè)有15處集渣包，總的排溢系統(tǒng)總體積為358500mm。</p><p>　　圖3.2 anycasting模擬的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.1.2 網(wǎng)格劃分</p><p>　　AnyM

74、ESH是高性能的有限元前處理軟件，能大大縮短CAE的時間及成本，用它可以建立有限差分模型，觀察計算結(jié)果和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。它可以讓工程師在高度交互及可視化環(huán)境下驗證各種設(shè)計條件。AnyMESH的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，并且直接輸入CAD幾何模型和已有的有限元模型，減少重復(fù)性的工作，具有更快的處理速度、適應(yīng)性和可定制性，能形象的表現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)果。</p><p>　　3.1.3模擬參數(shù)設(shè)定</p><p

75、>　　材料屬性設(shè)定：壓鑄鋁合金采用ADC12合金生產(chǎn)。屬于AL-Si-Cu系合金。該系列合金具有良好的鑄造性能，強(qiáng)度高，塑形好，能夠滿足缸體外觀、尺寸精度等要求。ADC12合金成分見表3.1。</p><p>　　表3.1 ADC12合金化學(xué)成分</p><p>　　ADC12熱物性能參數(shù)：密度2.7g/cm；比熱0.22 cal/g℃;熱導(dǎo)率0.21978 cal/scm℃液相線溫

76、度580℃，固相線溫度515℃；潛熱 92.90cal/g；動態(tài)粘度0.0108g/cms；凝固收縮體積變化7.14%。</p><p>　　初始條件和邊界條件設(shè)定：由于缸體及其模具復(fù)雜，鑄件與模具、模具與空氣界面換熱現(xiàn)象明顯。其換熱系數(shù)范圍如表3.2所示。</p><p>　　表3.2界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)范圍（單位W/mK）</p><p>　　鑄件與模具之間的最大界面換

77、熱系數(shù)為2700W/m·K,鑄件與缸套間的界面換熱系數(shù)同上。上下模具之間，由于結(jié)合不是很緊密，其界面系數(shù)必然減少，所以界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必然減小，所以賦值為100W/m·K。壓室入口澆注溫度預(yù)設(shè)位650℃；模具預(yù)熱的溫度設(shè)置預(yù)為200℃。壓鑄的壓力預(yù)設(shè)為1000bar；水冷溫度預(yù)設(shè)為20℃；沖頭低速預(yù)設(shè)為0.3m/s,高速預(yù)設(shè)為3.9m/s；低速到高速的轉(zhuǎn)切換換點(diǎn)預(yù)設(shè)在580mm處；留模時間3s；充頭的直徑為140mm；壓

78、室總長度為800mm，壓鑄充滿為70%。</p><p>　　設(shè)置傳感器檢測點(diǎn)：在澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口和遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)中的邊緣點(diǎn)處設(shè)置檢測點(diǎn)，設(shè)置求解方法：充型和凝固求解方法如表3.3。</p><p>　　表3.3充型和凝固模擬求解方法</p><p>　　按以上條件設(shè)置模擬條件，將設(shè)置的結(jié)果導(dǎo)入到anySLOVER中求解，將求解得到的結(jié)果導(dǎo)入到anyPOST中進(jìn)行結(jié)果分

79、析。</p><p>　　3.2充型過程的模擬分析</p><p>　　3.2.1充型過程的流動分析</p><p>　　Angcasting進(jìn)行充型過程的流動及充型順序分析可以來判斷模具型腔充型的合理性，排溢系統(tǒng)是否有效，以及可以觀察合金液在充填的過程中是否出現(xiàn)卷氣 的現(xiàn)象。圖3.3是此壓鑄缸體的充填流動順序的數(shù)值模擬結(jié)果</p><p>

80、　　圖3.3壓鑄缸體的充型順序示意圖</p><p>　　分析圖3.3可以發(fā)現(xiàn)：金屬液由低到高順序充型，當(dāng)充型至50%左右時，中間的液面明顯高于兩側(cè)的液面，由于中間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的阻隔，中間液面未能及時和兩側(cè)液面匯集，極有可能在此處產(chǎn)生卷氣，所以此時工藝參數(shù)應(yīng)還設(shè)置為低速區(qū)，當(dāng)充型至80%時，可以發(fā)現(xiàn)液面已經(jīng)匯集，且可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)液面高于外側(cè)液面，可預(yù)測到最后充型的地方是靠近分型面的一側(cè)。圖3.4可以為觀測卷氣和紊流結(jié)果

81、示意圖</p><p>　　圖3.4 在充型過程中不同階段產(chǎn)生的卷氣示意圖</p><p>　　（a）充型50%時的卷氣情況 （b）充型80%時的卷氣情況</p><p>　　分析圖3.4可以發(fā)現(xiàn)：通過圖可以發(fā)現(xiàn)，開始充型到50%時，澆注系統(tǒng)兩側(cè)的澆注區(qū)域產(chǎn)生卷氣的可能性較大，當(dāng)充型到80%時，上部靠近右側(cè)集渣包產(chǎn)生卷氣缺陷，通過充型順序預(yù)測，上部靠近左側(cè)集渣包應(yīng)該

82、是鑄件最后充型的地方。</p><p>　　結(jié)合以上分析可以得出：液體金屬液由澆注系統(tǒng)分5股充填型腔，由下而上，由里向外，先填充中間部分，金屬液在缸體的中上部相遇，未了避免出現(xiàn)氧化夾渣的缺陷，應(yīng)該在金屬液充填完復(fù)雜結(jié)構(gòu)后，再將沖頭速度設(shè)置為高速。通過充型順序和卷氣順序發(fā)現(xiàn)，澆注系統(tǒng)的位置和方向基本合理，集渣包的位置設(shè)置也基本合理。</p><p>　　3.2.2充型過程的速度分析</

83、p><p>　　圖3.5是壓鑄件的充型時間的模擬結(jié)果示意圖。由圖可知，在充型的開始，充型的體積隨時間均勻上升，基本保持低速階段的速度充型；當(dāng)在充型到80%時，充型的速度急劇增長，說明在充型到80%后，檢測點(diǎn)速度為高速階段，所以此時為高速壓射階段。通過整體的充型速度分析發(fā)現(xiàn)，充型先由外向內(nèi)，當(dāng)內(nèi)側(cè)液面上升到一定高度時，充填進(jìn)入高速階段，整體鑄件沖型速度比較合理，速度切換設(shè)置基本合理。</p><p&

84、gt;　　圖3.5壓鑄件的在充型過程中的充型時間的模擬結(jié)果</p><p>　　圖3.6為充型階段界面的移動速度分布示意圖</p><p>　　3.2.3充型過程的壓力分析</p><p>　　由于在壓鑄充型過程中，整個模具的型腔中仍然還有各種殘余氣體的存在，金屬液在充型過程中會受到這些氣體的壓力，會導(dǎo)致充型過程受阻。而通過充型過程中的空氣壓力的分布情況（圖3.7）

85、，基本可以預(yù)測到型腔在充型過程中，排氣不暢的部位和階段。</p><p>　　圖3.7 在充型過程和充型完成后的壓力分布圖</p><p>　　通過圖3.7可以發(fā)現(xiàn)，在充型過程中，缸體鑄件整體的氣壓是比較低的，其中氣壓比較大的地方是頂部的集渣包處和邊緣的地方。因此這些地方容易產(chǎn)生氧化夾渣和氣孔的缺陷。對于充型完成后的壓力分布可以發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)頂部和部分集渣包處的氣壓明顯偏高，對于這種情況可以修

86、改兩側(cè)出的集渣包的位置和設(shè)計參數(shù)。</p><p>　　3.3凝固過程的模擬分析</p><p>　　運(yùn)用anycassting進(jìn)行壓鑄件凝固時間的模擬分析可以觀察到不同部位的凝固時間，仔細(xì)觀察和分析最后的凝固部位和時間，也可以判斷壓鑄的參數(shù)設(shè)置的是不是合理。</p><p>　　3.3.1凝固時間分析</p><p>　　通過對圖3.8的觀

87、察，可以發(fā)現(xiàn)鑄件的整體凝固時間分布比較均勻，整體的凝固時間在10-20s范圍之內(nèi)，其中缸套和中心處壁厚較厚，凝固時間比較長，在30s左右。因此可以設(shè)置留模時間為35s左右。</p><p>　　圖3.8充型完成后的凝固時間分布</p><p>　　3.3.2冷卻速率分析</p><p>　　通過在模擬中設(shè)置傳感器，可以檢測壓鑄件在凝固的過程中，不同點(diǎn)的溫度變化情況，

88、表3.4為不同測溫點(diǎn)的編號。</p><p>　　圖3.9充型完成后的整體的冷卻率</p><p>　　圖3.11為壓鑄缸體的不同測溫點(diǎn)，在凝固的過程中，溫度隨時間的變化曲線。從中可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1相對于其他的測溫點(diǎn)溫度下降比較慢，而點(diǎn)2，溫度下降較快，較快的下降到固相線以下，通過比較這些點(diǎn)的位置可以發(fā)現(xiàn)，下降比較快的點(diǎn)位于遠(yuǎn)離澆口的邊緣區(qū)域，而澆滿凝固的點(diǎn)位于澆口區(qū)域，且壁厚較大，由于遠(yuǎn)離澆注

89、系統(tǒng)的邊緣區(qū)域遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)，會首先凝固，這說明這個缸體壓鑄的模擬結(jié)果：邊緣區(qū)域先凝固時正確的結(jié)果。</p><p>　　表3.4 不同測溫點(diǎn)的編號</p><p>　　圖3.11不同檢測點(diǎn)的冷卻曲線</p><p>　　3.3.3凝固缺陷分析</p><p>　　這個壓鑄件的主要缺陷為縮孔、縮松，作為像缸體這樣的耐壓件，縮孔和縮松是影響壓鑄件

90、的質(zhì)量的典型缺陷。所以分析縮孔和縮松缺陷是判斷壓鑄件合格率的和使用性能的重要環(huán)節(jié)。在Anycsting軟件中預(yù)測縮松缺陷位置原理主要依靠殘余熔體模數(shù)分析，殘余熔體模數(shù)預(yù)測縮松的理論基礎(chǔ)主要是基于孤立熔體的大小。殘余熔體的相對表面積越小，殘余熔體的體積越大，這樣產(chǎn)生的孤立熔池越有可能產(chǎn)生缺陷，所以殘余熔體模數(shù)越大就越有可能產(chǎn)生缺陷。</p><p>　　圖3.12 殘余熔體表面積和殘余熔體體積</p>

91、<p>　　圖3.13殘余熔體模數(shù)</p><p>　　可以發(fā)現(xiàn)，殘余熔體表面積小的地方位于鑄件中心部位和澆注系統(tǒng)部位，但是殘余熔體體積大的地方位于壓鑄件的邊緣區(qū)域，壓鑄鑄件的中心部位和澆注系統(tǒng)的部位殘余熔體體積也相對較小，所以在缸體壓鑄件的整體殘余熔體模數(shù)分布圖可以看出，鑄件整體的殘余熔體模數(shù)比較均勻分布，基本為0.6左右，因此采用這種澆鑄系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)設(shè)置可以得到比較好的鑄件質(zhì)量。</p&

92、gt;<p>　　圖3.16 概率缺陷參數(shù)</p><p>　　通過概率缺陷的分析也可以看出，鑄件整體基本無缺陷，概率缺陷最高的地方位于料餅的部位，而這個部位基本也是最后凝固的部位，易于去除，因此這種模擬參數(shù)設(shè)置比較合理。</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　(1)采用目前的壓鑄工藝方案，可以預(yù)

93、測到這個缸體壓鑄件中部和靠近澆口的部位會有較大的可能產(chǎn)生縮孔等缺陷；通過以上的數(shù)值模擬分析也能輕易觀察到，中心靠上的部位在充型過程中也有可能產(chǎn)生紊流和卷氣情況。在凝固過程中，整體的補(bǔ)縮通道還算比較暢通，在澆口處也有縮孔缺陷且比較集中。</p><p>　　(2)采用目前設(shè)計的壓鑄工藝方案，缸體壓鑄件在內(nèi)外表面和集渣包處在充型和凝固前后會出現(xiàn)氣孔和夾渣等缺陷；通過以上的模擬分析結(jié)果也能容易觀察到，在缸體兩側(cè)上部在充

94、型過程中最后會有較大的氣壓，突出部分的排氣也不是很順暢，所以遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的邊緣部位會和空氣有較長時間的接觸，所以這些部位有較大可能產(chǎn)生氧化夾渣等類型的缺陷。</p><p>　　(3)采用目前設(shè)計的壓鑄工藝方案，通過數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，壓射沖頭低速和高速壓射切換的位置設(shè)置也比較合理、在液體充型到缸筒上部的時候才進(jìn)行高速切換，可以有效避免在復(fù)雜部位產(chǎn)生卷氣和紊流等充型缺陷。</p><p>

95、;　　(4)采用目前設(shè)計的壓鑄工藝方案，通過以上的數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，這個鑄件在凝固后該靠近鑄件中部的位置晶粒尺寸較大，這樣得到的組織致密度就會相對較低，產(chǎn)生缺陷的可能性也會相對較大，在耐壓測試過程中，這些部位就非常影響鑄件的合格率。</p><p>　　過以上的模擬分析結(jié)果，初步給出以下簡單的工藝改進(jìn)建議：在鑄件中部部位增加水道的直徑也可以增加點(diǎn)冷卻等局部冷卻方式。并且可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)解澆注溫度和模具預(yù)熱的溫度，

96、提高補(bǔ)縮效果和凝固效果。適當(dāng)提高本壓鑄缸上部外側(cè)集渣包通道的厚度，適當(dāng)提高上部的排氣狀況。為了改善凝固條件，也可適當(dāng)延長壓鑄件在壓鑄完成后再模具中的留模時間。也可適當(dāng)調(diào)整的壓射沖頭在高壓射時的壓射速度，并且適當(dāng)調(diào)整壓著沖頭高／速壓射速度切換點(diǎn)的位置，使其調(diào)整到更加合理的位置。</p><p><b>　　4 壓鑄模具設(shè)計</b></p><p><b>　　

97、4.1引言</b></p><p>　　壓鑄模具設(shè)計依據(jù)：缸體壓鑄件的壁厚不均勻，但要求輪廓清晰；尺寸穩(wěn)定性好、一致性好，裝配互換性好；工件非裝配的地方精度要求低，故無需過多額度機(jī)加工即可進(jìn)行裝配；組織致密，具有較好的機(jī)械性能；生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。壓力鑄造鑄件的組織致密性，金屬流動性僅次于擠壓成型。壓力鑄造時由于急冷造成鑄件表面硬化，形成約0.3mm至0.5mm的硬化層，表現(xiàn)出較好的耐磨性。壓力鑄

98、造生產(chǎn)的生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，一次操作循環(huán)時間約為20s～3min，適合大批量的生產(chǎn)。綜上所述，壓力鑄造在滿足使用性能要求下的前提下所需成本較低，周期短，合格率高，所以比較合適。</p><p>　　壓鑄模具設(shè)計內(nèi)容:壓鑄模具主要由動模和定模兩個主要部分組成，定模固定在壓鑄機(jī)壓室一側(cè)的定模座板上，是金屬液幵始進(jìn)入壓鑄模型腔的部分，也是壓鑄模型腔所在的部分之一。定模上有直繞道與壓鑄機(jī)的料筒相連接。動模通過數(shù)個壓塊

99、固定在壓鑄機(jī)的動模座板上，動模跟著動模座板的前后移動完成開模與合模動作。壓鑄模具設(shè)計主要包括成型零件設(shè)計如型芯和鑲塊的設(shè)計、模架的設(shè)計、抽芯機(jī)構(gòu)和推出機(jī)構(gòu)設(shè)計等幾部分。成型零件設(shè)計主要包括型芯、鑲塊；模架設(shè)計主要包括動模板、定模板、頂針板和頂針底板、模座和其他附件等部分。</p><p>　　4.2 壓鑄機(jī)的選擇</p><p><b>　　4.2.1鑄件分析</b>

100、</p><p>　　缸體的零件圖見圖4.1，結(jié)合設(shè)計手冊確定鑄造技術(shù)要求：</p><p>　　(1)缸體的鑄件處理要求，基本無鑄造缺失、表面無留痕、表面無氣泡，其中不要求加工的表面粗糙度為Ra6.2。</p><p>　　(2)鑄件壓鑄結(jié)束時，整體變形量小，使用過程中震動噪聲小，并且具有足夠的強(qiáng)度和剛體，其中力學(xué)性能要求（抗拉強(qiáng)度達(dá)到240MPa、布氏硬度HB7

101、4、延伸率大于1%）。</p><p>　　(3)缸體需要進(jìn)行時效處理，在溫度250-280的保溫3h以上，出爐后空冷。</p><p>　　(4)由于缸體為耐壓件，壓鑄件需要保證有一定的耐壓性，具體參數(shù)要求為在0.5MPa的壓力下，超過1min以上的時間不漏氣。</p><p>　　(5)缸體壓鑄件的內(nèi)部件的要求如下：用X射線檢測或通過鑄件剖切面去觀察，其中沒有無

102、肉眼可以觀察的氧化夾渣和氣孔、無縮孔和縮松、組織成分基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。</p><p>　　圖4.1 壓鑄零件圖</p><p>　　4.2.2 壓鑄機(jī)的類型</p><p>　　壓鑄機(jī)一般分為熱室壓鑄機(jī)和冷室壓鑄機(jī)兩大類。冷室壓鑄機(jī)按其壓室結(jié)構(gòu)和布置方式分為臥室壓鑄機(jī)和立室壓鑄機(jī)兩種。熱室壓鑄機(jī)壓室浸在保溫溶化坩堝的液態(tài)金屬中，壓射部件不直接與機(jī)座連接，而是裝