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镁合金汽车零件压铸模具设计与数值模拟研究


国内图书分类号:TG244

工学硕士学位论文

镁合金汽车零件压铸模具设计与 数值模拟研究

硕士研究生:
导 师:

马秋 于彦东 工学硕士

申请学位级别: 学科、专业: 所在单位:
答辩日期:

材料加工工程 材料科学与工程学院

/>2005年3月

授予学位单位:

哈尔滨理工大学

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CAD/CAE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CAD/CAE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
CAD/CAE的集成。 本文重点进行了镁合金汽车零件压铸模CAE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 Pro/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 ProCAST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Pro/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

STUDY OF

NUMERICAL SIMULATION AND

DESIGN oF DIE.CASTING MOULD FOR

MAGNESIUM

VEHICLE

Pf埘S
demanding

After analyzing the distance between domestic die?casting mold C^D|CAE techniques and the world‘S most

advanced

ones,and problems
an

prompt solution in this field,the author suggests

idea of integrated die-casting


mold CAD/CAE,and wants to practice the idea for Shell-Gear-Change-Lever with actual example. The research is mainly casting mold CAE and
on

typical die—casting part-

the realization of Shell—Gear-Change—Lever



die-

the

establishment of standard mould bases.First.

according to the specific solidification property of magnesium alloys opacity of the metal

and

the

mould,the solid feature and the surface mesh of the
to

magnesium die casting was made through the Pro/E.PrOCAST was used
simulate physical properties of the

Shell-Gear—Change—Lever



mold

filling

process.The corresponding results show that the mainly defects during casting

are air holes and shrinkage with using die-casting techniques

to manufacture the

Shell-Gear—Change—Lever.The formation of air holes could be attributed to that the air could not be successfully discharged from the die.Thus,the air iS

engulfed and extruded into the casting by the alloy melt with high pressure and flowing speed,then the air inside casting air holes.The

congregates

and finally becomes the the decrease in

appearance

of the air holes

would lead to

mechanical properties and gas tightness of Shell—Gear—Change—Lever.Modified

projects

of gating systems

and flooding systems for

die—casting mold

were

proposed according to the simulation result.11le related models were rebuilt the simulation was carried out again.The optimum result shows that


and

project

was

achieved.ne

great improvement

can

be achieved and the quality of the

Shell-Gear—Change??Lever.This implies that the computer simulation techniques
.U.

=耋玺鎏曼三态兰王主要圭兰堡竺耋
possess


satisfactory capability of reproducing the actual die—casting process and

significance in guiding die-casting process Based
on

design.
functions,an analysis standard
was made to

the Pro/E and its relative

abstract the common characteristics of the standard mould bases of die-casting

moulds and make clear the

structure of the

mould.base database.A 3D

database of the standard mould bases of die-casting moulds was established.An example of mould design illustrated the standard mould-base database has very well practicability when the database moulds.

Was used in the design of die—casting

Keywords

magnesium

alloy;die-casting;numerical
database

simulation;optimize

design;standard mould—base

.111.

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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--43 o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43-45万吨,且每年增长率高达20%。预计 到2005年,国际镁消费量将达到55万吨左右“”。

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50%、欧洲市场约占25%、亚太地区市场约 占16%、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。1982年至1992 年,北美的压铸镁合金用量持续增长,平均年增长达19%,估计90年代其年 增长保持在15%。20%。其中增长最快的是压铸件,占70%~80%“““。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1997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Hydm公司签定
了应用镁合金压铸件的协议。福特公司也于1997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Lindberg 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

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镁合金赛车离合器片与汽车传动零件”“。康柏公司fCOMPAQ)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20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Alumax金属公司和Thixmat 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——Hydro公司。随着镁合金应用领域的不断扩大,1995前后由加拿大联
邦政府及魁北克省与Hydro公司共同投资1140万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2006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2500万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。“。90年代以来,德国在镁合金压铸领域一直处于世 界领先地位。1997年,德国又由联邦科技教育部fameF)牵头,联合大众汽车

公司等50余家企业和慕尼黑工业大学等6所大学及研究所,投资2500万马克
进行了一项为期3年的“MADICA”(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 IDRA700吨热室压铸机,年产50万个镁合金压铸件。瑞士的Buhler公司,用
18000

KN的压铸机制造出半固态镁合金优质压铸件。另外,意大利WEBER

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,80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6500KN,13000
铸机,为大型镁合金零件提供生产手段。“。

KN和18000 KN等三种压

新加坡Gintic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

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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90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22.5%。到2001年底,全 国共拥有50余家镁生产企业,年产能力仅达10万吨。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。2002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3C产品超过500万件。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12%的速度增长,年产量10万吨。…。 台湾省镁合金压铸发展如火如茶,1993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。1998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

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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[31-32]。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90%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1932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1937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1944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。

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表1.1铝镁及锌的热焓比较
Table 1-1 Enthalpics of the AI and

Mg

and Zn

材料 比热容(J?c吖?℃) 凝固潜热(J?crn-) 工作温度(℃) 凝固温度(℃)


2.60 1026 630 580 380 1156 1675 2721


1.88 662 630 580 340 756 1208 1884


2.76 657 420 370 230 795 1182 1813

铸件推出温度(℃)
从工作温度到凝固温度热焓(J?c/n,) 从工作温度到推出温度热焓(J?cnv) 从工作温度到0℃的热焓(J?cnt,)

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65%。 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GD-MgAl9Znl与GD.A1Sil2Cu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,25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Clausius.Clapeyron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0.006℃/0.1MPa,当充型压力为50MPa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H2。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

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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Be和ca。加入 Ca的阻燃机理是,氧化膜的上层是富Ca区,由CaO组成,其下层是MgO?CaO 混合膜,CaO层的厚度与暴露时间无关,MgO.CaO层随时间增厚,含ca的氧 化膜阻止氧渗入镁液并阻止Mg的挥发,从而提高了燃点““。Bc的阻燃机理 是,空气中的氧将通过MgO膜进一步与镁合金进行反应。而此时与MgO接触 的Be开始与O,MgO发生反应,反应的生成物将与最先反应生成MgO组成复 合膜,从而增加了表面膜的致密度,起到阻燃的作用。zn也可作为在镁熔体上

形成致密的覆盖层的元素,上限取15%,否则,会导致铸件产生热裂C42]。但Be
不能完全阻止镁的燃烧,因此熔炼时还须使用sF。气体保护,但sF。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MgCh、KCI及NaCl所组成的低熔点 共晶混合物,添加约20%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Mg产生反应的,为了防止Mg的蒸发, 加入少量S02,BF2可以阻止N2和加处理下Mg的蒸发。氮气能阻止燃烧,与
Mg缓慢反应,产生粉末状MgaN2膜,其所提供的防护温度为650"C以下,如果处 于此温度以上,Mg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Mg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

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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21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“”。 1.3

CAD/CAE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

cAD,CAE)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CAE研究与开发起步于60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(user friendly),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

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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MAGMA软件和美国的 ProCAST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CAD软件如UG、PRO/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。ProCAST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
PC机上开发的一些软件是不能与通用CAD软件PRO/E等相比的。尤其是国

内在CAE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CAE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cAD/CAM/CAE软件,结合实际情况,补充数据库并作 二次开发,实现CAD/CAM/CAE一体化,定能提高应用CAD/CAM,CAE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

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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 CAD/CAE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Pro/E建立模具标 准件数据库和压铸模具设计,采用ProCAST进行计算机数值模拟,完成Pro/E

与ProCAST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Pro/E对零件进行三维实体造型。还要用到Pro/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ProCAST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。

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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(Finite
Element Difference

Method)、有限元法(Finite

Method)、边界元法(Boundary

Element Method)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

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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FDM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.Reynolds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

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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。
2.2.1

SOLA.VOF数学模型

最初的SOLA.vOF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,SOLA-VOF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Navier-Stokes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:

百"i州面+wi叫li+矿+可J 詈+p誓+v詈+w詈-Ⅱf警+斋+軎1
对于不可压缩流体,速度必须满足连续性方程:

u。1’ czm

竺+煎■+堕■+煎■;o
速度随时间变化,由Ⅳd方程确定:

(2.2)

p(等吧誓嵋詈+vz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,c2埘
p(等¨誓嵋等叱誓)一一芸+叩(警+等+≥)+偌:cz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/m2); P——压力(Pa)
要求解上述方程,首先要进行离散处理,离散后采用SOLA法求解压力场 和速度场,用VOF法进行自由表面处理。Navier.Stokes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。
2.2.2

k-s双方程紊流模型

在各种时均方法中,k-F双方程紊流模型的应用最为普遍。这个方程组不 是封闭的,因为其中表征紊流脉动71起的动量、质量及能量输运的二阶关联项 都是未知的。紊流模拟的任务就是通过表达式或输运方程来寻找这些未知关联 项,使方程封闭。采用k.s双方程模型比层流模型更接近于实际充型过程,而 且较为简单,易于应用。本文即采用k.£双方程模型进行计算。紊流动能k和紊 流动能耗散率F由下面的方程来确定:

瞬态紊流能量守恒方程:

望+u,罢.三}竺一p面|+O(2-6)
紊流动能k方程



。缸,P

Ox小p Oxs一』

詈也善一吉毒h堕o,11纠缸jI+-IpZt h[OUi-+-O帆Us]一OU.…cz∽
紊流耗散率s方程

詈川考‘吉毒忙笠u.1J到axsI-cz七ltteh[OUz"+O%Ui]hOUj~!≠cz∽
以?c。。P’k2/£
式中阢——xi方向时均速分量; U——x。方向时均速分量; c,——模具材料的比热; A——导热系数;
(2-9)

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P耳。r——紊流热通量; cl,c2,c。,吼,盯,——紊流经验参数,数值如表2—1所示…:
表2.1 k.F双方程模型中的经验参数值
Table 2-1 Experiential value ofthe k-e
CⅣ C1 C2

double equations
ork

盯5

O.09

1.44

1.92

1.0

1.3

方程(2—7),(2-8),(2-9)构成了完整的k.£双方程紊流模型。

2.3自由表面的处理
自由表面的处理是压铸充型过程数值模拟的难点之一。可采用一种简化的 三维VOF方法,引入体积函数,有效地实现了对自由表面的处理。体积函数如
下:

堡+旦“,,).0
at ax?‘。+

(2.10)

F=1为体积函数,当时表示充满状态;当F:-O时表示空格状态;当0<F <1时这表示自由表面。

2.4压铸边界条件
2.4.1速度边界条件
固壁的速度边界条件按自由滑移边界处理,即切向速度等于内单元同向速 度,垂直于固壁的速度为零。

2.4.2传热边界条件
对于金属}夜、模具和空气之间的传热边界条件,用F式表不:

A矧。咄"碱
式中罢l——边界法向温度梯度;
.Il,——为边界换热系数: r,+,r,一——界面两边的温度

(2-11)

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2.5方程求解
现在一般有两种求解方法:sIMPLE和美国Us Alamos实验室提出的SOLA

方法,目前,铸件充型过程流场数值模拟流场常采用这种方法。SOU方法是
首先对偏微分方程组在时间和空问进行离散,采用了交错网格技术““。对连续 性方程采用中心差分格式进行离散,对动量方程、k。s双方程和能量方程中的 对流项采用上风格式离散,传导项或扩散项采用中心差分格式。对体积函数方 程的求解采用旋体一受体流率近似法处理。 模型求解时,首先用SOLA-VOF法求解动量方程、k.g双方程和连续性方 程,得到流场的速度变量和压力变量在时间和空间上的分布;然后利用VOF法 求解体积函数方程,得到流场自由表面的变化情况。在同一时间步长内,将前 面求出的速度场代入能量方程,求解整个流场域(含模具)的温度场分布。累 加一个时间步长,重复前面的步骤,直至充型完毕。

2.6本章小结
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。 本章针对这些问题,从凝固与压铸充型过程的基本特点出发,分析了常用 的数值计算方法及关键技术:有限差分法(Finite
(Finite ElerⅡeⅡt Method)、边界元法(Boundarv

DiStance Meted)、有限元法

B锄ent Method)等。

本章还分析了紊流模拟的采用的数值计算方法:完全模拟、大涡旋模拟、 Reynolds时均方程法。介绍N.S方程和k.£双方程两种模拟铸件充型的数学模 型,描述了数值模拟计算的一般过程,并确定本文采用k-F双方程模型进行计 算。 铸造过程的数值模拟在铸件成型工艺和模具计算机辅助设计方面具有巨大 的潜力,随着铸造理论、计算方法和计算机技术等的发展,将不断的从研究走 向应用,成为应用于生产实际的有效科学工艺分析方法。

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第3章换档壳体初始压铸工艺参数的确定
换档壳体初始压铸工艺参数主要是根据压铸件的基本参数和所选压铸机型 号确定的。

3.1压铸件的基本参数
本文的压铸件三维实体和模具的设计和参数获得均借助于Pro/E软件。

Pro/Engineer软件是美国PTC公司(参数技术公司)推出的机械CAD/a蝴一
体化集成软件,它突破了以往很多CADj,CAM的局限性,具有全数化、全相 关、单一数据模型、特征设计等许多特点。Pro/Engineer所有功能模块均建立 在单一数据库之上,具有单一的数据结构““,各功能模块如三维、二维、加 工分析此相关,成为一个集成化的系统。这种相关性也进一步提高了各工程间 的并行度,使设计项目的进度进一步缩短成为可能。同其他大型CAD/CAM软 件一样,Pro/Engineer由许多模块组成,覆盖设计、分析、数控加工各个领

域。各模块之间集成紧密,可根据用户的需求灵活配置。另外,Pro/Eng"lleCr
有比较完整的输入输出接口,可与多种软件以多种格式进行数据交换。 压铸件的三维实体造型如图3-1所示。具体数值如下:长×宽×高为112× 80×35(nunXmillXmm),平均壁厚为4.21mm,材质为AZ91B镁合金,密度 为1.8 g/era',单件质量1809,压铸件在分型面上的最大投影面积估算为
7942mm2。

图3—1压铸件的三维实体造型
Fig.3-1 The solid model of die casting

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3.2压铸机的选用
根据压铸件的结构、材质、技术要求及验收条件等采用合理的压铸工艺, 设计、制造优良的压铸模并合理选用压铸机,是生产合乎要求的优质压铸件的 前提。

3.2.1确定比压
比压是确保压铸件质量的重要参数,根据合金种类并按铸件特征及要求选 择,如表3—1所示“1。由于汽车换档壳体镁合金件需要承受一定的冲击,故确 定比压为60MPa。
表3.1比压推荐值
(MPa)
Table 3-1 Recommended value of specific芦esmre

锌台金 一般件 承载件 耐气密性件
13~20 20~30 25~40 20~30

铝合金
30~50 50~80 80~120

镁合金
30~50 50~80 80~100

铜合金
40~50 50~80 60~100

电镀件

3.2.2确定压铸机的锁模力
根据铸件结构特点、合金及技术要求选用合适的比压,结合模具结构的考 虑,估算的投影面积,按公式(3.1)求得胀型力后乘以安全系数肛便得到压铸 该压铸件所需压铸机的锁模力:
F*>k(F{+F H)

(3—1)

式中艮一压铸机的锁模力(kN);
(kN);

B一主胀型力(kN); 易一分胀型力 Ⅳ——安全系数(一般取五=1.25)
,|=尘望=475kN 工
10

主胀型力的确定: (3—2)

式中凡——主胀型力(kN);
A——铸件在分型面的投影面积;

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P——比压(MPa)
因本文模具的侧向活动型芯成型面积不大,分胀型力可以忽略不计“”。

所以目>胁艮=600

kN。

3.2.3确定压铸机型号
为简化选用压铸机时的计算,在已知模具分型面上压铸件总投影面积和所 选比压后,可以从图3.2中赢接查到所选用的压铸机的型号和压室直径”1。




量 畜

lira-lilt上■件耵。覆●■曩£J,_3

图3-2国产压铸机比压投影面积对照图
Table 3-2 Pressure and

projection

contrast

picture of die casting machine domestic

考虑到实际模具的尺寸,所以选用比计算求得的压铸机型号稍大一些的压 铸机,这样对实现压铸件的生产有较高的通用性。再由图中可知选用J1113G型 卧式冷式压铸机合适。考虑到铸件体积较小,选用压室直径为40mm。

3.2.4压铸机部分性能指标校核
3.2.4.1最大金属浇注量校核Jlll3G型卧式冷室压铸机的最大铝金属浇注量为 1.6kg,换算成镁合金为:


M0

PAl

X0.3=1.125Kg=11259

t3-31

式中p^妒一1.89/CITl3;
p』f——_2.49/cm3

Jlll3G型卧式冷室压铸机的最大镁合金浇注量远远大于压铸件的质量 1809,故满足要求。 3.2.4.2压铸机最大投影面积校核J1113G型卧式冷室压铸机的铸件投影面积为 104~416cm:,大于压铸件的投影面积79cm2,此项指标亦满足要求。

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3.2.4.3压铸机合模力的教核Jlll3G型卧式冷室压铸机的合型力为1250kN, 大于压铸件所需的锁模力600kN,此项指标满足要求。

3.3分型面的设计
汽车换档壳体零件较复杂,但形状较规范,没有凸缘之类不便出模的部 位,见图3.1,分型面的布置使得铸件成型的型腔部位全部处于定模内。汽车 换档壳体只需用单分型面即可,在单分型面上,考虑到零件较复杂,不可能采 用简单的直线分型面,只能部分采用直线分型面,部分采用曲线分型面。 换档壳体如图3-1所示。一侧有轴孔,此处采用抽芯机构:螺钉孔部分可 以通过活动型芯来实现:外部轮廓较平整,没有不易出模部分;内部结构也较 为简单,采取一定的拔模角有利于脱模;铸件冷却时收缩,与内部接触的镶块 受到包紧力要大于外部接触镶块,所以分型面的布置要使得铸件成型的型腔部 位全部处于定模内,这样才能保证开模时铸件随动模移动方向移出定模。 通过综合考虑压铸模具分型面的设计要点,选用部分直线分型面和部分曲 线分型面,考虑到要有利于浇注系统和溢流系统的布置,不影响铸件的精度,

开模时保持铸件随动模移动方向脱出定模,决定选择铸件的A面也就是外表面
为分型面,可得到符合技术要求的铸件,且操作方便,分型面如图3.3所示。

图3-3分型面的位置
Fig,3-3 Position of parting plane

3.4本章小结
通过查表和计算,确定了换档壳体零件基本参数和压铸机的型号,并对其
性能参数进行了校核,校核结果表明所选压铸机的各项参数均满足要求。

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分析了铸件的形状和技术要求、浇注系统和溢流系统的布置、压铸工艺条 件、压铸模的结构和制造成本、模具的热平衡、不影响铸件的精度、开模时保 持铸件随动模移动方向脱出定模等因素,选择A面为分型面,确定分型面的位
置。

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第4章汽车换档壳体压铸工艺的数值模拟
数值模拟技术在铸造中的应用已经受到普遍的重视,在国际上这种技术比

较成熟,能够分析处理复杂形状的铸件,并进行全真的三维数值模拟。采用计
算机数值模拟可以模拟压铸件的充型过程的物理场,预测铸件的缺陷位置,通

过分析结果对模具进行改进,提出修改方案,对修改方案进行模拟验证,得出
一套可行性方案,从而使模具的设计过程得到了优化。 浇注系统和溢流排气系统与金属液进入型腔的部位、方向、流动状态以及 型腔内气体的排出等密切相关,并能调节充型速度、充型时间、型腔温度等充 型条件,其设计是压铸模设计的重要环节。所以优化的过程主要是对浇注系统 和溢流、排气系统进行数值模拟分析,得到最优化方案和最合适工艺。

4.1浇注系统的设计
4.1.1内浇口的设计
内浇口的设计主要是确定内浇口的位置、形状和尺寸。由于铸件的形状复 杂多样,涉及的因素很多,设计时难以完全满足应遵循的原则,内浇口的截面

积目前尚无切实可行的精确计算方法,因此进行内浇口的设计是,经验是很重
要的因素。 4.1.1.1充型速度和充填时间考虑到汽车换档壳体镁合金压铸件对力学性能, 如抗拉强度和致密度要求较高,根据表4-1可以确定镁合金压铸件充型速度为
40n√¥。

铸件的平均壁厚为4.21ram,从表4-1可以确定镁合金压铸件充填时间为
0.05s。

表4-1充填时间推荐值
Table 4-1 Recommended value offilling time

铸件平均壁厚(ram)
3.0 3.8 5.O 6.4

型腔充填时间(s)
0.05~0.10 0.05~0.12 O.06~0.20 0.08~O_30

4.1.1.2内浇口截面积的计算内浇口截面积可通过流量计算法的下列公式得

出:

小南淄一2
式中A.——内浇口面积(ram2): G——通过内浇口的金属液质量(g);
P——j瘦态金属的密度(g/era3);

(4.1)

v。——内浇13处金属液的流速(m/s); r——充型时间(s) 内浇口的厚度根据经验数据文献1-52],取1.5mm。

内浇口的宽度%=A。/1.5=30mm。 4.1.2横浇道的设计
横浇道的结构形式,主要取决于铸件的结构形式和尺寸大小,内浇口的位 置、方向和流入口的宽度,内浇口的结构以及型腔的分布状况等因素。本文采 用了分叉喇叭形扇形横浇道与闭合喇叭形扇形横浇道进行比较分析。横浇道的 截面形状,根据铸件的结构特点而定,一般以扁梯形为主,特殊情况下,采用 双边梯形、长梯形、窄梯形、圆形式半圆形。本文采用扁梯形。扁梯形具有金 属液热损失少,模具型腔加工方便的特点。 4.1.2.1横浇道尺寸的选择本文采用两种不同的喇叭形横浇道,两种横浇道基 本尺寸是一样的,比如扇形浇道入口处截面积、与内浇口连接处的截面积等, 只是形状上不同。 扇形浇道入口处的面积可如以下经验公式求得:

A,=【1.2—2.0)a。
式中A,——扇形浇道入口处截面积(mm2); 爿。——内浇口面积(mm2)

(4-2)

为了避免金属液在流动过程中产生涡流,一般采用收敛界面的形式,取爿. 与爿|的比例系数为1.5,所以
A,=1.5x A。=66 mill2。

横浇道与内浇口接触处的宽度就是内浇El的宽度H0=30mlTl。

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横浇道的长度L要求大于内浇口的宽度%=30 mm,取L与暇的比例 系数为1.34,所以L=1.34x%=40mm
4。1.2.2横浇道与内浇浇口和铸件之间的连接方式横浇道与内浇口和铸件之间 的连接方式采用铸件横浇道和内浇口均设置在同一模面。

4.1.3浇注系统的设计优化
本课题根据压铸件的形状和镁合金的压铸特点等因素,采用专业的铸造仿 真软件ProCAST对初步的浇注系统进行镁合金压铸件充型过程的数值模拟, 根据模拟结果,在ProCAST中分析溢流槽的合理性,再重新设计、优化浇注 系统的形状,得到理想的浇注系统方案。
4。1.3.1

ProCAST软件简介ProCAST软件是由美国UES公司开发的铸造过程

模拟软件,采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法,对铸件充 型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。 ProCAST软件主要有8个模块,分别是:基本模块包括温度场、凝固、材料数 据库及前后处理;剖分模块是产生输入模型的四面体体网格;流动模块是对铸 造过程中的流场进行模拟分析;应力模块是对铸造过程中的应力场进行模拟分 析;微结构模块是对铸件的微观组织结构进行模拟分析:电磁模块是对铸造过 程中的电磁场进行模拟分析;辐射模块是对铸造过程中的辐射能量进行模拟分 析;逆运算模块是采用逆运算计算界面条件参数和边界条件参数。ProcAsT软 件可以接受分别用IDEAS、ProE、UG、PATRAN、ANSYS作为前处理软件创 建的模型或网格格式文件。ProCAsT软件可应用于砂模铸造、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。 4.1.3.2实体模型的建立与输入无论是仿真软件采用的是有限元法还是有限差 分法,仿真软件的工作过程都分为前处理、求解运算过程及后处理三个阶段, 其中前处理时进行计算的前提,在整个过程中占极其重要的地位。这个过程包 括工件实体的建立、网格的剖分、各种材料物性参数的设定、工艺参数及各种 边界条件的处理等。仿真软件都有一定的实体模型建立功能,但是使用起来都 比较麻烦,所以一般情况不采用仿真软件自带的建模工具,而是采用访问其他 CAD开发平台的方法来建模。本文采用Pro/ENGINEER2001进行铸件的实体 造型,再由仿真软件导入使用。 Pro/E与ProCAST的接口形式有很多种,通过对接口形式的比较分析,得出 最佳接口方案,解决复杂铸件几何模型到有限元分析模型的数据传递,无疑具

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有重大的现实意义。接口方式如下: 1.实体方式IGES格式由Pro/ENGINEER生成的IGES格式文件,可以由 MeshCAST读入,并且可以进一步进行几何检查、几何修复、剖分表面网 格、剖分体网格等操作,是一种可行的接口方式。该方式的优点在于可以充分 利用MeshCAST的Repair Tools和Surface Mesh菜单提供的几何和表面网格修 复功能,使生成的网格最大限度地符合下游解算需求。缺点是对复杂铸件修复 工作量大,而且几何不直观需要与Pro/ENGINEER频繁地交互操作:STL格 式,MeshCAST只接受ASCII形式的S'rL格式文件,不接受二进制的STL格式 文件。但即使简单铸件读入后,仍存在较多的问题,剖分表面网格一直没有成 功。 2.体网格Patran格式Pro/E输出的Patran格式文件扩展名为.pat,如果 由MeshCAST读入,需要更名为.Patran, 如果由PreCAST读入,需要更名 为.out。在输入文件名时如果连同扩展名一起输入,可以不更名,该结论同样 适用予以下需要更名的情况。Pro/E输出的Patran格式文件即可以由PreCAST

读入,也可以由MeshCAST读入,之后写成ProCAST格式.mesh。是一种较
好的接口方式。该方式的优点在于由Pro/E一次生成体网格,减少两者之间数 据传递。缺点在于Pro/E采用全参数化建模,剖分网格功能并不强大,生成体

网格比较困难;ANSYS格式,Pr啦输出的ANSYS格式文件.ans只能由
PrecAsT读入,测试表明,该种接口方式是可行的。与前者相比,由于不能 由MeshCAST读入,无法进行单元检测;Ideas格式,Pro/E输出的Ideas格 式文件扩展名为.unv,如果由MeshCAST读入,需要更名为.Ideas,如果由 PreCAST读入,则无需更名。经测试,Pro/E输出的Ideas格式文件在由 MeshCAST读入和PreCAST读入时,均在提示出错后系统跳出。 3.表面网格测试表明,Pro/E输出的Patran格式和Ideas格式文件均可以 由MeshCAST读入,并经过体网格剖分后写成ProCAST格式.mesh。采用该方 式最大的优点在于避免Pm肥全参数化所带来的体网格生成困难,并且将体网 格剖分留给MeshcAST,使其生成的网格更适合ProcAsT解算。缺点是在处 理铸件一铸型交界面,仍然比较困难。值得说明的有两点,首先所有表面网格 文件在由McshCAST读入时,必须统一更名为.out形式;另外,既然采用表 面网格文件作为接口方式,铸件一铸型交界面实际上就是铸件的外表面。这样 不但铸型设计简单,而且建立有限元模型时,无须处理铸件一铸型交界面,这 就是下面所定义的Shcll形式。 4.Shell形式特殊的表面网格,如前所述,在铸件工艺设计完成后,只装

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配与其外形一致的轮廓体。然后进入FEM环境,按有限元模型生成次序输出 表面网格模型。研究发现,在铸件与铸型外轮廓相交汇处存在重叠网格。但在 MeshCAST中可以去除重叠网格,而且重叠网格数量有限手工消除是可以承受 的;Shell形式,采用上述方法,最大的弊病是需要手工消除重叠网格。重叠 网格产生的原因是交汇处的表面同时被两种材质的外轮廓所拥有,而Vro/E采 取实体造型,剖分表面网格就造成了重叠交叉。如果将铸件与铸型合成一个实 体,可以避免上述问题。但Pro/E无法区分铸件与铸型,也就无法指定界面两 侧的材质。为此我们设想表面网格仅需要表面即可,而在仅有表面的情况下是 可以区分界面两侧的材质。由此将铸件与铸型外轮廓的实体表面提取出来,形 成一个包括铸件与铸型外轮廓表面的特殊壳体,再剖分表面网格。 通过对接口形式的分析比较表明:Pro/E输出的Parian格式优于Ideas格

式和ANSYS格式,Pfo/E的有限元内核更接近于Patran方式。表面网格优于
体网格与实体方式,而Shell方式是表面网格中最优方式。我们认为最佳接口 方式为采用Shell方式输出Patran格式,表面网格由MeshCAST剖分体网格。 4.1.3.3网格的剖分根据零件结构的特点和经验,设计初始浇注系统的形状为 分叉式喇叭形扇形浇道设计…3。采用Pro/ENGINEER2001进行铸件的实体造 型、划分面网格,并用求解器PATRAN求解生成扩展名为.pat得的面网格文 件。ProCAST软件中的Meshcast模块可以直接读入扩展名为.pat得的面网格文 件进行体网格的划分“”,初始浇注系统体网格如图4.1所示。从图4.1可见, 采用有限元法对实体进行网格剖分时,实体外形的接近度较好。

图4-1初始浇注系统体网格
Fig.4-1 The solid gridding of original
runner

system

4.1.3.4各种参数的设定压铸件采用AZ91B,浇注温度设定为650。C,冲头直 径40mm,冲头速度为1.5m/s,铸件和模具的物理性能如表4.2所示,其它相

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关参数采用仿真软件中自带材料库中相应材料物性的默认值。
表4.2铸件和模具钢的物理性能
Table 4-2 The physical performances of the casting and the mould steel

材料
AZ91B H13

热导率 W/(em?K、
O.72 0.28

比热 J/(g?K1
1.02 0.46

密度
g/cm
1.81 7.8


粘度
cm2/s O.00908

潜热
J/g 370

4.1-3.5初始浇注系统的模拟求解过程由计算机自行进行,不需要人为干预, 计算机运行的时间与有效网格的多少及所给定的材料的参数详细程度及采用的 算法有关。紊流模型采用的是近年来应用较为广泛也是较准确的涡粘性模式 (EVM)中的k-8双方程模型““。计算时铸件的网格单元为201175,在PIV

2.6GHz微机上进行,模拟一个充型与凝固过程所用CPU时问为3小时。
课题所用的仿真软件在给出结果时都采用了图形法,用不同的颜色表示不 同区域的温度、压力等区别,从而将运算结果以直观的方式给出。无论是流体 的温度场还是压力场,都是在流场的基础上迭代出来的,因而对于充型过程, 只分析其中的一个场便可了解充型过程的情况。 初始浇注系统充型、速度矢量、温度场的模拟结果如图4—2所示。图4—2显示

了金属液充填至各部位所需时间、速度的流动方向以及各个部位的温度场,图
中可以看出金属液从两个分叉口充进,冲击型壁,再向分叉中心部位充填,两 个金属液在分叉中心处汇合后,再向内部充填。图4—2为0.0158s时的充填情 况,来自两个不同方向导入的金属液飞溅严重,充型不平稳,在结合时温度偏 低,金属前端可能不同程度的氧化,同时氧化颗粒还可能会对后续的合金也有 一定的阻碍作用,使得镁合金液在型腔内流通不畅,导致其充型能力下降,必 然造成卷气与冷隔,从而导致这个部位缺陷较为严重。当充型0.0263s时,金属 液平稳向前充填,但在左侧两个螺栓孔处,通过速度矢量可以看出,由于该处 结构复杂,造成充型时金属液不稳定,气体排出困难,可能会造成卷气。当充 型0.0393s时,金属液开始充填铸件的上、下端处。下端为薄壁结构,又有抽芯 机构,起到一定的排气效果,充填质量较好;上端为厚大结构,金属液提前把 气体封闭在厚大处,由于金属液的压力很大,当冷却时气体就会被包裹在金属 里面,形成气孔与缩松等缺陷。当充型0.0536s时,铸件的最左端为最后充填部 位,型腔的气体和金属液前端被氧化的颗粒都会集中在这部位,在这种充填情 况下,此部位易形成冷隔、卷气等缺陷。

堕查堡呈三查兰三耋翟:耋堡墼兰

a)0.0158



b)0.0236s

c10.0393



.27.

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d1

0.0536s

图4.2初始浇注系统模拟结果
Fig.4-2 Result of numerical simulation of the original
runner

system

可以看出此浇注系统,铸件中心部位充填较好,流动顺序有序。但在充填 铸件边缘从开始到结束阶段产生了较多缺陷,虽然充填铸件边缘时中、后期阶

段的缺陷可以通过溢流系统消除,但是充填开始阶段,在两股金属液结合处必
然会产生冷隔、卷气等缺陷,同时金属液对型芯冲击比较严重,这些缺陷是此

种浇注系统无法消除的。在充型开始阶段产生缺陷的部位需要承载一部分的振
动和要求具有良好的气密性,所以为了提高铸件的质量必须对浇注系统加以改 进。

4.1.3.6浇注系统的改进通过对初始浇注系统方案的分析,初始浇注系统产生
了此种方案无法消除的严重缺陷:浇口分叉中心部位金属液飞溅严重,充型不 平稳,在结合时温度偏低,在此部位形成卷气与冷隔缺陷;左侧螺栓孔处流速 方向不稳定,必然造成卷气。

针对分叉喇叭形扇形浇注系统的不足,对浇注系统进行改进。考虑至《铸件 的结构形状和扇形横浇道的优点,改进方案采用闭合式喇叭形扇形浇注系统;
闭合扇形浇注系统的内浇口宽度要比分叉扇形浇注系统的内浇口宽度小一些,

这样对左侧螺栓孔处的型芯冲击要小一些。压铸的其它参数不变,用上述同样
的方法对改进方案建模、网格剖分及模拟。 图4.3是改进浇注系统充型、温度场的模拟结果,显示了金属液充填至各

部位所需时阕、前期充型速度矢量以及各个部位的温度场。扶图4.3可以看出 在金属液进入型腔的初始阶段,充型平稳,只是在金属液冲击型腔壁时有轻微
紊流,温度没有明显的下降,分布均匀。由于内浇口的宽度变小,所以对左侧 螺栓孔处型芯冲击减小,该处充型紊流情况的得到控制。采用闭合式喇叭形扇

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形浇注系统,在充型的中后期,金属液充填的顺序、温度分布和流速矢量的模 拟结果与分叉式喇叭形扇形浇注系统的模拟结果相同。在充型时间分别为 O.0384s和0.0568s时,可以看出充型平稳,紊流消失,温度在壳体中部和边缘 先冷却,从浇注开始到金属液完全充满型腔大约需要0.0579s,最后充填部位为 壳体的最左端薄壁处,虽然在铸件的上端厚大处和最左端存在较多缺陷,但这 种缺陷都可以通过布置溢流系统来消除。 图4-4是模拟铸件凝固过程中的固相率,可知铸件的左端最后充型处和上 端厚大处的温度较高,最后冷却,金属液对其部位补缩不充分,所以这些部位 也是存在缺陷最多的热节区,存有缩松、缩空等缺陷。

a)0.0161



b、0.0213s

堕堡堡矍三銮兰三兰堡圭兰堡兰兰

c、0.0384



m O.0568s

图4-3改进浇注系统盼漠拟结果
Fig.4?3Resultofnumerical simulationofthe optimization
ruuiler

system

a15.20s

.30.

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b1 8.43



图4-4铸件的固相率
Fig.4-4 Solid fraction of casting

根据模拟压铸件的充型与凝固过程的结果,可以看出改进方案消除了初始 浇注系统无法避免的缺陷,充型性明显的好于最初方案,这样的浇注系统应该

能得到更合理的充填及凝固结果。可初步认定在铸件的左端最后充型处和上端
厚大处布置溢流槽和排气槽的两溢流槽方案可消除该处的缺陷,铸件整体质量 效果会更佳。

4.2溢流、排气系统的设计
溢流槽和浇注系统,在整个型腔充型过程中是一个不可分割的攘体。溢流 槽主要用来排除型腔中的气体,储存混有气体和残渣的冷污金属液,改善热平 衡。排气槽用于从型腔内排出空气及分型剂挥发产生的气体。溢流槽布置在有 利于气体排出和改善热平衡状态的地方。排气槽布置在溢流槽后端以加强溢流 和排气的效果。

4.2.1溢流槽的结构形式
为使溢流槽能充分发挥作用达到其应有的效果,不致消耗过多的金属,增 加投影面积,影响尺寸精度,降低充填型腔的有效压力,甚至于影响和打乱充 填流态或引起其他反作用,故布置溢流槽时应慎重考虑。 本文溢流槽结构形式采用截面形状为半圆形,布置在分型面上。在设置溢 流系统时,先根据零件的形状和模具的型腔分布情况,设置两种不同的溢流系 统;通过ProCAST模拟金属液的流动情况,再在ProCAST中分析溢流槽的合 理性,通过对放置溢流槽不同位置进行模拟对比,观察金属液的流迹和缺陷产

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生的形态,最后确定合理的布局和容量。

4.2.2溢流系统方案的模拟对比分析
分别设计两种不同溢流系统,一种是根据充型和凝固的模拟结果初步确定 溢流槽设置在左端最后充型处和上端厚大处的两溢流槽方案;另一种是溢流槽 设置在左端最后充型处和铸件左上、左下端的三溢流槽方案。通过对溢流槽设 置位置不同的模拟,对比检验两溢流槽方案的合理性。图4.5,图4-6分别是 两种不同溢流系统的压铸件的充型情况、速度矢量及温度场分布。

a1 0.0395s

¨0.0505s

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c)0.0573



d1 0.0582s

e10.0602



.33.

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0.0613s

图4-5两溢流槽方案模拟结果
Hg.4-5 Result of numerical simulation of the double overfalling grOOve

在金属液充填溢流槽之前的模拟结果和图4_3相同。从图4.5可以知,当 充型时间0.0395s和0.0505s时,金属液开始充填上端厚大处,由于溢流系统 的设置,金属液的速度矢量方向指向溢流槽方向,有利于铸件上端厚大处气体 和金属液前端氧化颗粒的排出。通过上端溢流槽的设置,铸件上端厚大处的温 度场分布比较均匀,溢流系统有效地改善了该处的热平衡。当充型时间为 0.0573s和0.0582s时,金属液沿着型壁最后充填铸件的最左端,金属液的速度 方向指向左端的溢流槽,型腔中的气体和金属液充填型腔时的前端被氧化的金 属颗粒顺利的被排出,有效地消除了充型过程中的卷气现象。两溢流槽方案压 铸件充型后期的充型和凝固的模拟结果如图4.5中d),e),f)所示,当充型时间 为0.0582s时温度分布较均匀,只有在最左端出现局部温度过热区域,当充型 到0.0602s时,热节明显向溢流槽移动,随着充型时间的推移,到0.0613s时 局部过热情况消失,溢流槽发挥了改善热平衡的作用,转移或消除了热节现 象。从图中的温度场分布情况来看,温度在厚大处和弯角处下降较慢,铸件的 温度在薄壁和外侧下降的较快,但温度变化不剧烈,整个冷却过程较合理。 可以看出在两溢流槽方案的整个充型过程合金液的填充顺序是比较合理

的,溢流槽基本是在充型的最后阶段才充型的,流溢流槽几乎同时充满,这就
保证了在充型过程中型腔内的排气通路畅通,从而有效地减少了合金液中气体 的卷入。因而可以预计,采用此方案的工件气孔较少,组织致密,工件的强度 会大大提高。在充型过程中,温度场的分布更加合理,这就保证了在以后的凝 固过程中由于合金液补缩不足所造成的缺陷会明显地减少。

堕查堡墨三銮兰三兰堡圭耋竺釜兰

a10.0396



b、0.0505



曲0,0571



35.

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d)0.0585



图4-6三溢流槽方案模拟结果
Fig.4-6 Result of numerical simulation of the three oveffalling groove

图4-6是三溢流槽方案的模拟结果。可见三溢流槽方案的上端厚大处的气 体无法排除,由于充型过程时间相当短,气体在铸件上端外沿处汇集或被高速金 属液卷集,在工件内部形成气孔;从图可以看出,上端厚大处相比周围的薄壁处 冷却速度较慢,在冷却过程中,合金液无法进行补缩,使得材料内部枝晶间的 空隙无法进行填充,因而在上端厚大处可能形成缩松组织。上端厚大处温度分

布也很不均匀,在充型过程中一直有局部温度过高的区域存在,在此处也会有
热节等缺陷的存在。如果在上端不设置溢流槽,上端厚大处的缺陷比较集中, 将影响到铸件整体的热平衡和整体的铸件质量。从4.6中的b),c)可以看出, 铸件左上端和左下端溢流槽入口处的速度矢量方向较紊乱,高速金属液进入溢 流槽时速度方向发生很大变化,易在入口处产生涡流,这会将腔内的气体卷入 合金液中,提高了气孔形成的几率。金属液沿着两侧型壁充填铸件的左侧区 域,铸件的左上端和左下端的溢流槽处在提前充填的位置,造成了对铸件左侧 充型的分流,金属液充型压力受到影响,影响了铸件左侧最后充填处的质量。 铸件的左上端和左下端的薄壁处金属液流动平稳,没有必要在此处放置溢流 槽。铸件左端最后充填处溢流槽的模拟结果和图舡5中模拟此处的溢流槽的结 果相同,结果显示,该处设置溢流槽对铸件的整体质量起着至关重要的作用。 通过对两种溢流系统的模拟结果可以得出,溢流槽设置在铸件的左端最后 充填的薄壁处的上端厚大处的两溢流槽方案,金属液充填平稳,温度场分布均 匀,溢流槽设置合理,保证了铸件的整体质量:三溢流槽方案,金属液充填平 稳,局部有涡流的产生,上端厚大处和铸件左上端、左下端溢流槽入口处有较

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.多缺陷的存在,铸件左上端、左下端两处溢流槽设置不合理,铸件上端厚大处
缺少溢流槽的设置,铸件的整体质量不能保证。对比分析两种溢流系统,溢流

槽设置在铸件的左端最后充填的薄壁处的上端厚大处的两溢流槽方案较合理。 综合以上对浇注系统和排气系统的模拟对比分析,本课题采用闭合式喇叭 形扇形浇道为此压铸模具的浇注系统,两溢流槽方案为此压铸模具的溢流、排
气系统。

4.3本章小结
本章采用计算机仿真技术对浇注系统和溢流系统进行模拟,得到的模拟结 果表明: 1.进行镁合金工件的压铸生产时,不能直接将铝合金压铸工艺用于生产镁 合金压铸件,尤其是对结构比较复杂的工件,在进行浇注系统的设计时,必须 要考虑镁合金流动性、凝固快、导热性好等特点。通过对镁合金压铸件进行数

值模拟分析,验证了镁合金零件压铸生产时不同于其它合金的压铸工艺。
2.研究Pr0/E与ProCAST的多种接口形式,通过对接口形式的比较分析表 明:Pro但输出的Patran格式优于Ideas格式和ANSYS格式,Pro/E的有限元 内核更接近于Pa仃趾方式。表面网格优于体网格与实体方式,而shell方式是

表面网格中最优方式。本文采用Shall方式输出Pa胁格式,表面网格由
MeshCAST剖分体网格接口方式。

3.通过对镁合金换档壳体浇注系统模拟,再现了压铸充型过程,可以看出
闭合式扇形浇注系统在内浇口处造成的夹渣缺陷和金属液对型芯的冲击明显少 于分叉式扇形浇注系统,更适合汽车换档壳体零件生产。 4.通过对比分析,两溢流槽方案能够很好的排出铸件厚大处和最后充型处 气体,有效地消除了这些区域的缺陷;三溢流槽方案只能消除最后充型处的缺 陷,铸件上端厚大处的气体无法排出,必然造成此处缩松、缩孔等缺陷集中。 通过对溢流槽系统的模拟可以看出,两溢流槽方案比三溢流槽方案适合于该零 件的设计,溢流槽位置的设置对铸件的整体质量起着关键的作用。 5.通过模拟分析换档壳体零件,得到在浇注温度为650℃、速度为40m/s、 模具温度为200℃的条件下,充型、凝固效果较好,铸件整体质量较高,需要 充型时间0.0579s,完全凝固时间10s。

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第5章标准模架库的设计
模架的基本形式大体有不通孔的模架、通孔的模架、推出机构为卸料板的

模架、带有抽芯机构的模架、设置斜滑块的模架和采用中心浇口的六种模架。
模架是固定和设置成型镶块、浇道镶块、浇口套以及抽芯机构、导向机构 等的零件。主要构件有动模座板、定模座板、动模套板、定模座板、支承板、 卸料板以及定位销、紧固零件等。设计零件时主要根据已确定的设计方案,对 有关构件进行合理的计算、选择和布置。

5.1标准模架库的设计
标准模架库作为CAD系统中最基本的部分,主要是为用户提供完整的标准 模架,便于用户在确定设计方案之后,直接利用现有的资源快速得完成模具的设 计。有效地提高设计效率和模具质量。 本文基于Pro/E中的Family Table功能构建三维标准架库。Family Table也就 是族表功能,通过族表的设置,可以完成非常类似零件的~系列的零件,可以 把相同特征不同尺寸的零件或装配可以只做一个模型,其余均可以数据的形式 存与数据表中。当再度打开基准零件时Pro/E会询问要打开零件族中的哪个零 件。另外,经由零件族所产生的零件也可以当作基准零件,再生成另一组零件 族。族表中的其他所有零件都继承原型零件的特征,也可以部分继承原型零件 的特征,在编辑族表的时候将不需要的特征屏蔽掉即可,这样实现了表中零件 特征的统一性与特殊性的相互兼容。

5.1.1板类零件的设计
模板和垫块为板类零件,每副模具有多个模板,且模架又有多种型号,常 用的带肩型侧浇口,模架示意图如图5.1所示。本文以通用性较强的M1型模架 为例建库。M1模架中有8块模板,由上到下分别是Dz(定模座板1、DT(定模套 板)、i-rr(动模套板)、zc(支承板)、riD(垫块)、TO(推板固定板)、TB(推板)、 Hz(动模座板)。这些零件在继承原始模板特征的基础上,增加了自己本身的特 性,其构建标准件库的结构示意图如图5.2所示。首先建立三维基本零件,选 取能代表该零件的特征尺寸,产生不同的长宽系列及厚度系列。再根据成型零 件的尺寸调用合适的模架,根据查表、计算,对模架中的零件设计出具体尺 寸,建立实际应用中的模板。

兰互鎏耋三查兰三兰堡圭兰堡鎏三
DZ DT HT ZC HT DZ DT

HD

Il

HZ


MI型
DZ
DT

HD

ll

HZ



M2型
DZ DT T.T HT

TJ HI" ZC

HD


J『

HZ

HD

JJ

HZ

I J


图5.1 M1、M2、M3、M4型模架
Fig.5-1 The types of mould

M3型

M4型

图5-2模板零件库结构示意图
Fig.5-2 Schematic map of molding board database

.39.

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模板库建立时根据需要建立原型零件与子零件关系的层数不同,可分为一 般板类库设计,和特殊板类库设计。板类零件要具有承受一般载荷的能力,不 需要特殊的性能,所以板类零件的材质选用45钢。

5…I I I一般板类库的设计一般板类库是指原型零件与子零件关系层数为一
层。包括动、定模座板,支承板,固定板,推板。

定模座板库的设计。不同模具的定模座板有些特征具有相似性,利用零件
族的设置,便可以完成一系列的零件。定模座板的长、宽、厚和模板螺钉孔的 直径具有相关性,可以设置这些尺寸为零件的尺寸特征。座板上的U型槽等尺 寸要根据所选压铸机和具体的设计的尺寸而定,不具有通用性,所以当座板库 建立好以后,调用合适的模板,在进行具体尺寸的确定。 首先建立一个三维通用性的定模座板,对称的尺寸具有相关性,这样设置 尺寸时的数量较少。使用Family Tab力[I入尺寸对象,尺寸对象有:d27、d26、 d4、d5、d30、d28、d29分别表示定模座板的长、宽、厚和螺钉的直径、定 位。模板的三维实体及加入特征尺寸如图5.3所示。六个螺钉孔具有相关性所 以只编辑一个螺钉孔的尺寸,其它的螺钉尺寸也随之确定。从图中可以看出通 过所选的特征尺寸就可以把整块板的特征表示清楚。

圈5-3模板的三维实体及加入特征尺寸
Fig.5-3 The solid part and the parameter of molding board

启动数据输入编辑器,Family Tab的对话框如图5—4所示。对话框中第一行 表示的是原始模板(Generic)的尺寸。在Instance Name中输入每个定模座板的 名称,在尺寸特征处输入模架的各个标准尺寸“”。输入数据并检验数据的合理 性之后生成图5—4中的数据表,从表中不难知道DZ2420.25所代表的含义。在数 据表中理论上可以无限多的加入各种模板的数据,本文只加入适合本课题的8

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组数据。当族表保存的时候除了原始模板外,其它的模板都以数据的形式保 存,调用的时候继承原始模板的特征。

图5-4定模座板库的数据表
Fig.5-4 Datasheet of the fixed mold bed plate database

打开基准零件时Pro/E会询问要打开零件族中的哪个零件,在此有两种选 择零件的方法。一种是可以直接通过零件的名称调用如图5.5 a1所示,此面板 表示The generic为父零件,其它的零件为子零件构成了一个零件族。另一种是 通过特征尺寸的参数进行调用如图5.5 b)所示,在Name栏随便选中一个零件的 名称,他的尺寸参数和数值都会显示出来,以便进一步了解零件的详细特征。

a)名称调用 图5-5定模座板的两种调用方式

b)参数调用

Fig.5-5 Two selective methods ofthe fixed mold bed plate

动模座板以同样的方式建立,同样建立8块模板,动模座板的长、宽、厚 都与定模座板的尺寸相对应,这样有利于装配,动模座板的数据表如图5.6所 示。

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图5—6动模座板厍的数据表
Fig.5—6 Datasheet of the moving mold bed phte database

支承板的孔较多,所以特征尺寸就相应的多一些。支承板的长、宽、厚与 定、动模座板的尺寸相对应,支承板的模座的螺钉孔的尺寸与动模座板的螺钉 孔的尺寸相对应,推板导柱孔和复位杆孔的定位原则是位置分布均匀,使支撑 板受力均匀,又不影响关键尺寸地布置。根据相应的尺寸建立8块支承板,数据 表如图5.7。

图5-7支承板库的数据表
Fig.5—7 Datasheet of the bolster plate

database

推板固定板的螺钉孔与推板螺钉孔位置和尺寸相对应,螺钉孔数量和位置 要遵循对称的原则,固定板导套孔和复位杆孔与支承板上的推板导柱孔和复位 杆孔位置和尺寸相对应,根据相应的尺寸建立8块固定板,零件库的数据表如 图5—8。

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图5-8推板固定板库的数据表
Fig.5—8 Datashe∞t of the pushing fixed plate database

推板螺钉孔的分布原则是在满足强度的基础上使推板受力均匀,推板导套 孔的尺寸与支承板的推板导柱孔的位置相对应,根据相应的尺寸建立8块推 板,零件库的数据表如图5.9。

图5-9推板库的数据表
Fig.5-9 Datasheet of the pushing plate database

动模座板、支承板、固定板、推板的打开方式与定模座板的打开方式一 样,有两种方式可供选择。 5.1.1.2特殊板类库的设计特殊板类库是在同一副模架中模板的厚度有一系列 的尺寸,需要在原型零件和子零件的关系上,再添加一层针对厚度的数据表。 特殊板类包括动、定模套板,垫块。 动、定模套板的厚度尺寸根据型腔的厚度尺寸而定,型腔的尺寸根据零件 的尺寸而定,垫块的厚度根据零件的推出距离而定,很没有规律,所以要建立 ~系列厚度的套板和垫块来满足各种模具的需要。

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定模套板库的建立。根据一般零件库的设计方法建立定模套板的第一层原 型零件与子零件的关系,在这层关系中不包括厚度的特征,定模套板库中子零 件的长、宽、螺钉的定位和尺寸与定模座板型对应,导套孔的尺寸与动模套板 导柱孔相对应。第一层关系数据表如图5.10所示,零件名表示长、宽的特征。

图5.10定模套板库的第一层关系数据表
Fig.5-10 Datasheet of the first relation of the fixed mold cleading database

用同样的方法建立第二层关系,分别打开第一层关系中的子零件,使用
Family Tab只加入厚度尺寸对象,启动数据输入编辑器,输入一系列的厚度,

检验并生成厚度的数据表,如图5.11所示,这时的零件名就能表示出子零件的 长、宽、厚特征。

图5.11定模套板库的厚度数据表
Fig.5—11 The thickness datasheet of the fixed mold cleading database

两层关系建好后的定模套板库的数据表如图5-12所示,在Type栏出现文件 夹的图标,就说明在目前的关系基础上还有第二层关系存在。要行了解具体子 零件的厚度系列,需打开第二层的厚度关系。

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图5.12定模套板库的数据表
Fig.5-12 Data,sheet of the fixed mold cleading database

当打开的是时候,要逐层打开,每一层的打开方式和定模座板库的打开方 式相同。 动模套板库的建立方法和定模座板库建立方法相同。动模套板的长、宽尺 寸和定模套板长、宽尺寸相应,动模套板中的导柱孔尺寸与定模套板的导套孔 尺寸相对应,螺钉孔与支承板的螺钉孔尺寸相对应,动模套板库的数据表如图
5.13。

图5.13动模套板库的数据表
Fig.5-13 Data.sheet ofthe moving mold cleading database

垫块库的建立方法和定模座板库建立方法相同。垫块的长和支承板的长相 对应,垫块的宽由螺钉孔的直径来确定,螺钉孔直径和支承板上的螺钉孔直径 相对应,垫块库的数据表如图5.14。

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图5.14垫块库的数据表
Fig.5-14 Datasheet of the pillow block database

5.1.2导柱库与导套库的设计
导柱与导套类零件库的建立要比板类零件简单一些,主要尺寸一般是直径 和长度,且规格较少。根据零件的特征,先建立直径系列的数据库,再添加一 层针对长度的数据表。在处理长度问题是,可利用系列化功能方便地生成系列 化的数据。导柱与导套属于滑动配合零件,要求有一定的刚度引导模板按一定 的方向移动,保证模板在安装和合模时的正确位置,所以材质选用T8A钢。套 板导柱与套板导套、推板导柱与推板导套配合使用,所以尺寸要相对应。 套板导柱库的建立方式和定模套板库建立方式相同。选取套板导柱原始零 件三段不同的赢径和润滑槽的直径、位置为尺寸特征,编辑套板导柱库的第一 层关系。在此基础上,对第一层关系中的每一个子零件编辑零件三段的长度数 据表。根据规格编辑的套板导柱库数据表如图5.15。

图5.15套板导柱库数据表
Fig.5—15Datasheet oftheguidepinofmold cleadingdatabase

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推板导柱由于没有润滑槽,所以尺寸特征的设定会更少一些,设景的数据 表如图5.16所示。

图5—16推板导柱数据表
Fig.5-16 Datasheet of the guide pin of pushing plate database

套板导套采用突沿在一侧的导套,这种形式的导套设置特征较少。套板导 套库的建立方式和定模套板库建立方式相同。选取套板导套原始零件的直径为 尺寸特征,编辑套板导套库的第一层关系。在此基础上,对第一层关系中的每 一个子零件编辑零件的长度数据表。根据规格编辑的套板导套库数据表如图5. 17所示。

图5—17套板导套厍数据表
Fig.5—17 Datasheet of the guide pin bushing of the mold cleading database

推板导套采用突沿在中间的导套,这种形式的导套长度特征要多一些。推 板导套库也是采用两层关系的方式来建立。第一层关系以直径为特征建立,第 二层关系以导套的各段长度为特征建立。根据规格编辑的推板导套库数据表如 图5.18所示。

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图5.18推板导套库数据表
Fig.5-18Datasheet oftheguidepin bushingofpushingplate database

5.1.3装配库的设计
前面已经为模架的各类零件建立了完整的数据库,在此基础上就可以建立 实际使用的装配数据库。原型零件与子零件是一种继承与被继承的关系,在装 配关系上也是如此,所首先解决的是整副模架的装配问题。最初的装配曝型为 M1型模架。 装配时,必须设定各零件之间的定位关系,而这些关系将会完全被子零件 或者子装配库所继承,因此在装配原型中应注意以下两点:一是尽量避免实际 数据;二是装配中不能出现预装配子零件。 首先,建立M1型模架为装配库的原型模架,模架中零件采用以上各个零 件库中的原型零件,采用中心定位的方法定位,这样定位关系就被子零件所继 承,原型零件的装配图如图5.19所示。

图5.19原型零件的装配图
Fig.5-19 Assembly diagram of the original parts

使用Family Tab加入以零件特征的对象。启动数据输入编辑器,在模架的

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装配库中按照原型模架的顺序加入各个零件的标号,这些零件包括在模架中出 现的任何一个零件。根据各个零件相应的尺寸建立8副M1型模架,子模架的名 称为A1~A8,根据每一副模架及各个零件的规格对应添加零件的名称,每副 子模架名称的后面是模架中包括的零件的名称,模架库的数据表如图5.20所 示。保存原型零件后,各种数据相应的保存,就得到模架装配库。

图5.20模架库的数据表 Fig.5一加Datasheet
of molding frame database

模架有两种调用的方法。一种是可以直接通过零件的名称调用如图5.21 a) 所示,此面板表示1rhe generic为原型模架,其它的模架为子模架构成了一个标准 模架库。另一种是通过特征参数进行调用如图5.21 b)所示,在Name栏随便选中 一个模架的名称,组成这个模架的零件库会显示出来,以便进一步了解模架的 详细特征。

a)名称调用 图5-21模架调用方式

b)参数调用

Fig.5-21 The selective types of molding frame database

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5.2本章小结
在Pm,E的相关功能的基础上,分析了提取镁合金压铸模具标准模架的特 征共性及标准模架的层次结构,在此基础上建立了镁合金压铸模具的一般板类

三维标准库、特殊板类三维标准库、导柱库和导套库、装配库。设计时只须构
建与模架类型相同的三维零件及装配关系,相同类型的系列模架均直接在数据

表中进行编辑即可生成数据库。通过设计可以看出采用参数化特征造型技术建
立标准件库,将参数化特征造型技术应用于模具CAD系统将有效地提高设计效 率和模具质量,具有很好的实用价值。

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第6章压铸模具的设计
压铸模具设计主要包括成型零件设计、模架设计、辅助结构设计。成型零 件主要是指型芯和镶块。模架设计首先根据成型零件的尺寸,直接从标准模架 库中调用,再根据具体的要求尺寸对每个模架中的零件进行进一步的设计,设 计后的零件还是继承原零件的装配特征。辅助结构设计主要包括抽芯机构和推 出机构。压铸模具的每个部分都相互关联,设计合理的配合是保证加工合格模 具的关键。

6.1成型零件的设计
成型零件部分要承受高温、高速金属液的冲击,要求成型零件具有较高的 耐蚀、耐热、抗疲劳断裂能力,所以成型零件材质选用T13(4Cr5MoVISi) 钢。

6.1.1镶块的设计
镶块的是型腔的基体。在一般情况下凡金属液冲刷或流经的部位均采用热 作模具钢制成,以提高模具的使用寿命。在成型加工结束经热处理后镶入套板
中。

成型零件的结构形式分为整体式和镶拼式。根据压铸件的结构特点,镶块 采用一摸一腔、浇口与型腔一体、一侧抽芯、拔模角为l。的矩形镶拼式结 构。镶拼式结构模具具有简化加工工艺,提高模具制造质量,容易满足组合镶 块成形部位的精度要求;合理使用热作模具钢,降低成本;易损件有利于更换 和修理;压铸件的局部结构改变时,不至于整套模具报废;拼合处的适当间隙 有利于排除型腔内的气体;采用合理的镶块结构可以减少热处理时的变形,也 便于在热处理后进行修理;镶块的坯料比较容易锻造,组织均匀,质量较高的 特点。 镶块装入模具的套板中加以固定,构成动、定模型腔,其安装形式可分为 不通孔和通孔两种。本设计中采用通孔式。对通孔的套板,用台阶固定,在 动、定模上镶块的安装孔尺寸和大小都应该一致,容易保证同轴度。 镶块的主要尺寸的确定根据零件的形状和文献152]@表(6-22)推荐尺寸。 定模镶块的三维实体、二维工程图如图6-1、图6-2所示,动模镶块的三维实 体、二维工程图如图6.3,6-4所示。

堕堡篓矍三銮兰三耋堡圭兰竺篓吝

图6_1定模镶块 Fig.6-1
The fixed mold

glut

撕^-^

图6.2定模镶块的二维工程图
Fig.6-2

The

drawing of fixed mold glut

.52.

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图6-3动模镶块
Fig.6-3 The moving mold glut



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图6-4动模镶块的二维工程图
Fig.6_4 The drawing of moving

.53.

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6.1.2型芯的设计
型芯的形状取决于零件和镶块的结构。根据零件和镶块的结构,参考文献 【52】中的表6—25推荐尺寸,本课题模具的型芯采用圆型型芯。四种型芯的三维 实体如图6.5所示。

图6-5四种尺寸的型芯
Fig.6-5 Four types mold plugging

6.2模架的选用
模架选用是根据成型零件的尺寸,直接从标准模架库中调用,再根据具体

的尺寸进行三维结构的设计。首先确定各个零件的主要尺寸。

6.2.1套板的设计
套板一般受到拉伸、弯曲、压缩三种应力,变形后会影响型腔的尺寸精 度。因此,在考虑套板尺寸时,应兼顾模具结构与压铸生产中的工艺因素。 套板的边框厚度可由下式(6.1)计算得出:

h。墅监±翌&堡墨1 4HpJ
只=皿1H。
只一pE2日2
(6-1)

式中h——套板边框厚度(IllIn): 日、日。、厶、工:——按铸件大小确定; 只、只——_边框侧面承受的总压力(N);

I口l—阿材的许用弯曲强度(Mpa);
P——压射比压(Mpa)
根据动、定模镶块的厚度,确定动、定模套板的厚度分别为40mm和 70mm,满足上式的条件。定模和动模套板加工后的边框尺寸根据镶块的尺寸 和文献【52】中表6-54推荐尺寸确定。设计后的动、定模套板长、宽均为 320ram。因此在套板标准库中动摸套板选用HT3232.40,定模套板选用
DT3232.70。

6.2.2支撑板的设计
动模支撑板厚度h可按公式(6.2)计算。

胜1/硼




PL

(6.2)

式中P——动模支撑板所受总压力(N): 丑——动模支撑板长度(ram); £——垫块间距(mm):

l盯l——钢材的许用弯曲强度(Mpa)
动模支撑板所受总压力等于压铸件在分型面上的投影面积与压射比压的乘 积。结合压铸件的尺寸和动模套板的尺寸求得:支撑板的厚度为40mm,支撑 板的长、宽均为320ram。因此在支撑板标准件库中选用ZC3232—40为本模具的 支撑板。

6.23座板的设计
6.2.3.1定模座板的设计定模座板一般不作强度计算,设计时主要考虑两点: 一是定模座板上要留出紧固螺钉或安装压板的位置,借此使定模固定在压铸机

定模安装板上:二是浇口安装孔的位置与尺寸要与所用压铸机精确配合。
根据Jlll3G型卧式冷室压铸机模板的尺寸最大为420X420(mm×mm), 最小尺寸为200)(200(ram×mm),结合定模座板的推荐尺寸,确定定模座板 的长、宽分别为400mm、320mm,厚度为30ram。因此定模座板选用DZ4032.
30。

6.2.3.2动模座板的设计动模座板的尺寸与支撑板的投影面相同,厚度不同,

有强度的要求。动模座板的长、宽分别为400ram、320mm,厚度30mm。因此
在动模座板库中选用HZ4032.30为本模具的动模座板。

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6.2.4导柱与导套的设计
导柱导套应具有一定的刚度,以引导动模按一定的方向移动,保证动定模 在安装和合模时的正确位置。在合模过程中应保持导柱导套首先起定向作用, 防止型腔型芯错位。 导柱导套需要有足够的刚性,当导柱为四根,一般都布置在模板的四个角 上,保持导柱之间有最大开档尺寸,便于取出铸件。选取导柱导滑段直径的经 验公式为:

D:K√万
式中D——导柱导滑段宜径(cm); F——模具分型面上的表面积(cm2); K——比例系数,~般取0.07~0.09

(6.3)

根据经验公式和尺寸参照表中的推荐尺寸,导柱选用TBDZ25.100,导套 选用TBDT25.67。

6.2.5基本模架的确定
根据已经确定模架中的各个零件,从而在标准模架库中选用模架A3为本文 模具的模架,如图6.6所示。A3是基本模架,模架中的各个零件和确定零件是 对应,零件的具体尺寸根据实际的设计而定。

图6-6 A3基本模架
Fig.6-6 Basal mold frame ofA3

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6.3抽芯机构的设计
根据换挡壳体的结构特点,模具应设有抽芯机构,本文采用斜销式抽芯机 构。抽芯机构中的各个零件属于滑动配合件,选用T8A为材料。

6.3.1抽芯距离的确定
抽芯后活动型芯完全脱离铸件的成型表面,并能使铸件顺利推出型腔。抽 芯距离的计算见式(6-4):
&?=S#十K (6.4)

式中S*——抽芯距离(mm):

S*—旨块型芯完全脱出成型处的移动距离(mm);

k安全值

由压铸件的结构尺寸可知,滑块完全脱出成型出的移动距离为35ram,此 时对应的安全值为5~8ram,取J&6。故抽芯距离S m=35+6=41ram。

6.3.2斜销的设计
6.3.2.1斜销直径的估算抽芯机构选用T型滑块结构。斜销所受的力,主要取
决于抽芯时作用于斜销上的弯曲力,斜销直径d的估算由公式(6-5)褥到。

d≥i/旦(6-5)
V 300C.0S1z

式中出—亲}销直径; R——斜销承受的最大弯曲力《10N)。许用抗弯强度取300MPa;
h——滑块端面至受力点的垂直距离(cm): 口——斜销斜角
根据公式和推荐尺寸斜销直径取d=20rion 6.3。2.2斜销长度的确定斜销长度的计算是根据抽芯距离S“固定端模套厚 度日、斜销直径d以及所采用的斜角a的大小而定。斜销总长度三的计算如 公式(6-6)所示。
L=三l+E2十己3

(6—6)

式中Ll——斜销匿定端尺寸《删∞; 上2——斜销开作段尺寸(ram); 工3——斜销工作导引段尺寸(一般取5~10 11"Im) 查表并计算得到斜销长度为£=147ram。

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6.4推出机构的设计
考虑到推杆推出方式的优点,本文设计中推出机构选用推杆推出方式。推 出机构一般由推出元件(如推杆、推管、卸料板、成型推块、斜滑块等)、复位 元件、限位元件、导向元件和结构元件等组成。

6.4.1推板及推杆固定板的设计

挑;。]争PCK 式中日—匡板厚度(锄);
推板的厚度按下式计算:

x10_7

(6.7)

P——推板负荷(N); C——推杆孔在推板上分布的最大跨距(cm); 口——推板宽度(era); 世——系数
推扳与推杆固定板的标准尺寸参考文献【52】中表(6.50),推板与推杆固定板 的厚度参考表(6-51)中的推荐尺寸。推板的长、宽、厚分别为240mm、
180ram、25ram;

推杆固定板的长、宽、厚分别为240mm、180mm、16ram。

推板、推杆固定板三维实体分别如图6.7、6-8所示。

图6-7推板
Fi96-7 The

图6.8推杆固定板
Fig.6-8 The pushing Ftxed

pushing幽te

platc

6.4.2推杆的设计
若每根推杆上的推出力超出压铸件被推出部位所能承受的许用应力,推杆 就会顶入压铸件内部,顶坏压铸件。推杆尺寸可按GB4678?11—84选用,推
-58-

譬查篓矍三銮:三兰翼圭耋竺篓圣
杆的截面积可按公式(6-5)计算。又因为推杆均为细长的杆件,因此还必须 校核推杆的稳定性。 选择推杆的规格(直径)和数量,主要依据是压铸件对模具的包紧力,从 而确定其作用在推杆端面的推力大小。推杆截面积计算如下:
R.

A,_T~
糟pJ

(6.8)

式中4——推杆推出段端部截面积(mmO; ,k——推杆承受的总推力(10N); 疗——推杆数量;

l仃I——压铸件的许用强度(10'Pa)
其中推杆的数量设计中考虑到铸件的形状特征定为7个。推杆属于滑动配 合件零件,所以材质选用4CrSMoVlSi钢。推杆的配合及参数见《压铸模具设 计手册》,推杆与孔的配合精度H71e8,所设计三种不同直径的推杆三维实 体造型如图6.9所示。

图6-9推杆
Fig.6-9 The pushing pole

6.4.3推板导柱与导套的设计
引导推板带动推出元件作往复运动的导柱通常称作推板导柱以区别定模套
板上的导柱。推板导柱和推板导套配合使用,以减少滑动摩擦。将推板导柱安 装在动模套板上与动模支撑板采用间隙配合。或不伸入到支撑板内,可以避免 或减少因支撑板与推板温度差造成热膨胀不一致的影响。推出机构由推出元 件、复位元件、限为元件等构成。

长度90ram,直径曲20蛐,固定端直径西28 mm。二者的三维实体造型如图6.
10和图6.11所示。

推板导柱和导套的主要尺寸参考文献【52】中表6.“和表6.45,其中导滑段

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图6.10推板导柱
Fig.6-10 The pushing-plate guide pin

图6.11推板导套
Fig.6.11 The pushing-plate

guide

sleeve

6.5模架具体尺寸的确定
模架设计主要是对已选用的基础模架,根据抽芯机构和推出机构的具体尺 寸以及对模架各个零件上孔类尺寸的要求,确定模具零件最终的尺寸。 定模座板根据所选压铸机的型号,确定U型槽和浇口安装孔的位置和尺 寸。螺栓孔的数量、位置及尺寸根据计算得出;动模座板根据压铸机型号确定 u型槽、顶出杆孔的位置和尺寸螺栓孔的数量、位置及尺寸根据计算得出。 定、动模座三维实体分别如图6.12、图6.13所示。

图6.12定模座板
Fig.6—12 The fixed mold bed plate Fig.6—13

图6-13动模座板

The moving mold bed

plate

定、动模套板的导套孔和螺栓孔的尺寸、位置由计算得出,同时根据抽芯 机构的尺寸确定定、动模套板的三维实体分别如图6.14、6.15所示。

图6.14定模套板
Fig.6-14 The fixed mold cleading Fig.6?15

图6.15动模套板

The

moving mold cleading

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支撑板的导柱孔的尺寸由计算得出,位置根据推出机构确定;推杆孔根据 压铸件的形状来定;螺栓孔的位置、尺寸与动模套板相对应。支撑板具体的三 维实体如图6.16所示

图6.16支承板
Fig.6-16 The bolster plate

套板导柱采用半圆形润滑槽导柱。套板导柱、套板导套的尺寸由计算和 动、定模套板的尺寸共同确定。三维实体造型图分别如图6.17,图6.18所 尔:

图6-17套板导柱
Fig.6-17 The guide pin of mold cleading Fig.6-18

图6—18套板导套

The

guide pin

bushing of mold cleading

6.6压铸模具的校核与装配
6.6.1压铸模具的校核
为了机器合模时能锁紧模具分型面,开模后能方便地从分型面间取出铸 件,需要对模具厚度和动模座板行程进行核算。

6.6.1。1模具厚度校核根据分型面在合模时必须贴紧的要求,所设计的模具厚
度,不得小于机器说明书所给定的最小模具厚度,也不得大于所给定的最大模 具厚度。据此,设计模具时,按公式(6-9)核算所设计的模具厚度””: 日曲+10s日设s日一一10
(6-9)

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式中日。——设计模具厚度(衄);
日。。——说明书中所给定的模具最小厚度(mm); 日。——说明书中所给定的模具最大厚度(mm)
根据设计可知:Hd。=200 rllln,H一=500 mm,模具厚度则为定模套板、定 模座板、动模套板、支承板、垫块以及动模座板的厚度之和,即:
H&=70+30+40+30+90+30=290 mm

可见H设满足公式(6—9),故设计中模具厚度符合要求。 6.6.1.2动模座板行程核算动模座板行程实际上就是压铸机开模后,模具分型

面之间的最大距离,即压铸桃型号所规定的动模座板行程。设计模具时,根据
压铸件的形状、,浇注系统和模具结构来核算是否满足取出铸件的要求,具体见 公式(6.10)”“。
L取≤L行

(6-10)

式中工取——开模后分型面之间能取出铸件的最小距离(mm);

k——动模座板行程(ram),L行=350 Innl
对于推杆推出机构
L取苫工芯+工件+K

(6.11)

式中工芯——型芯高出分型面尺寸(ram);

工*——包括浇注系统的铸件高度(rnm) K——安全值(取lOmm)
故工取=工芯+工件+K=24+34+10=68 mm,L斑量L行,满足要求。 通过以上对模具厚度及动模座板行程的校核,可以看出均满足模具结构要 求,加上对压铸机性能指标的校核,可以得出:所设计压铸模具结构合理,满 足要求。

6.6.2压铸模具的装配
压铸模具的装配借助于P耐,En西Ⅱeer软件的装配模块(Assembly),采用 中心定位的方法进行装配。装配顺序是分别装配模具的定模和动模,然后再将 定、动模装配在一起。图6-19是装配好的模具三维实体造型图。为了更形象直

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观的展现压铸模具各个组成部分之间的装配关系,我们制作了模具装配的分解 图,如图6.20所示。

图6.19模具装配图
Fi96?19 Assembly diagram of the mold

图6-20模具装配分解图
Fig.6-20 Exploded view of the mold

6.7本章小结
本章根据换挡壳体零件的结构特点,通过查表、计算,设计出该模具的 动、定模型腔等成型零件。根据已经确定尺寸的模架中各个零件,在标准模架 库中选用模架A3为本文模具的基本模架。在满足模具设计要点的基础上,根据

拙芯机构和推出机构的具体尺寸,进行查表、计算,设计出换档壳体零件模具
的动模和定模座板、动模和定模套板、套板导套、套板导柱、抽芯机构、推出 机构等。通过实际的设计过程达到了提高设计效率和减少配合误差的目的,表 明此种压铸模具设计的方案具有较高的实用价值。 本章对模具进行了校核和装配。校核表明模具设计合理。利用

Pro/Engineer软件的Assembly模块将模具各板块,按照实际生产的顺序进行装

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配。为了便于形象地展示模具内部装配结构,设计出模具装配分解图,较好的 反映了各组成部分间的装配关系。

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结论
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。具有密度小、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。数值模拟技术在铸造中的应用已经 受到普遍的重视,能够分析处理复杂形状的铸件,并进行全真的三维数值模

拟,达到优化模具设计的目的。
采用数值软件ProCAST模拟镁合金压铸件的充型和凝固过程,根据模拟 结果,指导镁合金汽车零件模具优化设计;建立标准模架库,根据模具优化设 计的结果,在模架库中选择合适的基础模架。在镁合金零件的压铸模具设计过 程中,主要得出以下几方面的结论: 1.镁合金零件在压铸生产时,不能直接将铝合金和其它性能相近合金的压 铸工艺用于生产镁合金压铸件,尤其是对于结构比较复杂的零件,在浇注系统 的设计时,必须考虑到镁合金流动性能好、凝固快、导热性好、熔点底等性 能。通过对镁合金压铸件进行数值模拟分析,验证了镁合金零件压铸生产时不 同于其它合金的压铸工艺。 2.研究P砌,E与ProCAST的多种接口形式,通过对接口形式的比较分析表 明:

Pm/E输出的Patran格式优于Ideas格式和ANSYS格式,Pro/E的有限元

内核更接近于Patran方式。表面网格优于体网格与实体方式,而Shell方式是 表面网格中最优方式。本文采用Shell方式输出Patran格式,表面网格由 MeshcAsT剖分体网格接口方式。 3.通过模拟分析换档壳体零件,得到在浇注温度为650℃、速度为40In/S、 模具温度为200℃的条件下,充型、凝固效果较好,铸件整体质量较高,需要 充型时间0.0579s,完全凝固时间10s。 4.通过对镁合金换档壳体浇注系统模拟,再现了压铸充型过程,可以看出 闭合式扇形浇注系统在内浇口处造成的夹渣缺陷和金属液对型芯的冲击明显少 于分叉式扇形浇注系统,更适合汽车换档壳体零件生产。 5.通过对比分析,两溢流槽方案能够很好的排出铸件厚大处和最后充型处 气体,有效地消除了这些区域的缩孔、缩松、裹气等缺陷;三溢流槽方案只能 消除最后充型处的缺陷,铸件上端厚大处的气体无法排出,必然造成此处缩 松、缩孔等缺陷集中。通过对溢流槽系统的模拟可以看出,两溢流槽方案比三

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溢流槽方案适合于该零件的设计。计算机模拟技术应用到镁合金压铸模具设计 中,可以有效地减少设计的盲目性,提高工作效率,减少成本投入。 6.在Pro/E的相关功能的基础上,分析了提取镁合金压铸模具标准模架的

特征共性及标准模架的层次结构,在此基础上建立了镁合金压铸模具的一般板
类三维标准库、特殊板类三维标准库、导柱库和导套库、装配库。通过设计可 以看出采用参数化特征造型技术建立标准件库,将参数化特征造型技术应用于 模具CAD系统将有效地提高设计效率和模具质量,具有很好的实用价值。 本课题在以上诸方面作了研究,但还有许多值得改进的地方。主要有以下 几个方面: 1.由于资金和时间的问题,没有对模拟结果进行实验验证,没有检验模拟 结果是否客观准确。 2.模具标准模架库建立不是很完善,应当建立数据全面的数据库,更能应 对柔性生产。

竺兰鋈型三查兰二兰竺!:兰竺尘兰

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Magnesium

AM60B

Instrument

Panel

Structure

for

Crash
in

Worthiness FMVSS 204 and 208

Compliance,Proc.European Magnesium
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Transport Conference,Cleremont?Ferrand:EMA,1
32 Peete

k,Winkler

1.Magnesium

Alloy AM50 Die Cast Experiment Shows Over Previous Findings.SAE Paper

Improved Mechanical

Characterization

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堕玺鎏墨三奎兰三兰銮圭兰竺丝兰
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堕玺鎏垩三盔兰三:璧圭兰堡篓兰
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52潘宪曾.压铸模具设计手册.第2版.机械工业出版社,2001:160~200 53于百库.Pro/ENGINEER与ProCAST接口方式的探讨.PTC用户精英大 会,海南博鳌,2002:43
54 J.C.Tannehill,D.A.Anderson and R.H.Pletche,Computational Cluid

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Francis,1997:314 55赵浩峰.现代压力铸造技术.中国标准出版社,2003:56~63

.70.

啥尔滨理工大学工学硕士学位论文

攻读硕士学位期间发表的学术论文
1马秋,于彦东,赵康培.镁合金压铸充型过程的数值模拟技术研究.哈尔滨 理工大学学报,2004,9(4):28~30

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文

致谢
本课题及论文是在导师于彦东教授的悉心指导与帮助下完成的。于老师的 崇高人格无时无刻不在影响着我,用丰富的阅历激励我,从于老师身上我不但 学到了丰富的专业知识,同时还明白了许多为人处事的道理。 在此,首先向于老师表示最衷心的感谢1.感谢她两年多以来为我提供了良 好的科研与学习环境;感谢她在模具设计过程中给予的技术支持与经济援助; 感谢她为我在人生中树立了正确的人生观及世界观。 在课题进行过程中,还得到了哈尔滨ID压铸模具有限公司赵发庆厂长、 金荣贵高级工程师、齐齐哈尔机车厂方志平高级工程师等人的热心帮助,他们 在模具设计工艺和数值模拟方面给予我指导性建议,使我积累了大量的实践经 验,在此向他们表示最诚挚的谢意! 其次,我要感谢我的师哥赵康培、同学于爽、实验室的师弟师妹们对我课 题的帮助和支持,我很高兴能在这样一个团结和睦的环境中学习和生活,祝他 们学业有成。 最后,再次向我的导师及热诚帮助过我的所有老师和同学致以诚挚的谢 意!

镁合金汽车零件压铸模具设计与数值模拟研究
作者: 学位授予单位: 马秋 哈尔滨理工大学

参考文献(55条) 1.邓玉勇.朱江.李立 新型金属材料镁合金的发展前景分析[期刊论文]-化工技术经济 2002(4) 2.彭晓东.李玉兰.刘江 轻合金在汽车上的应用[期刊论文]-机械工程材料 1999(2) 3.Mitsuguki I.Murakami S Development and Application of Aluminum Extrusion for Automotive Parts 1993(04) 4.Nussboum ai 52nd Annual IMA World Magnesium Conference 1995(7-8) 5.张珣 镁合金产业的现状与发展 2002(09) 6.吕宜振 镁合金铸造成形技术的发展[期刊论文]-铸造 2000(7) 7.刘正.王越.王中光.李锋.申志勇 镁基轻质材料的研究与应用[期刊论文]-材料研究学报 2000(5) 8.茂长部 欧洲市场镁铸造的现状 2000 9.Brown R E Magnesium at NADCA Congress and Exposition 2000(3-4) 10.Li QF Casting and HIPping of Al-based MMCs 1995(06) 11.邓玉勇.朱江.李立 新型金属材料镁合金的发展前景分析[期刊论文]-科技导报 2002(10) 12.Robert Brown 查看详情 1997 13.曾小勤.王渠东.吕宜振.丁文江.朱燕萍 镁合金应用新进展[期刊论文]-铸造 1998(11) 14.Alan Luo.Jean Renaud.Isao Nakatsugawa Magnesium Castings for AktomotiveApplications 1995(07) 15.张鹏.曾大本 异军突起的镁合金压铸[期刊论文]-特种铸造及有色合金 2000(6) 16.刘正.曾小勤.张奎 镁基轻质合金理论基础及其应用 2002 17.Deck R F.Carnahan R.Vining R Progress in Thixomold ing 1996 18.刘祚时 镁合金在汽车工业中的开发与应用[期刊论文]-轻金属 1999(1) 19.Paul M Brulower Automotive Die Casting Magnesium Reviving up for 21th Century 1997(03) 20.耿浩然.崔红卫.赵鹏 镁合金的应用与发展动态[期刊论文]-铸造技术 2002(4) 21.ong K P Recent Advances in Semi-solid Metal (SSM) Cast Aluminum and Magnesium Components 1992 22.郭以骏 皮江法镁厂要抓质量重开发求发展 1999(03) 23.K S Tong.B H Hu Cavity Pressure Measurements and Process Monitoring for Magnesium Die Casting of a Thin-wall Hand-phone Component to Improve Quality 2002(02)

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相似文献(10条) 1.期刊论文 刘新宽.向阳辉.胡文彬.丁文江 镁合金汽车零件的腐蚀与防护 -材料导报2003,17(8)
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引证文献(2条) 1.郭泽峰.林颖.常永贵.付永清 汽车发动机镁合金缸盖罩充型及凝固模拟[期刊论文]-铸造技术 2008(6) 2.常永贵.胡清明.刘斌.林颖 汽车发动机镁合金缸盖罩压铸过程数值模拟[期刊论文]-现代铸铁 2008(2)

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