（材料加工工程专业论文）基于cae镁合金手机壳体压铸模具设计的研究.pdf

啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于c a e 镁合金手机壳体压铸模具设计的研究 摘要 本文从压铸过程的数学物理模型出发，阐述p r o c a s t 软件进行压铸过程 数值模拟的实现方法。利用p r o c a s t 对镁合金手机壳体零件进行其压铸过程 流场、温度场数值模拟，以此来优化浇注系统和设置排气和溢流系统。在此 基础上，耦合应力场进行数值计算，确定易发生热裂的部位，分析压铸工艺 参数对其热裂倾向的影响，优化压铸工艺。 压铸模具设计是一个比较复杂的过程。针对压铸模大部分零件的设计所 采用的数学模型和产品结构都是固定不变的，只是零件的结构尺寸有差异。 本文利用p r o e 参数化特征造型在保持几何、拓扑结构不变的情况下，以单 一的全关联的数据库实现模型的快速再生的特点，利用其二次开发的接口 p r o t o o l k i t 完成压铸模具系列化零件的参数化设计系统的设计，以缩短压 铸模具设计的设计周期，对提高企业的竞争力起到一定的促进作用。 本文在数值模拟优化设计的基础上，完成模具成型零件的设计。利用 p r o e 的装配体随零件更新而自动更新的特点，把模架的主要零件的三维样 板根据面面匹配及螺钉孔对齐的原则装配成模架样板。利用已完成的压铸模 具系列化零件参数化设计系统，根据零件确定的尺寸快速对模架中的样板零 件进行模型更新，从而快速将模架样板更新成设计所需要的模架。在装配的 环境下根据成型零件完成抽芯机构和推出机构的设计。为了更能体现各零件 的装配关系，将其转化成二维装配工程图，可以看出，利用实体设计更能体 现产品设计的过程，同时增加设计效率。 关键词镁合金；压铸模具设计；数值模拟；参数化设计 ：堡鎏垩三查兰三兰翌圭主竺兰兰 r e s e a r c ho nd e s i g no fd i e c a s t i n gd i e f o rm a g n e s i u mh a n d s e ts h e l lb a s e d o nc a e a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t ht h em a t h e m a t i c sp b y s i c a lm o d e lo fd i e c a s t i n g p r o c e s s n l ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fp r o c a s ts o f t w a r e f o rd i e c a s t i n g p r o c e s s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r er e p r e s e n t e d i no r d e rt oo p t i m i z er u n n e ra n d g a t es y s t e ma n dl o c a t e a i rv e n ta n do v e r f l o ws y s t e m 。t h ef l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa p p l i e di nt h ed i e - c a s t i n gp r o c e s so f t h eh a n d s e ts h e l lc o m p o n e n t s b a s e do nt h i sf o u n d a t i o n , i no r d e rt ol o c a t et h eh o t t e a r i n g , a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd i e - c a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro nh o tt e a r i n g t e n d e n c y a n do p t i m i z ed i e - c a s t i n gp r o c e s s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u p l e d w i t hs t r e s sf i e l dw a sa p p l i e d t h ed i e c a s t i n gd i ed e s i g ni saq u i t ec o m p l e xp r o c e s s i nr e v i e wo ft h e m a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ep r o d u c ts t r u c t u r ew h i c hi su s e di nd i e - c a s t i n gd i e m a j o r i t yc o m p o n e n t sd e s i g n s a l la r ef i x e di n v a r i a b l e ，o n l yt h ec o m p o n e n t s s t r u c t u r es i z eh a st h ed i f f e r e n c e t h ea r t i c l eu s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o e p a r a m e t e r c h a r a c t e r i s t i cm o d e li nt h es i t u a t i o nm a i n t e n a n c e g e o m e t r ya n d t o p o l o g yi n v a r i a b l e ，b yt h es o l ee n t i r ec o n n e c t i o nd a t a b a s er e a l i z a t i o nm o d e lf a s t r e g e n e r a t i o n , u s e sp r o t o o l k i tw h i c hi t ss e c o n d a r yd e v e l o p si n t e r f a c et o c o m p l e t et h ed i e - c a s t i n gd i es e r i a t i o nc o m p o n e n t sp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m ， w h i c hr e d u c e st h ed i e c a s t i n gd i ed e s i g nc y c l ea n dg i v e st h ec e r t a i np r o m o t e r a c t i o nt oe n h a n c e st h ee n t e r p r i s et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y b a s e do no p t i m i z e dd i ed e s i g nt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h em o l d e d c o m p o n e n t sd e s i g nw a sc o m p l e t e d u s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o ea s s e m b l y b o d yw a sr e n e w e da l o n g 诵t ht h ec o m p o n e n t sw e r er e n e w e d , a c c o r d i n gt ot h e s u r f a c em a t c ha n dh o l ea l i g n m e n tp r i n c i p l e ；t h ed i ef r a m ea s s e m b l yb o d yw a s c o m p l e t e dw i t l li t sm a j o rp a r t s3 dm o d e lp a t t e r n a c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n e d - - 竺玺釜耋三查兰三兰罂圭兰竺鎏兰 s i z eo ft h ec o m p o n e n t so ft h ed i ef r a m e ，t h ed i e c a s t i n gd i es e d a t i o nc o m p o n e n t s p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mw a se x e c u t e dt or e n e wt h ep a t t e r n , t h u st h ed i ef r a m e m o d e ! w a sf a s tr e n e w e d a c c o r d i n gt ot h es i z eo ft h em o l d e dc o m p o n e n t s ，t h e m e c h a n i s mo fl o o s et h ec o r ea n de j e c t i n gw e r ed e s i g n e du n d e rt h ea s s e m b l y e n v i r o n m e n t i no r d e rt om a n i f e s tv a r i o u sc o m p o n e n t sa s s e m b l yr e l a t i o n s ，t h e t w o - d i m e n s i o n a la s s e m b l ye n g i n e e r i n gd r a ww a sc o n v e r t e df o r m3 da s s e m b l y b o d y i tc a r lb es e e ，t h ep r o d u c td e s i g nw a sm a n i f e s t e dc l e a r l yt h r o u g ht h e p r o c e s so fs o l i dd e s i g n , a n ds i m u l t a n e o u s l yt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g nw a s i n c r e a s e d 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 gd i ed e s i g n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p a r a m e t r i cd e s i g n n i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a e 镁合金手机壳体 压铸模具设计的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：互 霆荤 日期：川年多月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c a e 镁合金手机壳体压铸模具设计的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：7 刀年3 月，日 日期：年弓月7 声 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 能源、环境和安全是当今世界极为关注的三大问题：资源消耗少、环境污 染轻、技术含量高是制造业发展的三大目标。因此，高性能轻质材料的不断开 发和应用越来越引起各行业的关注。以质轻和可回收利用为应用特点的镁合金 结构材料的开发和应用已经得到越来越多的研究和关注，镁合金的使用量也呈 现出逐年增加的趋势。 1 1 镁合金概述 1 1 1 镁合金的优点 镁合金作为目前最轻的金属材料，具有许多优点f l l ； 1 镁合金重量轻，密度为1 7 5 - 1 。9 0 9 c m 3 ，约为铝合金的6 4 ，锌合金的 2 7 ，钢的2 3 ，是轻型的金属结构材料之一。 2 镁合金具有很高的比强度高、比刚度和比弹性模量，比刚度接近铝合 金和钢，远高于工程塑料，在铸造材料中仅次于铸造钛合金和高强结构钢。 3 镁合金具有良好的阻尼减震性，受力时能产生较大的弹性变形，因而 在受冲击载荷和振动时能吸收较大的能量。镁合金的弹性模量低，约为 4 5 0 0 0 m p a ，因此具有良好的能量吸收能力。在弹性范围内，镁合金件受到冲 击载荷时吸收的能量比铝合金件大l 倍，所以镁合金具有良好的抗震减噪性。 4 镁合金具有良好的压铸性能，抗拉强度和铝合金相当，一般可达到 2 5 0 m p a ，最高可达到6 0 0 m p a 以上镁合金的屈服强度、延伸率也和铝合金 接近。 5 镁合金件具有良好的机械加工性能，镁合金可以很高的速度进行切削 加工，其相对能耗低于其他金属。镁合金件的切削速度可比铝合金件提高 5 0 ，加工能耗比铝合金件低5 0 0 , 6 。 6 镁合金具有良好的电磁屏蔽性、防辐射性能。 7 镁合金具有良好的尺寸稳定性。镁合金件突出的特性是不需要退火和 消除应力就具有很好的尺寸稳定性，且在负载下具有较高的抗蠕变强度。 8 镁合金可做到1 0 0 的回收重复利用，因此被称为2 l 世纪的绿色金属 材料。 兰至鎏登三銮耋王：登圭：竺兰兰 1 1 2 镁合金的缺点 1 镁与氧的化学亲和力很强，且表面生成的氧化膜是不致密的，液态下 该表面更疏松，故氧化剧烈，很容易燃烧。氧化膜致密与否是由它的致密度系 数决定的，镁的值是o 7 9 ，远小于1 ，故氧化膜是疏松的。疏松且导热性能差 的氧化膜的包覆不能阻碍镁和氧气的结合因此镁合金的熔炼和铸造均需要采用 专门的防护措施。熔炼通常在熔剂覆盖下进行。但易引起铸件中有氧化夹杂和 熔剂夹杂。用气体保护熔炼，可避免夹杂缺陷。砂型和金属型涂料中也应加入 游氧化剂，防止铸件凝固前后发生严重氧化或燃烧。热处理时加热也应在保护 气氛下进行。 2 镁的标准电极电位比铝低，并且它的表面氧化膜不致密，所以抗蚀性 差，镁在潮湿大气、海水、无机酸及盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧 烈腐蚀。所以镁铸件均需要进行表面氧化处理和涂漆保护。镁铸件在装配或镶 铸中应避免与铜、含镍钢等零件直接接触，否则会引起电化学腐蚀，所以用绝 缘物隔开1 2 l 。 1 2 镁合金铸造工艺特点 镁的化学性质很活泼，它与氧的亲和力很大，常温下反应速度缓慢，一般 不会燃烧。但在较高的温度下，镁及其合金与氧发生激烈的反应： 2 m g + 0 2 - - 2 m g o + 6 1 1 5 8 2 k j( 1 - 1 ) 镁与水的作用，常温下反应缓慢； mg+h20=mgo+h2(1-2) m g + 2 h 2 0 = m g ( 0 i - i ) 2 + i - 1 2 ( 1 - 3 ) 在高温下反应剧烈： m g + h 2 0 = m g o + h 2 + 3 2 4 4 1 9 k j( 1 - 4 ) 这一反应释放出的热量使水受热汽化，其体积膨胀几千倍。同时所生成的 游离态的氢再次与空气中的氧结合释放热量，因而会导致猛烈的爆炸 液态镁与空气中的n 2 反应如下； 3 m g + n 2 = m g o n 2 + 4 8 5 5 1 2 k j ( 1 5 ) 液态镁与空气中的s i 0 2 反应如下： 3 m g + s i o f 2 m g o + m g s i + q ( i - 6 ) 上述反应生成氧化镁、镁的氮化物、镁的硅化物和游离的氢，同时都放出 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 大量的热。由于覆盖在液态金属表面的氧化镁致密度很低，导热性能很差，因 此，反应时释放出来的大量热量不能迅速的散发出去，使得反应界面上的温度 迅速提高。温度的提高又加速了镁的气化，使镁的燃烧加剧。如此恶性循环， 反应界面上的温度越来越高，最高可达2 8 5 0 ，并发出耀眼白光的浓烟f 3 j 。 由于镁具有上述特性，所以镁合金在熔炼和浇注过程中都需要保护。常用 的保护措施有以下两种。 1 溶剂保护，为了防止镁液的氧化燃烧，生产中一直采用在熔剂层的保 护下熔炼。其作用有两方面：第一，覆盖作用。熔融的熔剂借助表面张力的作 用，在镁液表面形成一层连续、完整的覆盖层，隔绝空气，阻止m g 和0 2 、 h 2 0 反应，防止了镁的氧化和燃烧。第二，精炼作用。熔融的熔剂对非金属夹 杂物有良好的润湿、吸附、聚合造渣能力，并利用熔剂与金属的密度差，把金 属夹杂物随同熔剂从熔体中排除。镁合金熔剂主要由m g c 比、k c i 、c a f 2 、 b e c l 2 等氯盐、氟盐混合物组成。 2 气体保护，由于熔剂保护容易引进非金属夹杂使镁合金的性能和耐蚀 性下降，所以目前多使用气体保护。常用的保护气体有s f 6 、c 0 2 、s 0 2 以及惰 性气体。气体保护是在镁液表面覆盖惰性气体或与镁夜反应生成致密保护膜的 气体，从而隔离空气中的氧，达到保护的目的。s f 6 混合气体保护气氛在当前 的镁合金熔炼和生产过程中被广泛采用。它几乎是一种无毒的保护方法，同时 不含熔剂夹杂，极大的提高了合金的抗蚀性。那主要是因为s f 6 和空气混合气 体与镁液接触后发生如下反应： 2 m g ( l ) + 0 2 = 2 m g o ( s ) ( 1 - 7 ) 2 m g ( i p o 矿s f 6 = 2 m g f 2 ( s ) + s 0 2 f 2 ( s ) ( 1 8 ) 2 m g o ( s ) + s f 0 = 2 m g f 2 ( s ) + s 0 2 f 2 ( s )( 1 - 9 ) 其中主要产物是m g o ，也含少量致密系数1 6 的m g f 2 ，它们一起可形成 连续致密的保护膜，对熔体起到良好的保护作用1 4 1 。表l 二l 为s f 6 混合气体在 不同情况、不同配比下的适应情况 2 1 。 表i - 1 混合气体在不同情况、不同配比下的适应情况 镁液温度( )表面是否有搅动覆盖剂是否污染混合气体配比 6 5 0 7 0 5无无 空气+ 0 1 s f 6 6 5 0 7 0 5有无 空气+ 0 2 s f 6 6 5 0 7 0 5有有 7 5 空气+ 2 5 c 0 2 + 0 2 s f 6 7 0 5 川6 0有无 5 0 空气+ 5 0 c 0 2 + 0 3 s f 6 7 0 5 - - 7 6 0有有 5 0 空气+ 5 0 c 0 2 + o 3 s f 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 压力铸造技术概述 1 3 1 薄壁铸件及其铸造特点 镁合金具有许多优于其他金属材料的性能，从而使其在航空、航天、汽 车、电子等领域具有广阔的应用前景，而这些领域铸件结构的薄壁化和性能强 化是产品轻量化发展的前提。 薄壁铸件一般具有如下特征嗍： 1 在薄壁铸件的浇注过程中，由液态金属表面张力引起的拉普拉斯力占 主要作用。拉普拉斯力的计算公式如式( 1 1 0 ) ： 。 p = 2 咕+ 旁 m t ，一u 一 式中盯液态金属的表面张力； 以、旁铸件在x 、y 方向的壁厚 2 薄壁铸件具有精密铸件的含义。 3 传热学因素在充型过程中起重要作用。铸件的温度场以及缩孔、疏 松、欠铸、冷隔、氧化夹杂等铸造缺陷的形成有流动学因素和传热学因素共同 确定。 除了拉普拉斯力的影响外，金属液的粘滞力也是影响薄壁件充型的重要因 素。考虑到拉普拉斯力和粘滞力对充型能力的影响，对于不同类型的铸件，薄 壁铸件的壁厚一般在小于3 n a n ，这样采用传统铸造技术就很难生产。薄壁铸件 能否顺利生产的关键在于金属液能否顺利充型。金属液只有完全充满型腔才能 够获得形状完整轮廓清晰的铸件。 为了实现金属液对型腔的顺利充填，人们常常采用提高金属液的浇注温度 或对铸型进行预热的方法。采用这两种方法的目的在于改善金属液的流动性。 延长金属液的流动时间，从而在一定程度上能够达到顺利充型。但是，这样做 必然会引入过多的热量，使得金属液冷却速率减小，温度梯度和凝固速度降 低，导致铸件凝固后晶粒粗大，缩孔缩松缺陷增多，恶化了铸件性能。另外， 由于金属液与铸型的润湿角很小，所以当铸件壁厚小到某一临界值时，金属液 本身的压力与薄壁处金属液毛细效应形成的拉普拉斯力相当，从而也不能顺利 充满型腔。所以这不是一种理想的解决薄壁件充型的办法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 人们在不断改进薄壁铸件铸造工艺的过程中发现，当金属液的自重无法提 供充型顺利进行的压力时可以通过对金属液施加压力来实现顺利充型。压力铸 造就是基于这样的考虑而形成的一种铸造工艺。 1 3 2 压力铸造技术简介 压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的少、无切削的特种 铸造方法。它是将熔融金属在高压高速下填充铸型，并在高压下结晶形成铸件 的过程【6 1 。 高压和高速充填压铸型是压力铸造的两大特点。在压力铸造中，一般作用 在金属上的压力在2 0 m p a 2 0 0 m p a 范围，填充的初始速度为1 5 m s 7 0 m s ，充型 时间仅为0 0 1 s , - 4 ) 2 s 。与其他铸造方法相比，压力铸造有以下特点： 1 产品质量好。铸件尺寸精度高，一般相当于6 7 级；表面光洁度好，表 面粗糙度在r a 3 2 以下；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高2 5 3 0 ， 但延伸率降低为7 0 ；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件，通常铸 件壁厚是2 - 6 n u n ，小铸件可以做得更薄，大铸件可以更厚。 2 生产效率高。压力铸造的生产周期短，一次操作的循环时间约 5 s o r a i n ，这种方法适用于大批量生产。 3 经济效果优良。由于压铸件尺寸精确，表面光洁。一般不再进行机械 加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的 加工设备和工时；可以采用组合压铸，既节省装配工时又节省金属。 1 4 镁合金压铸的应用现状 镁合金材料1 8 0 8 年面世，1 8 8 6 年开始用于工业生产。镁合金压铸技术从 1 9 1 6 年成功地将镁合金用于压铸件算起，至今也经历了近九十年的发展。人类 在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫长的探索历程。从 1 9 2 7 年推出高强度m g a l 9 z n l 开始，镁合金的工业应用获得了实质性的进展。 1 9 3 6 年德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫 汽车的发动机传动系 统零件，1 9 4 6 年单车使用镁合金量达1 8 k g 左右美国在1 9 4 8 1 9 6 2 年间用热 室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百万件。尽管如此，过去镁合金作为 结构材料主要用于航空领域1 7 1 。 在今天人们更关注可持续发展和环境保护时，以质轻和可回收利用为应用 特点的镁合金结构材料的开发和应用越来越受到世界各国的重视，并日益成为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 现代工业产品的理想材料 s l 。目前汽车向着更安全、更轻便、更省材与更节 能、更舒适、环境污染更轻的方向发展，要求对汽车采用新的概念设计，这为 镁合金在汽车工业中的应用开辟了更加广阔的领域。镁及镁合金的需求量一直 呈稳定增长的趋势，根据国际镁协会估计，未来随着世界汽车工业的发展，将 促进镁需求量持续增长。今后l o 年，汽车工业对镁需求量的年增长率将达 7 p i l 】。 镁合金在汽车上的应用主要用于制造汽车零部件，如仪表板底衬和横梁、 座椅框架、方向盘柱、发动机盖、变速器壳体、进气歧管和凸轮盖等。在各种 汽车零部件中，采用镁合金制造，具有不同的目的。例如：发动机系的零部 件，如气缸罩、飞轮等，采用镁合金制造，主要以减轻重量为目的，镁合金制 造的零件可以比铝合金制造的同类零件更轻。但以当前生产现状来看，其生产 成本相对较高，目前仅在有限的轿车车种上使用；操纵杆系统零部件如踏板托 架、采用镁合金材料制造，利用先进的成形技术，使若干个操纵杆零部件成为 一体化结构，既减轻了重量，又使产品具有高的附加值，方向盘的内芯，采用 镁合金材料可以吸收振动，提高减震性。 据报道，现在世界工程构件镁合金需求的9 8 来自于压铸行业，而其中的 7 0 以上又用于汽车工业，因此镁合金的压铸工艺性能在汽车工业中起着决定 性的作用。但随着家电产品往轻薄短小方向发展，以及各种要求零故障的便携 式通讯设备需求量大增，再加上对电磁相容及环保回收要求的提高，镁合金压 铸业逐渐被电子业人士看好。过去使用塑料或铝合金的电子产品，如笔记本电 脑、磁盘机、数码相机、数码摄录机、m d 机、手机等，现已逐步转用镁合金 材料：例如用镁铸材料制成的笔记本电脑，会更小、更薄、更轻；镁铸材料可 阻挡电磁辐射，保护用户健康。目前许多手机厂商用镁铸材料手机外壳替换塑 料外壳；用外部处理技术将镁铸材料处理成不同颜色、不同质地的材料，用于 高档电信和电脑产品。目前日本及欧美有越来越多的厂家开始采用镁合金制造 家电产品机壳。如美国w h i t em e t a lc a s t i n g 公司生产的外壳尺寸为6 1 0 r a mx 6 1 0 r a m 的计算机外壳，就是用镁合金压铸而成的。日本国内笔记本电脑、电 视机、摄录器材、移动电话外壳已大量采用镁合金，韩国l g 集团也在关注镁 合金部件的开发，所属元佑精密仪器厂引进热压机1 0 0 台，已开始批量生产移 动电话部件。 我国压铸镁合金在电子产品中的应用刚刚起步，目前国家科技部已把镁材 料的开发应用列入高新技术发展计划，我国在计算机部件及家用电器方面使用 镁合金的计划和试验正在进行，计算机部件的生产，将推进这一计划的实施。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 而移动电话部件的镁合金化国内也已着手研究，海尔集团目前正准备将其生产 的手机塑料外壳用镁合金外壳代替，科键、波导等多家电器生产厂商也有将塑 料手机外壳改用镁合金材料的意向。目前建设规模为年产1 6 0 0 万件电子用镁 压铸件的山东青岛金谷镁业有限公司已建成投产。另外还有一些台商、港商已 开始在大陆投资建设电子产品用镁合金压铸件，如珠江三角洲一带已成为台、 港、日资电子、电脑及其他轻工业的重要生产基地，目前这一地区镁压铸厂家 已达l o 家以上，主要生产3 c ( 计算机、通讯、电子消费品) 产品的部件0 2 1 。 1 5c a d c a e 在压铸的应用现状 虽然镁合金具有良好的压铸工艺性能，和经过8 0 多年发展的镁合金压铸工 艺已趋成熟，但由于镁合金液氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔 化、浇注及压铸型温控制等方面都比铝合金压铸复杂。镁合金充型时间短，排 气问题尤为突出，镁合金的比热容和相变潜热均比铝合金低，因而压铸过程中 容易发生局部( 薄截面部位) 提前结晶现象，导致补缩通道堵塞，产生浇不足的 缺陷【“l 。因此镁合金压铸型设计、工艺参数设计不能照搬铝合金压铸，必须 深入地开展镁合金充型及凝固过程的研究。借助数值模拟的仿真过程，可以直 接的观察到熔化金属充填铸件型腔的流动。其中好处包括： 1 铸件型腔充填是否连续，或哪个区域比其它地方充填慢； 2 是否存在任何困气； 3 哪个地方存在卷气或旋涡； 4 流动前沿是否连续，或者是否存在脉冲和飞溅； 目前，数值模拟被广泛认为是优化工艺设计的最佳途径。美国、德国、日 本等国的镁合金压铸企业十分重视镁合金c a d c a e 技术在产品生产工艺设计 上的应用，并取得了一定成果。如美国芝加哥w l l i t cm e t a l 铸造公司采用c a e 软 件获取薄壁家电产品机壳流场、温度场的各种信息，据此进行浇道、溢流槽和 冷却系统优化设计。利用模拟结果绘制p q 2 图，综合考虑多种因素的影响，最 终确定生产工艺中采用的最佳工艺参数值l 。德国大众公司在开发奥迪5 倍速 镁合金变速箱体时采用m a g m a s o r 软件成功分析了模具的可填充性、铸件凝固 过程以及包括复杂冷却系统的模具热平衡。基于流动分析，流道系统也得到了 优化，目前，这种产品己应用于p a s s a t 及奥迪a 4 、a 6 轿车上【1 6 1 1 7 1 。同样，福特 汽车公司在开发5 a 升t r i t o n 发动机壳体时，采用p r o c a s t 进行了流动场与温度 场的耦合分析，优化了产品结构并缩短了开发周期。新加坡g i n t i e 制造技术学 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 院采用热室压铸机对镁合金手机外壳进行生产，利用计算机辅助设计和模拟分 析一体化技术，通过计算机展示镁合金充型、凝固的全过程，并分析缺陷成 因，改进不合理的浇注系统工艺设计方案，有效地保证了产品质量i i 耐。同时， 我国在铝、锌合金压铸的数值模拟方面己经开展了大量的工作，目前主要以压 铸件充型的流场数值模拟、压铸模压铸件温度场模拟，压铸模压铸件应力场 数值模拟为主。如沈阳铸造研究所和香港理工学院研究了压铸计算机模拟浇口 位置对金属液充型过程的影响。王贵等利用p r o c a s t 对铝合金压铸件充型和凝 固过程进行了数值模拟l l ”1 i 。清华大学的李朝霞通过利用清华大学c i f t 研究室 开发的有限元有限差分集成应力分析系统，模拟了镁合金压铸用模具在压铸 过程承受的应力场和变形l 删。 1 6 课题的研究内容和意义 随着镁合金铸件的应用领域日趋广大，对压铸镁合金的充型性能提出了更 高的要求。而目前对镁合金压铸的充型规律、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，有待进行深入的研究。鉴于镁合金压铸理论尚 未成熟，应大力开展镁合金压铸充型和凝固过程的计算机模拟的研究，并在此 基础上形成专家系统，以指导压铸工艺的制定、压铸模具设计、压铸件质量控 制、提高镁合金压铸件的合格率及压铸模具的使用寿命计算机数值模拟压铸 过程，可以帮助工程技术人员在计算机上进行模拟计算。通过模拟计算，可在 实际生产前对铸件可能出现的缩孔缩松和热裂的大小，部位和发生的时间进行 有效的预测，以便于不断改进工艺，有效控制充型及凝固过程，达到缩短产品 试制周期，降低生产成本，确保铸件质量的目的，使铸造生产由单凭经验的生 产转变为科学理论指导下的生产。应用铸造过程数值模拟技术来改造和提升传 统铸造技术，对于提高企业竞争力，提高企业经济效益具有重要的现实意义。 目前，手机壳体零件一般用塑料生产。伴随着世界对能源和环保日益关 注，同时为了满足电子通讯产品抗干扰及屏蔽等的需要，很多手机生产商正准 备用镁合金代替塑料来生产手机壳体零件。a z 9 1 d 是应用非常广泛的铸造镁 合金之一，其铸件大多为复杂薄壁结构，目前多采用压铸方法生产，但是压铸 很容易导致铸件卷气夹渣等缺陷，而且镁合金的热裂倾向很大，容易产生热裂 纹，造成铸件的报废。本文以发展镁合金压铸为远景目标，致力于解决镁合金 代替塑料的实际问题，以常用的a z 9 1 d 镁合金为研究对象，进行以下几方面 的研究工作。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 利用p r o e 软件对镁合金手机壳体零件进行三维实体造型，同时对铸 件进行浇注系统的设计，并建立有限元分析模型； 2 利用p r o c a s t 对镁合金手机壳体零件进行流场、温度场分析，优化浇 注系统，消除和减小铸件的卷气夹渣缺陷； 3 针对a z 9 1 d 镁合金的热裂倾向大，利用p r o c a s t 对镁合金手机壳体零 件进行应力场分析，预测铸件热裂发生部位，同时以热裂倾向的大小做量化目 标，确定工艺参数对铸件发生热裂倾向的影响程度和优化工艺参数； 4 根据模拟结果对镁合金手机壳体零件进行压铸模具设计，为了提高模 具设计效率，对模具标准件进行基于三维模型参数化c a d 的研究，同时为了满 足加工单位对c a d 工程图的需求，在p r o e 的实体图转工程图方面进行研究。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章p r o c a s t 压铸数值模拟数学物理模型描述 p r o c a s t 软件是美国u s e 公司开发的铸造过程仿真模拟软件，是评价和 优化铸造工艺而开发的专业c a e 系统，在铸造界享有很高的声誉。p r o c a s t 软件的产生是基于铸造过程数值模拟技术的发展和成熟。它可以通过设置不同 的参数来模拟多种铸造工艺，包括砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、低压铸 造、压力铸造等。除了能进行流场、温度场的模拟外也能够进行热应力模拟、 微观结构模拟1 。本课题主要应用p r o c a s t 软件来模拟压铸的充型凝固过程 以及凝固过程的热应力情况，所以本章主要阐述p r o c a s t 如何构建压铸过程 充型、凝固和热应力的数学模型以及如何对缩孔缩松、热裂倾向缺陷位置预测 的实现。 2 1p r o c a s t 数值计算一般过程与方法 针对压铸充型和凝固过程的基本方程，常用的数值计算方法有：有限差 分、有限元法、边界元法等。和有限差分法相比较，有限元法在节点的配置上 比较任意，对于复杂铸件可以使边界节点完全落在区域边界上，在边界上给出 较好的逼近；对于多种材料组成的系统，可以通过把节点取在分界面上而得到 较好的处理。对于本课题采用的p c a s t 铸造模拟软件是基于有限元法的 p r o c a s t 数值模拟系统工作流程如图2 1 所表示，一般包括几何模型的建 立，网格划分，前处理( 初始条件和边界条件) 的确定，数值计算，计算结果的 处理及图形显示等具体环节。 图2 - 1p r o c a s t 数值模拟系统工作流程 f i g 2 - lt h ew o r kf l o wo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hp r o c a s t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 充型过程数学描述 压铸充型过程中液态金属的流动遵循流体力学规律，可用质量守恒和动量 守恒的基本控制方程来描述；而充型过程中的金属液与铸型之间的热交换可以 建立热量平衡方程来描述。具有自由表面的非稳定流动计算的关键问题在于确 定自由表面的位置，跟踪自由表面的移动，处理自由表面的边界条件渊。 解决上述问题，有限差分法通常采用s o l a - v o f 法和m a c 法嗍唧，而 p r o c a s t 是世界范围内最早采用有限元方法处理充型过程的商品化软件，基于 g a l e r k i n 方法。 在铸件充型数值模拟过程中，将金属液看作不可压缩的流体，其流动过程 服从质量和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和n a v i c r - s t o c k s 方程1 1 9 1 。 1 连续性方程： d ：塑+ 鱼+ 塑：o 锄砂瑟 ( 2 - 1 ) 2 n - s 方程( 动量亨恒) 4 鲁+ 甜罢+ v 考+ w 鲁】= 一安+ p g , + a v 2 “( 2 - 2 ) x + z vq 石瓦+ v 万+ w 西j - 一言+ p “ 4 鲁+ “昙言+ w 笔】= 一考+ p g ，+ v 2 v ( 2 - 3 )q 瓦枷面面+ w 瓦j - 一茜+ p g ，+ v 1 枵+ “罢+ v 考+ w 警】一鲁+ p g ：+ v 2 ，( 2 - 4 )q 百州瓦+ v 面+ w i j - 一言+ p g ：叫v w 式中“、v 、w 速度矢量在x 、y 、：方向上的分量。 d 散度； p 单位密度的压力； f 运动粘度； 2 拉普拉斯算子 3 能量方程： 印詈v - + 倒罢+ 缈多+ p 刖鼍= 昙( t 訇+ 号( 七孑) + 鲁( 七訇+ s g 甸印百+ 倒瓦+ 缈万+ p 刖西2 瓦【。石j + 万【鼻万j + 瓦i 七瓦j 怕忙” 式中等号左边的第2 、3 、4 项即为由于流体流动所引起的温度变化，该式表明 此时的导热过程由两部分组成，除了流体的导热能力外，还依靠它的宏观位移 来传递热量。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 体积函数方程，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v o f 方法，引入体积函数，有效地实现对自由表 面的处理。体积函数如下： 要+ ”罢+ v 罢+ w 芒：o ( 2 - 6 ) 百+ ”面+ v 石+ w i 2 0 式中f 体积函数，当f = i 表示充满状态，当o f 1 时，才计算占，其中盯为等效应力，仃。为屈服 强度。所以占越大，该处的热裂倾向越大1 4 e 1 1 4 1 1 。图4 5 是f 处为4 5 0 时刻铸 件和模具之间的接触压力时模拟结果，图中颜色表示压力的大小。不同凝固时 刻，f 处都比其他部位的接触压力大，因此得出模具约束在此处形成了应力集 中。图4 6 是f 处为4 5 0 时刻等效塑性应变的模拟结果，图中颜色表示应变 的大小。不同凝固时刻，f 处都比其他部位的等效塑性应变大，不仅仅因为它 位于热节中，而且模具约束在此处形成了应力集中。图4 7 是铸件凝固后热裂 倾向的模拟结果，图中颜色表示热裂倾向的大小。热裂倾向最大的部位和用等 效塑性应变预测的结果一致，大小为0 0 4 1 9 。 图4 5 接触压力模拟结果 f i g 4 - 5s i m u l a t i o nr e s u l to f c o n t a c tp r e s s u r e 图4 - 6 等效塑性应变模拟结果 f i g 4 - 6s i m u l a t i o nr e s u l to f e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i n 图4 7 热裂倾向模拟结果 f i g 4 - 7s i m u l a t i o nr e s u l to f h o tt e 啦i n d i c a t o r 4 1 2 3 压铸工艺参数的选取与水平的确定压铸工艺是将压铸机、压铸模具 和合金三大要素有机地组合而加以综合运用的过程，而压铸时金属填充型腔的 过程，是将压力、速度、温度以及时间等工艺因素得到统一的过程。同时，这 些工艺因素又相互影响，相互制约，并且相辅相成。只有正确选择和调整这些 因素，使之协调一致，才能获得预期的结果。因此在压铸过程中不仅要重视铸 件结构的工艺性、压铸模的先进性、压铸机性能和结构优良性、压铸合金选用 的适应性和熔炼工艺的规范性：更重视压力、速度、温度和时间等工艺参数对 铸件质量的重要作用。在压铸过程应重视对这些参数进行有效的控制。 ， 压铸工艺的影响因素较多，但对铸件质量起决定作用的是以下四个参数： 浇注速度、压射比压、浇注温度和模具温度，而至于保压时间、增压建压时 间、开模时间、压铸周期等参数可以根据铸件的特点设定成某个定值，而不考 虑它们的影响。根据镁合金压铸件的推出的温度约为3 4 0 ，做推出温度时间 模拟，得到推出时间为8 s ，结合p r o c a s t 系统的特点把增压建压时间设为 o s ，保压时间等于推出时间，压射比压由p r o c a s t 模拟填充完毕时自己设 定，根据压铸经验设定压铸周期为2 0 s 。 浇注速度、浇注温度和模具温度取值变化范围较大，根据以往压铸生产的 经验，在大的取值范围内有小区域性的推荐取值范围，本章实验因素的水平按 推荐范围内的两个极限值和一个平均值来设定。为了使铸造仿真分析结果有明 确的对比效应，还对其中的某些水平作了一定的调整，目的在于找出因素变化 的影响规律，寻找最佳的压铸工艺【4 2 1 1 4 3 1 。 4 1 2 4 仿真实验及压铸工艺参数影响根据上节介绍，取研究的影响因素和 影响因素的水平数如表4 - 2 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表4 2 正交实验因素水平表 承 吞 锇 12 3 a ：浇注速度 6 0 ( m s ) 8 0 ( m s )1 0 0 ( m s ) b ：浇注温度 6 5 0 ( 16 7 0 ( 、 6 9 0 ( 1 c ：模具温度 1 8 0 ( 12 2 0 ( 、2 6 0 ( 1 为研究压铸工艺参数对铸件热裂倾向的影响，进行了三因数三水平正交实 验，实验结果见表4 3 。可以看出，工艺参数对铸件易出现热裂的敏感部位的 热裂倾向的影响程度从强到弱依次为浇注温度、模具温度、浇注速度。 表4 - 3 b ( 3 3 ) 正交实验结果 水因 撼 abc 热裂倾向h t ll ll 0 0 5 1 3 2l22o 0 4 5 8 3l33o 0 3 8 9 4212 o 0 4 3 l 5 223 o 0 4 8 6 6 231 o 1 0 2 5 73l3o 0 4 6 1 832lo 0 4 1 6 9 332o 0 7 4 9 i o 1 3 6 0 o 1 4 0 5o 1 9 5 4 1 1 0 1 9 4 2o 1 3 6 0o 1 6 3 8 i o 1 6 2 6 o 2 0 6 3 o 1 3 3 6 ro 0 5 8 2 o 0 7 0 3o 0 6 1 8