（机械设计及理论专业论文）铝合金双重挤压铸造成型工艺研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e a r c ho nd u a l s q u e e z ec a s t i n g o fa l u m i n u ma l l o y c a n d i d a t e ：1 1 7 v a nz h i g u 0 a d v i s o r ：y i n gf u q i a n g c o u e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y j u n e2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其 它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：万志2 习日期：励移年z 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：溯口年 日期：砂年 乡月 弓日 易月弓 日 浙江工业人学硕十学位论文 铝合金双重挤压铸造成型工艺研究 摘要 挤压铸造在正常情况下，是能保证做出内部组织致密、表面光洁、力学性能优良 的铸件。但是对于一些厚薄不均件，在对液态金属实施挤压的过程中，铸件上一些厚 大部位易出现缩松、缩孔。采用双重挤压铸造可以对铸件厚大部位进行补缩，从整体 或局部消除铸件缩松、缩孔甚至缩裂和气孔等缺陷。鉴于该成形工艺具有强大适应力， 相关理论研究还不够完备而将其列为本文的研究对象。 本文首先针对双重挤压铸造横跨液态一半固态一固态的的特点，建立其凝固场数学 模型。基于粘弹塑性本构关系建立了凝固过程的基本假设，对压力补缩的力学行为进 行分析，确定了凝固场的边界条件、结晶潜热、物性参数等。最后以流体力学为基础 建立了铸件补缩模型。 本文根据双重挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂模具设计要点进行了分析总结， 并对模具型腔进行了结构设计。设计了轮毂模具的分型面、浇注排气和加热冷却系统 等非成型零件。重点对成型零件进行设计，运用c a d 软件对其进行了几何建模。 基于正交试验原理对所设计的汽车轮毂和模具的成形工艺参数进行了科学组合， 运用专业铸造分析软件对铝合金汽车轮毂的双重挤压铸造进行了数值模拟。分析了各 工艺参数对铸件缺陷的影响程度。通过对模拟结果的分析比较，得出优化后的成型工 艺方案并利用全面试验法对其进行了重新试验，最后得出了一个最优的方案，结果表 明，铸件质量得到了显著提高。 在双重挤压铸造过程中，工序过程复杂，各个工序必须有条不紊的进行。本文从 整体上提出了对双重挤压铸造机控制要求，确定以可编程序逻辑控制器( p l c ) 为主控 单元、以触摸屏为人机界面的系统方案，同时对压力机构、液压系统等进行了相关设 计。 。 关键词：双重挤压铸造，补缩，正交试验，数值模拟 浙江j 1 ：业人学硕十学位论文 r e a r c ho nd u a ls q u e e z ec a s t i n g o fa l u m i n u ma l l o y a b s t r a ct u n d e rn o m a lc i r c u m s t a l l c e s ，s q u e e z ec a s t i n gi sg u a r a i l t e e dt om a l ( et h em e m a l o 瑁a 1 1 i z a t i o no fd e n s e ，s m o o ms u r f a c e 龃de x c e l l e n tm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so fc a s t i n g s b u t f o fs o m e 吼e v e i lt l l i c k n e s sp i e c e so fc a s t i n g si i lt h ei m p l e m e n t a t i o no fl i q u i de x 协j s i o n p r o c e s s ，s o m et 1 1 i c kp a r t so fm ec a s t i n gp r o n et o an u m b e ro fm es h r i l l l ( a g ec a v i t ya i l d p o r o s i t y t h ed u a ls q u e e z ec a s t i n gc a nf c e dm et h i c kp a r t so fc 嬲t i n e l i m i n a t i n gt h e c a s t i n gd e f e c tf 幻mw h o l eo rp a n i a ls u c ha l ss m n k a g ec a v i 吼c r a c ka i l dp o r o s i t y i i lv i e w o fm ef 0 锄i n gp r o c e s sh 嬲as n o n ga d a p t a b i l i 劬r e l a t e dt h e o r i e sa r en o te n o u g l lt om a l 【ei t 嬲m es t u d yo ft l l i sa r t i c l e f i r s t l y m i st l l e s i sb u i l d sm em a m e m a t i c a lm o d e lo fs 0 1 i d i f i c a t i o nf i e l da c c o r d i n gt 0 m el i q u i d - s e r l l i s o l i d - s o l i d 佗咖r e so ft 1 1 ed u a ls q u e e z ec a s t i n g i t p r o p o s e s t h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa s s 啪1 p t i o n sb a s e do ne l a s t i c v i s c o p l a s t i c c o n s t i t u t i v em o d e l ， a n a l y s e sm em e c h a i l i c a lb e h a v i o r so fp r e s s u r ef e e d i n g 锄dd e t 阴= i l i n e st h eb o u n d a 巧 c o n d i t i o n so fm es o l i d i f i c a t i o nf i e l d ，l a t e i l th e a to fc r y s t a l l i z a t i o n ，p h y s i c a lp 觚吼e t e r s 觚d s oo n f i n a l l yi te s t a b l i s h e sac a s t i n gf e e d i n gm o d e lb a s e do nh y d r o m e c h a n i c s 1 1 1 i sp a p e rs u m m a r i z e dm a i np o i n t so fm ed u a ls q u e e z ec 嬲t i n gm o u l da n dd e s i g n e d m ec a v i 够o fm em o u l do ft h ew h e e lh u bw h i c hi sb a s e do nt l l ep m c e s sc h a r a c t e r i s t i c so f 也ed l l a ls q u e e z e c a s t i n g t h i st 1 1 e s i sd e s i g n sap a r t i n gs u r f a c e ，m eo v e r f l o wp o u r i n gs y s t e m ， e x h a u s ts y s t e m ，h e a t i n ga l l dc o o l i n gs y s t e m sa n do m e rn o n - m o l d e dp a n s w i t h 锄p h a s i s o nm em o l d e dp a r t ，i tu s e sc a ds o r w a r et 0d e s i g nm em o u l do ft 1 1 ew h e e lh l b t h ef o n n i n g p r o c e s sp a r 锄e t e r s o fm e锄t o m o t i v ew h e e l s觚d m o u l d a r e s c i e i l t i f i c a l l yc o m b i n e db 硒e do no r m o g o n a lp r i n c i p l e i tu s e sp r o f e s s i o n a lc a s t i n ga i l a l y s i s s o 脚a r et os i m u l a t et l l ec a s t i n gp r o c e s sa n dm ee 虢c to nm ec a s t i n gd e f e c t so ft h ev a o u s p a r a m e t e r si sa l l a l y z e d t h m u 曲m es i m u l a t i o n ，i t0 b t a i n so p t i m i z a t i o np r o 蓼a m 锄d 廿1 e na u s h o wt h a tt h eq u a l i t yo ft h e t h ev a r i o u sp r o c e s s e sh m s tb e o r d e r l yc o n d u c t e d t h i sp 印e rp r o p o s e st h ec o n 缸o lr e q u i r e m e n t s o ft h ed u a ls q u e e z e c a s t i n gm a c h i n ef r o mm eo v e r a l l - i td e s i g n st h ep l cf o rm a i nc o n t r o l l i n gu n i t ，t o u c h s c r e e n 嬲t h em a i l m a c h i n ei n t e r f - a c ef o rt l l es y s t e ms o l u t i o n s t h e i lm ep r e s s u r eo nt h e f o r g j n gs e c t o ri n s t i t u t i o n sh y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e d 1 ( e yw o r d s ：d u a ls q u e e z ec a s t i n g ，f e e d i n g ，o r t l l o g o n a le x p e r i m e n t ，m m l e r i c a l s i m u l a t i o n i h 浙江1 ：业人学硕十学位论文 目录 摘要i 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 课题研究背景3 1 3 双重挤压铸造的研究现状4 1 3 1 挤压铸造装各的发展与应用现状4 1 3 2 双重挤压铸造工艺参数的研究现状6 1 4 研究的目的和意义7 1 5 课题主要研究内容8 1 6 本章小结。9 第二章双重挤压铸造数学模型的建立1 0 2 1 双重挤压铸造工艺实质1 0 2 2 凝同过程的基本假设1 0 2 2 1 基本假设l l 2 2 2 粘性流体流动的基本方程l l 2 3 压力补缩的力学分析1 3 2 3 1 压力补缩下的塑性变形1 3 2 3 2 压力补缩下凝同体的假设1 3 2 3 3 压力补缩下金属的塑性流动1 4 2 4 双重挤压铸造下铸件凝固过程温度场分析1 4 2 4 1 边界条件1 4 2 4 2 凝固过程结晶潜热处理1 6 2 4 3 材料物性参数的确定1 7 2 5 压力补缩机理及模型的建立1 7 2 5 1 铸件缺陷产生原因及补缩机理1 7 2 5 2 铸件补缩模型的建立18 2 6 本章小结2 l 第三章双重挤压铸造的专用模具设计2 2 3 1 双重挤压铸造试验材料2 2 3 1 1 双重挤压铸造试验产品的确定。2 2 浙江j 业人学硕十学位论文 3 1 2 双重挤压铸造试验材料的确定2 2 3 2 双重挤压铸造模具材料的选用2 3 3 2 1 模具材料的基本性能2 3 3 2 2模具材料2 3 3 3 分型面的确定2 3 3 3 1 分型面的选择原则2 3 3 3 2 轮毂的分型面2 4 3 4 浇注溢流系统及排气系统的设计2 4 3 5 加热与冷却系统的设计2 6 3 6 推出与复位机构的设计2 6 3 7 成型零件的设计2 7 3 7 1 缩松缩孔缺陷形成的机理2 7 3 7 2 缩松缩孔缺陷容积的理论分析2 8 3 7 3 缩松缩孔缺陷的数值模拟分析2 9 3 7 4 成型零件的设计3 l 3 8 模具总装图3 2 3 9 本章小结。3 3 第四章双重挤压铸造数值模拟及参数优化3 4 4 1 p r o c a s t 模拟软件简介3 4 4 2 轮毂双重挤压铸造成型_ t 艺数值模拟3 5 4 2 1 轮毂成型工艺试验方法3 5 4 2 2 正交实验工艺参数的确定3 6 4 2 3 轮毂成型工艺参数方案的确立3 8 4 2 4 轮毂双重挤压铸造模拟结果4 0 4 3 轮毂双重挤压铸造模拟结果分析4 2 4 3 1 工艺参数对铸件缺陷的影响二4 2 4 3 2 工艺参数方案优化4 5 4 3 3 轮毂双重挤压铸造优化方案充型凝围过程分析4 6 4 4 本章小结4 8 第五章双重挤压铸造控制实现策略4 9 5 1 双重挤压铸造系统控制要求4 9 5 1 1 总体控制要求4 9 5 1 2 工艺方面的控制要求5 0 5 2p 【c 控制系统模块设计5 0 5 2 1 定量浇注模块设计5 0 5 2 2 双重挤压铸造机控制模块51 v 浙江t 业人学硕士学位论文 5 2 3双重挤压铸造机系统设置模块5 2 5 3 系统硬件与人机界面的设计5 2 5 3 1系统的硬件设计5 2 5 3 2 人机界面设计5 4 5 3 3 触摸屏组态的控制要求及设计流程5 5 5 4 与锻造相关的系统设计5 6 5 4 1 锻造机构设计5 6 5 4 2 压力控制液压装置5 7 5 4 3 压力控制原理5 8 5 5 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 结论。6 0 6 2 展望6 0 参考文献6 2 附录6 5 致谢6 8 攻读学位期间发表的学术论文目录6 9 v i 浙江下业大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 前言 挤压铸造又称液态模锻，是对注入模具中的液态或半液态金属或合金施加较高的 机械压力，使其成形和凝固而获得制件( 毛坯) 的工艺方法。其典型工艺过程为将液 态合金直接注入敝口模具中，随后闭合模具，以产生充填流动，达到制件外部形状， 接着施以高压，使己凝固的金属( 外壳) 产生塑性变形，未凝固金属承受等静压，并 在高压下凝固，最后获得制件【1 1 。 挤压铸造作为一种优质、高效的工艺方法，其优点是：工艺简便、经济、高效； 机械性能显著提高，接近甚至达到同种合金锻件的水平；成型件缺陷少，可经t 6 处理； 适用合金范围广，使用的合金不受铸造性能好坏的限制；容易实现机械化、自动化生 产，大大减轻工人的劳动强度，改善铸造车间劳动条件【2 1 。但挤压铸造也有一些自身 的缺点，如适宜的铸件尺寸取决于施加的压力；铸件壁厚要求耋5 姗；与压铸相比， 铸型寿命低；铸造形状复杂件有一定的限制；具有较陡的温度梯度，铸件有时出现反 偏析【3 】。特别对于一些厚薄不均件，在对液态金属实施挤压的过程中，由于已凝固的 结晶硬壳与铸型型壁之间存在“摩擦力”，使铸件上远离挤压头的部位实际上受到的挤 压压力远低于挤压头压力，即存在较大的“压力损失”，使铸件上这样一些厚大部位易 出现缩松、缩孔；当金属充型能力比较差时，这种缺陷更为明显。而壁厚不均匀造成 的铸件疏松，有时增加压力也无法解决，同时压力过大也不利于模具寿命，也提高了 设备冲压力和制造成本【4 】。 挤压铸造在实际生产中铸件出现的诸多缺陷大多是与挤压铸造方式的选择、模具 设计、合金的熔炼、挤压参数的选取和工人实际操作的不当有关。目前很多结构件采 用铸造方法生产，对于一些厚壁和形状复杂的结构件，在铸造过程中常存在气孔和填 充不足的情况，从而使零件的强度和致密性达不到设计要求。而采用锻压方法，对于 薄壁、形状复杂等铸件，由于其毛坯为固态，流动性差，存在塑性变形，虽然制件性 能控制易实现，但制件形状、尺寸则受到很大限制【5 1 。而最近j 下在发展的一种挤压铸 造新形式双重挤压铸造，它靠间接挤压法成形毛坯，用直接挤压法( 闭式模锻) 浙江1 ：业入学硕十学位论文 压实铸件，兼有直接挤压和间接挤压的优点。由于采用两次挤压，对于克服整体的或 局部的缩松、缩孔甚至缩裂和气孔等类缺陷很有效。这四种挤压方式的特点见表卜l 。 表卜1 挤乐铸造方式的特点 铸造方式 主要特点备注 合模加压时液态金属基本上不发生充型运动，适用范围是实 不能设置 心或厚壁( 大于5 m m ) 形状不太复杂的铸件。 柱塞挤压 冒口补缩 系统 上模冲头直接压在下模中的铸件金属上。冲头与卜模间可相 对运动，挤压效果好，组织致密；既适用于铸造性能好的铸 造合金，也适用于铸造性能差的变形合金；排气条件好，铸不能设置 直接挤压铸造件易于进行固溶热处理；铸件高度尺寸取决于合金液的浇注冒口补缩 量，高度尺寸不易掌握，精度差：不可避免的有直接挤压冷 系统 隔，铸件表面颜色，光洁度有差别；对某些合金，易出现挤 压铸造异常偏析：适合生产形状较简单的厚壁铸件。 在闭合锁定好的模具中凝i 司，尺寸精确；在模具中一次充型，铝合金制 表面粗糙度好，无色差；出现挤压铸造异常偏析的倾向小；件的壁厚 可成形比较复杂的铸件和壁较薄的铸件；挤压头的挤压力通最好在 过内浇道才能传递到铸件上，压力损失大，挤压效果较差， 4 2 5 咖， 间接挤压铸造铸件致密度较差；易产生裂纹，只适用于铸造性能好的铸造且最大壁 合金的生产，变形合金一般不能使用；受排气和充型条件的厚与最小 限制，须采取一定措施，才能对铸件进行固溶强化热处理。壁厚之比 不要大于 3 ：l 上下挤压头实现挤压( 锻压) ，铸件致密度好；上挤压头的压 下量可控制，铸件尺寸控制精确，多余金属料留在料饼中； 既可用于铸造合金，也可用于变形合金；连续充型不会出现 双重挤压铸造 冷隔和表面色差；挤压铸造异常偏析倾向较小：可成形较复 杂铸件；采取专门措施，可进行同溶强化热处理；工艺形式 较复杂，对设备r 装有更多要求。 浙江丁业人 由表卜1 可知，双重挤压铸造相对其 铸、挤、锻三大工艺的技术特征【6 1 。 学硕+ 学位论文 他挤压铸造形式具有明显的优势，同时具备 图卜l 所示的是一种典型的双重挤压形式。 ( a ) 合模浇注( b ) 第1 次挤压 匦1 7 f 区：囝 勘廑 i 1 一 一 雕 ( c ) 第2 次挤压( d ) 开模推出铸件 图卜1一种杯形件的双重挤压铸造示意图 1 2 课题研究背景 采用低成本成形技术至关重要。低成本技术涉及诸多因素，如原材料成本、制备 及成形方法、环境条件和生产规模等，其中制造方法尤为重要，在众多制造方法中， 以铸造方法消耗少、工艺简单、不受零件形状限制而备受青睐。但铸造本身工艺带来 诸多缺陷，使其性能不易满足使用者的要求，为此，转向塑性加工，这就势必增加加 工成本，且工艺流程长，零件形状也不能太复杂。为此，必须在铸造和塑性加工之间 进行融合嫁接，寻求一种工序省、加工容易、而质量又能保证、成本不高的新方法【7 】o 在铸造科学化的今天，科学研究工作越分越细，越分越多，不断深化的同时，许 浙江- t 业人学硕+ 学位论文 多重大的科学研究往往具有边缘性和跨科学性、综合性。例如：挤压铸造工艺就是铸 造技术的组合，又如把石膏型和熔模铸造组合起来，形成了石膏型熔模铸造工艺，这 样兼有几者的优点，在现代产品制造过程中可以获得大尺寸的光洁精密铸件【8 】。 挤压铸造工艺依据制件的材质、形状及尺寸，存在多种成形方案。方案选定后， 又存在工艺参数( 比压、保压时间、浇注温度、模具温度、加压开始时间、加压速度) 多种匹配方案，以制定制件尺寸精度和使用性能。在理论研究中获得的数据积累，可 以对一些典型制件成形有极强的指导作用。实际上，制件形状是多种多样的，成形时 的热传导、力的传递千差万别。因此，对某种特殊的制件，开展其试验研究，寻找其 中最佳成形方案和工艺参数，由此基础研究乃是推进挤压铸造应用进展的最佳选【9 】。 挤压铸造一般只适应做形状不太复杂的厚壁铸件。其主要原因是液态金属浇入模腔至 开始加压，一般需要1 0s 左右时间，期间模内液态金属在与模腔接触处，会迅速形成 结晶硬壳。如果铸件壁厚太薄，在未加上压以前，此结壳厚度已经超过了铸件壁厚， 此后的加压或是不能成形，或是根本挤压不动。变形铝合金的铸造流动性较差，其结 壳易形成粗大树枝晶，因此更不适合做薄壁复杂铸件【l0 1 。 综上可知，在铸造产品越来越多的今天，铸造成形工艺也在不断的发展，各铸造 成形工艺之间相互融合。双重挤压铸造融合了挤压和锻造工艺的特点，适应了复杂、 厚薄不均铸件的铸造要求，具有广阔的发展前景。 1 3 双重挤压铸造的研究现状 1 3 1 挤压铸造装备的发展与应用现状 目前，我国已用于挤压铸造生产的设备，大多是通用的或者稍加改进的通用液压 机，即基本是国产立式4 柱y a 3 2 系列设备。共1 5 0 台左右。其合模力小至1 0 0 0 、2 5 0 0 i n ， 使用最多的为3 1 5 0 、5 0 0 0 l ( n ，大的已达1 2 5 0 0 、1 5 0 0 0 k n 。上述设备基本是手动操作， 或部分工序联动，未实现全自动化【l 。 康敬乐，丁苏沛，陈国诗，孙国法介绍了一种国家“九五 科技攻关项目研制 成功的j 4 5 8 型8 0 0 k g 低压铸造机。它是用于生产轿车铝合金整体轮毂铸件的成套技术 装备，其中微机液面加压系统压力控制精度0 2 ，工艺参数重复性3 ，保温炉 铝液控制精度为3 ，模具型腔尺寸精度为0 1 咖，产品合格率达9 5 以上【1 2 】。 台湾久大油压铸机公司推出全自动挤压铸造机，可提高铝合金铸件的生产速度。 久大公司开发的全自动挤压铸造机具自动给汤漏斗伸缩装置、旋转式可上下夹铸件自 浙江j 业大学硕士学位论文 动取出机、多管式自动喷涂机及自动输送带等周边设型1 3 】。 两台分别具有1 0 0 0 k n 和1 2 5 0 k n 挤压力的基本型与标准型的挤压压铸模锻机在 广东肇庆英华机电工业有限公司、顺德华大机械制造有限公司诞生，包括挤压压铸模 锻机生产、将传统铸造装置改造为挤压压铸模锻机，以及挤压压铸模锻模具和挤压压 铸模锻件生产基地的建立等，一个完整的产业链开始形成。 挤压压铸模锻技术的进步，将继续依靠装备的发展而得到提高。根据最新的发明 专利技术，能显著降低大型挤压压铸模锻装备的造价，大比例提高可挤压补缩面积的 大吨位挤压压铸模锻机( 如2 0 0 0 0 k n 挤压力的挤压压铸机只相当于5 0 0 0 k n 锁模力机 型的基本尺寸，生产成本只增加5 0 等) ，以及“多向挤压压铸模锻机”的实施方案已 被提出。相信这些装备的问世，必将推动挤压压铸模锻工艺与装备技术再跃上一个新 台阶【1 4 1 。 液态铸锻双控成形是集压铸技术和液态模锻技术于一身，具有压铸和锻造的优 点，既避免了压铸毛坯常出现的缩孔和疏松缺陷，又解决了锻造不能够生成复杂的高 精度毛坯的缺点。铸锻双控成形专机就是将压铸工艺和锻造工艺在一台设备中完成， 它用液压油缸来完成合模和开模动作，采用精确的多段速压射系统将液态金属注入模 具的型腔内，就在液态金属完全注满模具型腔的那一瞬间，大压力的锻压油缸作用在 模具的锻造冲头上，实施了液态锻造的过程，使压铸过程卷入的气孔排出或缩小，从 而使金属组织致密，提高了铸件的密度。 双控机采用立式合模和立式压射系统，与卧式合模系统比较具有以下的优点： 可消除模具冲头因自重而造成的偏位；立式压射系统可减小压射时送料空行程距 离，即减少了金属液在压室卷入空气的机会，缩短空压射时间，减少了金属液在压室 的热量流失和氧化，保证金属液纯净度和温度稳定。立式压射系统使浇道流动性和排 气性能提高。超低速至超高速的压射速度范围，可适应压铸和锻造同时完成的模具【l5 1 。 日本东芝公司在其设计生产的d x h v 和d x v 型挤压铸造机基础上，将其挤压料 ( s h o ts l e e v e ) 增加冷却控温系统，使由电磁泵经管道输入的液态金属在此挤压料缸中 经冷却控温，成半固态后由冲头挤压充型并在压力下凝固。此设备是在不增加其他装 黄的条件下，实现了半固态挤压铸造的全过程生产。用此工艺开发的a 3 5 6 、a 3 5 7 合金 汽车零件性能良好，并己在尼桑( n i s s a n ) 汽车上使用【1 6 】。 1 3 2 双重挤压铸造工艺参数的研究现状 我国哈尔滨工业大学罗守靖等针对挤压铸造工艺中离冲头较远处充型可能不足 的问题，提出了与分层制造技术结合利用的逐层浇注累积液锻成形技术【1 7 】。 彭颖红，周飞，阮雪榆对工业纯铝( 9 9 ) 双向挤压过程中内部缺陷进行了研究， 采用刚粘塑性有限元法对金属塑性成形过程进行数值模拟，并就成形过程中的应力、 应变场的变化及其与模具结构设计的关系作了深入分析【1 8 】。 李强，李周复等对a z 9 1 d 镁合金铸锻双控成形工艺与普通压铸工艺进行对比，考 察其成形工件的力学性能变化，得出双控成形制件的抗拉强度和延伸率分别提高 8 4 3 9 和1 0 1 7 6 ，热处理后分别提高9 4 6 7 和1 2 l - 6 2 ，能够促进形核，抑制晶 粒长大，且在模锻力作用下，打碎已经结晶的晶粒，进一步细化组织，零件具有良好 的综合性能【1 9 】。 张振栋，刘楚明等研究了二次挤压对m g z n z r - r e 合金组织和性能的影响，对合 金组织采用p 0 1 y v a - m e t 金相显微镜观察，并在k y k y 一2 8 0 0 扫描电镜上观察断口形貌。 研究表明二次挤压后晶粒组织明显细化，强度略有降低，但塑性明显提高，合金断裂 方式为韧性断裂【2 0 】。 石其年研究了二次挤压对a 1 “合金显微组织和力学性能的影响。采用工业纯料， 在保护气氛下熔炼，浇注，铸锭和坯料分别在6 0 0 经一次和二次挤压成型，发现二次 挤压明显改变a 1 “合金结构组态，提高了合金的塑韧性，合金晶粒明显细化，改善了 氧化夹杂物的分布【2 1 1 。 薛克敏，袁美玲，曾坐玲，胡治针对接套体的结构特点和性能要求，采用多向模 锻工艺对该件进行近净成形，用三维有限元仿真软件模拟成形过程，通过分析其变形 的应力、应变、温度场和加载曲线等，运用分流法成形原理，提出两种改进成形缺陷 的措施，从零件成形质量、模具寿命等方面综合考虑，用增加局部余量法能够得到符 合要求的锻件。从而为实际生产选用合理的工艺方案提供参考依据2 2 1 。 王敬丰，高珊，潘复生，汤爱涛，丁培道用显微组织观察、拉伸实验和阻尼测试 等方法研究了一次挤压、二次挤压及锻造这3 种不同塑性加工工艺对z k 6 0 镁合金的显 微组织、力学性能及阻尼性能的影响。结果表明：z k 6 0 变形镁合金经3 种塑性加工工 艺处理后，不同变形态间的抗拉强度、屈服强度及伸长率相差不大，但其阻尼性能却 发生显著变化，其中锻造态z k 6 0 镁合金的阻尼性能相对于挤压态的提高2 倍多。采用 g l 理论分析了3 种不同变形加工工艺对z k 6 0 镁合金阻尼性能的影响规律【2 3 】。 浙江- t 业大学硕士学1 1 i ) = 论文 美国s p x 公司在用宇部h v s c 挤压铸造机生产一种泵体时，为解决局部缩松问题， 也使用了局部补压方案，称此为“挤压顶针”，取得了良好效果。 日本宇部公司v s c 全立式挤压铸造机生产汽车铝轮毂时由于轮毂的厚大部位易出 现缩松，故安排上冲头局部直接补压【2 4 】。 s t u l o vvv 研究了铝在连铸连锻过程中铸型的传热情况。通过对铸件表面选取一 些点的温度进行测量表明，最大温度梯度是在表层( 6 8 毫米) 的倾斜面上，热流在 变形区的温度是标准区的2 3 倍，计算表明，冷却条件对于铸件的表面质量和结构有 影响1 2 5 j 。 w i l l i 锄sg 研究了连铸连锻对于铸件质量的影响，它是在液态合金的凝固过程一 直都进行挤压，生产出来的产品可以进行热处理，进行精加工等。通过实验表明连铸 连锻有效地提高了铸件质量，适用于所有类型的铝合刽2 6 1 。 o d i n o k o vvl ，c h e n l o m a sv v ，p r o s k u r y a k o vbi ，z a j t s e vav 利用连铸连锻模 制造长径比的铸件。连铸连锻模包括上中下模，铸件在冲头作用下进行冲压结晶，为 了保证该工艺的实现，必须对铸件进行一定的预留量，同时加压时机必须加以确定【2 7 1 。 综上所述，目前对于双重挤压铸造成形工艺的研究还不充分，主要研究了经过二 次挤压后铸件的显微组织、力学性能等的提高或单个工艺参数对铸件质量的影响，而 对于双重挤压铸造成形工艺模具、参数的协调以及控制实现研究的很少，这些对于铸 件成本和质量的控制至关重要，因此有必要对其进行深入分析。 1 4 研究的目的和意义 ( 1 ) 双重挤压铸造成形，是综合了压力铸造和锻造工艺特性，而提出的一种新的 成形方法压力铸造由于流变性充填，容易实现制件形状的精确控制，而对于使用性能 控制，则实现困难；锻造由于存在塑性变形，容易实现制件性能控制，但制件形状则 受到很大限制。双重挤压铸造成形可以在同一成形过程中，同时实现制件形状和使用 性能的精确控制。本课题为实现双重挤压铸造成形的工艺，以铝合金汽车轮毂为例， 从而为高性能和高精度的关键零配件的生产提供更经济可行的生产工艺。 ( 2 ) 双重挤压铸造成形实际上是将“直接挤压 和“间接挤压两种形式结合起 来，靠间接挤压法成形毛坯，用直接挤压法( 闭式模锻) 压实铸件，以达到组织致密， 形状尺寸精确，表面光洁度好的目的，兼有直接挤压和间接挤压的优点。由于采用两 次挤压，其第二次挤压的范围、深度、加压时机等均可进行调整。对于克服整体的或 浙江- r = 业人学硕士学位论文 局部的缩松、缩孔甚至缩裂和气孔等类缺陷很有效。 ( 3 ) 双重挤压铸造成形是一个全新的工艺，具有强大的适应性。由于一些例如汽 车配件等关键零件，传统的生产方法如压铸和锻造等不能满足性能和成本要求。而双 重挤压铸造成形工艺具有突出的优点和良好的市场前景，因此研究双重挤压铸造成形 工艺是非常必要的。 1 5课题主要研究内容 ( 1 ) 以流体力学为基础，建立其凝固场数学模型。基于粘弹塑性本构关系建立了 凝固过程的基本假设，对压力补缩的力学行为进行分析，确定了凝固场的边界条件、 结晶潜热、物性参数等； ( 2 ) 设计双重挤压铸造成形模具。其基本原理是在挤压铸造模具的基础上附加锻 造功能。设计包括模具材料的选用、模具结构形式、溢流槽和排气槽的设计、浇道的 设计等； ( 3 ) 开发双重挤压铸造成形工艺。双重挤压铸造成形技术的实现和工艺参数的协 调优化主要包括以下方面： 1 ) 和挤压铸造相关参数的确定。包括模具预热温度、合金浇注温度、挤压力、合 金充型速度、铸型用涂料和冷却。以上参数将直接影响金属液能否填充整个模具型腔 以及铸件的质量； 2 ) 和锻造相关参数的确定。包括锻造压力、锻造开始时间、保压时间。压力大小 对零件的物理力学性能、组织结构和偏析等有直接的影响。加压时间将对加压效果有 很大的影响。 ( 4 ) 产品试验结果分析。对铸件试验结果进行产品宏观缺陷以及微观力学性能分 析，并与采用挤压铸造成形工艺生产的产品质量进行对比，得出采用该工艺后产品质 量的提高，以验证本课题研究该成形技术工艺的合理性； ( 5 ) 双重挤压铸造成形控制系统的开发。包括p l c 的选择和控制策略等。 综合以上所述，本文研究的技术路线如图1 2 所示。 图1 2 本文研究技术路线图 1 6本章小结 本章首先介绍了本文研究的背景：对于厚薄不均铸件容易出现缩松、缩孔缺陷， 而最近兴起的一种新的挤压铸造形式双重挤压铸造成形工艺，它集合了铸造和锻 造的优点，对于克服整体的或局部的缩松、缩孔甚至缩裂和气孔等类缺陷很有效。接 着介绍了该成形工艺的国内外研究现状，包括设备的研究和工艺参数的研究，进而对 本文的研究意义和目的进行了阐述，最后介绍了本文的主要研究内容和研究思路。 浙江：。i ：业大学硕士学位论文 第二章双重挤压铸造数学模型的建立 2 1 双重挤压铸造工艺实质 双重挤压铸造实质上是铸造加锻造的过程，铸造是一个液态金属充填铸型型腔，并在 其中凝固和冷却的高温过程，包括了许多对铸件质量产生重要影响的物理过程和现象。它 是基于“连铸连轧 工艺方案的基础上的创新，其工艺过程为：合模、浇注一充型一挤压一 凝固锻造一开模、取件。铸造过程实质上是一个从液态到半固态再到固态的凝固过程，因 此，对铸造过程进行建模实质上是对凝固过程温度场的建模。而锻造过程是在金属液凝固 后，进行封闭模内锻造，但此时的锻造与通常的锻造不一样，因为始锻温度要比通常锻造 高很多，遇到的变形抗力就较低，塑性变形阶段处于三向压应力状态，因此锻造过程不能 简单采用通常锻造的理论模型，但由于两者还是有相似处，因此可以在此基础上对其进行 简化处理。下面针对这两个连续的过程建立数学模型。 2 2 凝固过程的基本假设 液态金属浇入铸型后，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过 程。在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间而变化。从传热方式看，这一散热 过程是按辐射、对流和导热三种方式综合进行的。显然，对流和辐射的热流主要发生在边 界上。当液态金属充满型腔，假定凝固过程液态金属中不发生对流的情况下，铸件凝固过 程基本上可看成是一个不稳定的导热过程。数值方程正是根据不稳定导热偏微分方程数学 模型建立的。目前文献中有很多关于铝合金热变形特性研究的报道【2 盯3 2 1 ，在这些报道中， 大多数学者采用的是j o n a s 等【3 3 】提出的双曲正弦关系建立本构模型，然而该模型无法描述 当应变小时应力应变的情况。s a n t h a n 硼【3 4 】提出了一种适用于铝合金材料的弹粘塑性本构 模型，其中包括了应变对