基于有限元分析的发动机缸体压铸模具设计【毕业论文(含任务书、外文翻译)】

BI YE SHE JI

（20 届）

基于有限元分析的发动机缸体压铸模具设计

所在学院

专业班级材料成型与控制工程

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

任务下达日期：2016年3月1日

毕业设计日期：2016年3月1日至2016年6月12日

毕业设计题目：基于有限元分析的发动机缸体压铸模具设计

毕业设计主要内容和要求：

内容：

1、查阅30篇中文文献及10篇左右的英文文献，充分了解设计内容。

2、利用NX10.0建立缸体三维模型，使用Anycasting完成缸体压铸过程模拟分析。

3、参考设计手册和模拟结果完成压铸模具设计，并绘制模具工程图。

4、要求翻译一篇近三年的英文文献，汉字内容应不少于3000字。

要求：

1、努力学习、勤于实践、勇于创新，保质保量地完成毕业设计任务。

2、遵守纪律，保证出勤。因事、因病离岗，应事先向指导老师请假。否则作为缺席处理。

3、独立完成规定的工作内容。不弄虚作假，不抄袭和拷贝别人的工作内容。

4、毕业设计必须符合中国矿业大学毕业论文规范化规定，否则不得参加毕业答辩。

院长签字：指导教师签字：

本文以某汽车的发动机铝合金缸体压铸件为研究对象，对该缸体压铸件可能铸造缺陷进行分析及预测。首先利用NX10.0设计该缸体的三维模型，并参照设计手册完成浇注系统和排溢系统的设计。然后利用铸造模拟软件anycasting v4.0对压铸模具型腔、浇注系统和排溢系统整体进行充填和凝固过程进行模拟研究。分析目前的工艺和设计的浇注系统、排溢系统的是否存在问题，对重要的压铸工艺参数进行优化，并优化压铸模具浇注系统和排溢系统。根据以上模拟结果和设计手册，利用NX10.0、AUTOCAD完成其余结构的设计。使用anycasting v4.0主要完成充型分析，充型过程热分析和热凝固分析，其中重要的工艺参数是冲头快压射速度、浇注温度、冲头高低速转换点和模具预热温度，最后得到一个缺陷比较少的模拟结果。对一般充型缺陷，可以通过优化设计浇注系统、排气系统改进，对凝固缺陷可以通过修改冷却系统的位置进行改进。模具设计部分包括模具型芯部分设计、模架设计、侧抽芯系统设计、顶出系统设计、模具厚度核算、动模座板行程校核、最小合模距离与最大开模距离校核和模具最大外形轮廓校核。最后依据模拟分析结果和模具结构设计，利用NX10.0三维造型软件完成缸体铸件的压铸模具设计。

关键词：铝合金缸体、数值模拟、压铸、模具设计

ABSTRACT

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-dimensional 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 cavity, injection system, exhaust system overflow whole process of filling and solidification simulation study, analyze the current process and design of gating system, overflow discharge system if there are problems, important casting process parameters were optimized, and modify the casting mold casting system ,, overflow discharge system design, simulation based on the above results and the design manual, use NX10.0, AUTOCAD complete the remaining structural design. Wherein anycasting v4.0, the analysis is divided into filling filling process analysis and thermal analysis, mold filling analysis and thermal analysis before and after filling, thermal coagulation analysis, simulation-pressure chamber, one of the important process parameters are fast injection speed punch pouring temperature, high and low switch point punch and die preheating temperature. Finally, get a relatively small defect simulation results, the general filling defects by improving pouring system, exhaust system, coagulation defects can modify the position of the cooling system, the use of other cooling methods. Mold design section includes: mold core part of the design, mold design, system design side core pulling, ejection system design, mold thickness calculation, the movable mold base plate stroke check, the minimum distance between the mold and the mold maximum distance check, maximum mold contour check. NX10.0 use three-dimensional modeling software for some institutions shape and mold assembly.

KeyWords：Aluminum alloy cylinder；Numerical simulation；die-casting；Mold design

目录

1 绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2压铸模拟技术的现状 (1)

1.3压铸模具设计技术的现状 (4)

1.4本文研究内容 (6)

1.5研究的目的和意义 (6)

2 压铸模拟分析方法 (8)

2.1 Anycasting软件简介 (8)

2.1.1 Anycasting模块简介 (8)

2.1.2 Anycasting缺陷分析理论基础 (8)

2.2 Anycasting模拟研究方法 (10)

2.2.1模拟过程设置 (10)

2.2.2模拟结果分析 (11)

2.3本章小结 (11)

3 缸体压铸过程的数值模拟 (12)

3.1 数值模拟前处理 (12)

3.1.1 三维模型建立 (12)

3.1.2 网格划分 (13)

3.1.3模拟参数设定 (13)

3.2充型过程的模拟分析 (14)

3.2.1充型过程的流动分析 (14)

3.2.2充型过程的速度分析 (15)

3.2.3充型过程的压力分析 (16)

3.3凝固过程的模拟分析 (16)

3.3.1凝固时间分析 (17)

3.3.2冷却速率分析 (17)

3.3.3凝固缺陷分析 (18)

3.4本章小结 (19)

4 压铸模具设计 (21)

4.1引言 (21)

4.2 压铸机的选择 (21)

4.2.1铸件分析 (21)

4.2.2 压铸机的类型 (22)

4.2.3压铸机选用原则 (22)

4.2.4确定压铸机锁模力 (23)

4.2.5压室容量的估算 (24)

4.2.6开模距离的核算 (24)

4.3浇排系统设计 (25)

4.3.1直浇道的设计 (25)

4.3.2横浇道设计 (25)

4.3.3内浇口设计 (26)

4.3.4 溢流槽与排气槽设计 (26)

4.3.5冷却系统设计 (27)

4.4分型面设计 (27)

4.4.1分型面选择的原则 (27)

4.4.2分型面的类型 (28)

4.5成型零件的设计 (28)

4.5.1成型零件收縮率的确定 (28)

4.5.2镶块设计 (28)

4.5.3型芯设计 (29)

4.5.4 侧抽芯机构设计 (29)

4.6标准件与常用件设计 (30)

4.6.1液压油缸设计 (30)

4.6.2浇口套设计 (30)

4.6.3滑块的设计 (31)

4.6.4动、定模模板设计 (31)

4.6.5模座的尺寸计算 (32)

4.6.6导柱、导套设计 (32)

4.6.7推出机构设计 (33)

4.7模具的校核 (33)

4.7.1模具厚度核算 (33)

4.7.2动模座板行程核算 (34)

4.7.3最小合模距离与最大开模距离校核 (34)

4.7.4模具最大外形轮廓校核 (34)

4.8模具整体装配 (34)

4.9本章小节 (35)

5 总结 (36)

参考文献 (37)

外文原文 (39)

中文译文 (52)

致谢 (59)

1 绪论

1.1引言

现在的铸造行业的发展已经是属于全球化，合金压铸工业的发展趋势属于更短的产品研制周期、更复杂的产品和更优的质量。以往我们都花费大量的人力、物力进行铸件产品的研发，都要在实际的生产的条件下进行反复的试铸，然后不断修改压铸方案和工艺，最后再确定生产工艺的模式，现在已经被逐步抛弃。利用先进的计算机模拟软件进行相关的铸造模拟的技术在现代化压铸生产工艺上已经逐渐成为主要流程之一。

本文所研究的缸体压铸的铸件为直列四缸的发动机缸体压铸件，选用的材料采用为铸造铝合金，目前发动机材料也已经大量使用铝镁等合金，因为这种的材料可以大幅减轻发动机自身占整车的比重。由于缸体铸件采用压铸生产，质量问题一直是影响批量生产的关键，在排除了铝合金的熔炼及生产转运过程造成的铝合金的熔液质量不能达标等因素后，一般的毛坯铸件在检测后，会发现其内部仍存在内部气孔、氧化夹渣和缩孔等一般的铸造缺陷。压铸铸件中气孔、氧化夹渣等铸造缺陷一般会存在压铸缸体铸件的两侧内壁的内部和压铸缸体中部的内部的区域；缩松和缩孔等孔类缺陷主要存在于压铸缸体内部孔附近的区域，在铸件两侧的气缸内壁，某些壁厚相对较厚的部位也会有非常大的可能性存在缺陷。当然压铸缸体的铸件也会存在其他种类的缺陷如冷隔、欠铸等，这种缺陷一般也在可控的范围内，但是为了能严格地把控整个压铸过程中的各个生产制造环节都能达到生产质量标准。对于本压铸缸体铸件来说，整个生产制造的节奏相对较快、产量也较大，在这种情况下,还要保证本产品合格率，提高整体压铸缸体铸件的质量和品质，是一个非常复杂的过程。因此设计人员需通过细致地调节一般压铸生产的工艺来去除或减轻这种压铸缸体铸件的缺陷。现在伴随着铸造数值模拟技术的迅速的发展，在实际生产制造中也已有着的广泛应用。从目前的发展状况来看，压铸生产过程采用优秀的铸造模拟技术来进行工艺方案的优化已经成为一种非常有效的途径，不仅可以大幅节约人力、物力和时间，同时也为新产品的工艺研发加快了效率，和一些比较可靠的理论基础。

1.2压铸模拟技术的现状

普通的铸造生产过程的本质就是将熔化了的液态金属用相应方法浇入到铸型中的过程，最后随着周围冷却系统的控制下在铸型中冷却，并凝固，最后就能得到铸件。对于铸造工艺来说，液态金属液的充型过程一般是压铸铸件成型的第一个阶段过程，充型阶段对于压铸件生产来说，是一个比较复杂，但是非常重要的的阶段。如果控制不好，就会形成很多的铸造缺陷：如卷气、夹渣和砂眼等。对于这些类型的缺陷，在第一阶段充型不顺畅的情况，就有可能会产生的这些类型的缺陷。因此，为了获得缺陷比较少、高品质的铸件，充分了解和控制这一充型过程是一个非常重要的前提。但是，压铸件生产的整个的充型过程是非常复杂的，现在人们对这一过程的了解主要是建立在大量生产和实验的基础上建立起来的经验来判断和指导生产。现在计算机技术软件技术已经快速的发展，利用计算机技

术来完成前期的铸件充型过程和凝固过程数值模拟的指导方法已经受到了现在国内外铸造行业工作者的广泛重视。从60年代开始，这个领域已经进行一定的研究，从数学模型建立、算法实现、计算效率提高和相关工程应用领域都有重大突破。而砂型铸造的工艺过程的数值模拟，从60年代开始研究，经历了三个阶段。1960至1980，相关研发人员已经进行了凝固过程温度场的数值模拟，并且在三维温度场的模拟研究中也已经取得成功;1980年后，开始进行充型过程中速度场的数值模拟。到1990年，三维温度场的模拟也基本成功;从1992年，开始铸件凝固后的微观组织形态数值模拟分析，可以模拟出晶粒大小、形貌和分布。从此，铸造方面的数值模拟也已从宏观模拟阶段发展到了微观模拟阶段。而现在，实际中的铸件的数值模拟的应用已经进入实际应用的阶段。通过目前的技术应用发现，充型过程比凝固过程更复杂，相反铸件的凝固过程的模拟要更加贴近实际结果。目前，数值模拟软件中凝固模拟是最成功的模块，利用这些模块进行缩松和缩孔等凝固缺陷的预测也已成功商用。可以看现在利用比较先进的铸造数值模拟研究成果和技术，目前的铸造生产过程正在从过去的以经验生产走向到以科学和可靠的理论预测为指导。而充型和凝固模拟，工程和设计人员可以基本了解到复杂铸件的不同充型和凝固缺陷的基本形成机理，然后可以再进行铸造工艺参数的优化，最终可以确保铸件得质量的提高、试模周期可以减少，最终可以降低企业的生产成。

铸件充型数值模拟：就是利用相关分析软件进行模拟铸件在充型过程中，合金金属液复杂的流动过程和液态金属充型的过程中铸件热量对模具的冲蚀情况。模拟充型过程的结果对于铸造数值模拟分析和相关工艺设计来说，是一个非常重要的内容。首先，通过计算机软件进行模拟液体通过浇注系统和铸型中的流动状态，通过模拟结果就可以初步分析并优化浇注系统的设计，改善设计后就可以有效避免液体通过浇道时吸气过大，降低空气进如到液体的量，减少气体接触，同时也可有效避免铸件氧化。对于这种类型的缺陷，通过合理的设计浇注系统类型缺陷引导到浇注系统结构中，便于除去。分析不同横浇道的充型量和速度，也可以合理设计横浇道的大小，这样也可以有效避免高温液体对模具铸型的冲蚀作用;同样，只要能准确的模拟充型过程中金属液体的流动并细致地分析充型过程中温度的变化过程，这样也可以非常准确的预测到冷嗝、浇不足等充型类型的缺陷，在进行这样的充型模拟分析后，相关设计人员就可以进行接下来的凝固模拟分析，结合先前所做的充型分析，综合分析结果就能给出一个比较合理的初始温度设置参数。对于复杂薄壁铸件的来说，这种充型、凝固的模拟分析方法非常有意义的。当然数值模拟也会遇到很多问题，首先、模拟所涉及的求解方程组比较多，如连续性方程组，动量方程组和能量方程组，且需要进行三维速度场和压力场迭代计算过程，所以整体计算的量会很大。最后得到的结果也比较容易发散，而对于自由表面的边界问题，往往需要特殊处理，对于复杂的模拟结果一般也难于在实际生产中验证。所以充型数值模拟的会有一定的难度。基于基础研究，目前有许多以流场模拟为研究对象来开发相应的软件，其中包括MAGMA软件、SIMULOR 软件、PROCAST软件、STEFAl软件和Anycasting软件都具有模拟充型过程的功能。

铸造模拟软件介绍随着目前的铸造CAD和CAE等相应模拟软件已经在各国相应领域商品化和应用已经非常普及，其中功能强大的模拟软件也非常的多。现在能直接能应用于商业类型的铸造模拟软有很多，其中应用最广的国外软件是美PROCAST、FLOW-3D、MAGMA soft和ANYCASTING等。国内能应用于铸造的数值模拟软件主有是FT-STAR、华铸CAE等。这些不同的铸造数值模拟软件的数值模拟计算的方法主要的有以下几种：

有限元计算方法、有限差分计算方法和有限体积计算法。对于软件市场上大部分的数值模拟商业化的软件都是基于有限元方法来计算，采用有限元法更多考虑到流体力学、固体力学和结构力学的问题。而对有限差分方法，它的求解精度比较差，所以它的适用性比较差，可以作为理论研究，但是直接商用化的软件就比较少，对于利用有限体积法求解的商业化软件，主要是为了能够求解出流体力学、传热和传质学等相关的问题。

Procast软件是美国的铸造数值模拟软件。主要是针对铸造工艺中流动过程．传热过程和应力分析过程的模拟软件系统。它拥有8种模块包括：基于有限元计算法的网格划分技术、传热过程的分析模块、流动过程的分析模块、应力分部的分析模块、热辐射过程的分析模块、应力组织分布的分析模块、电磁感特性的分析和反向求解分析模块等。它采用的数值模拟方法是基于有限元法，对于铸造模拟过程中大部分问题和物理现象都能模拟清楚，并且也充分考虑到了液态金属液充型过程中的气体流动、过滤、高压气体和旋转冲击等对铸件成型过程的影响，这种模拟方法也能够模拟大多数不同种类的铸造工艺过程。并且能够结合设计加工系统，共享数据，这样就可以极大的提高铸造的生产效率。但是Procast 软件的缺点是前处理的过程比较复杂，在补网格与面网格化分上比较复杂麻烦。

Flow-3D是美国公司开发的一种能够来分析多种不同的铸造工艺的软件，它已经广泛的应用在航空航天、金属铸造和海运等相关行业和领域，是一种非常通用的软件。它采用的计算方法是有限差分法，在前处理过程中的网格化分比较简单，主要是利用结构化的网格系统的自由网格划分法。主要的优点是采用了流体动力学的研究方法，这样就可以提高稳定性，同时充分利用了自由表面技术，这样得到的结果会更加逼真，同时软件也包含大量和有意义的物理模型和大量的材料库，可以为使用软件的用户提供可以二次开发具有实际利用价值的二次开发接口。缺点：对于薄壁件压铸的数值模拟的模拟计算的应用能力相对较差，而且这种数值模拟软件的计算时间比一般模拟软件要长，一般的模型都需要三天左右的时间。

Anycasting是由韩国公司开发的铸造模拟软件，它可以应用于生产过程中工艺的压力铸造模拟过程、砂型铸造过程和离心铸造工艺过程等其他典型的铸造工艺和方法，并且操作方法相对的简单，并且数值模拟的计算时间比较少，效率比较高，但是得到的计算精度相对较弱。

华铸CAE是华科研发的铸造数值模拟软件并且拥有完善的分析系统，可以模拟不同种类的铸造合金的铸造模拟，可以用于不同的压铸工艺，如砂型、金属型、低压铸造和压力铸造等多种不同的铸造工艺。华铸CAE软件的前处理方式也比较快，效率比较高，网格划分采用不同的划分方式，这种软件主要采用四面体的网格划分方法，这种划分方法计算速度较快，效率比较高。

Magma是德国公司开发的一种商品化的铸造软件，理论基础是经典的物理学方程为计算方法，这种铸造模拟软件得到结果与事实比较相符，整个模拟过程比较可靠，得到的计算结果也准确。Magma模拟软件也模拟目前大部分适用铸造的合金材料的典型铸造工艺生产，包括白灰铁铸造过程、铝合金砂型铸造过程和大型铸钢件等典型铸造工艺过程。而且Magma软件对于不同的铸造工艺，也设计了不同的模块，包括：高压铸造模块、铸铁铸造模块等。

Anycasting充型凝固模拟技术简介：一般的凝固过程数值模拟，假设的前提是快速充型，不考虑充型过程，这样的模拟前提就是假设压铸铸件开始的模拟的初始温度都为浇注

温度。这种模拟方法对于一般较厚的铸件，这种模拟方法非常接近实际的生产情况;但是对于较薄的薄壁铸件如气缸盖，这种模拟方法与实际的模拟方法相比，会有较大的模拟误差。因此，在模拟薄壁件的时候，需要充分考虑凝固过程的初始温度条件，要重点考虑到充型过程中会出现温度下降和金属凝固的问题和现象，这种初始条件的设置，相比过去的凝固过程数值模拟，这种数值模拟方法在实际应用中会有更多的研究价值。

在一般生产环境下，金属液流动充型过程一定会伴随着相当规模的热量损失和动态的凝固过程，并且这些金属液体的流动充型过程也是非常符合动量守恒定律、质量和能量守恒定律，所以对于充型流动过程来说，可以采用一般连续性方程组、动量方程组和能量方程组作为计算模拟的理论基础。但是，这三种求解方程组都是类非线性偏微分方程组，相对需要求解的变量值较多，整体的求解过程较复杂。对于这些复杂方程的求解，许多工作者就此进行研究，已经提出大量的求解方法。目前，对于充型过程的计算模拟的理论基础，主要数学处理方法有Simple法、Mac法、Am'c法和Sola-V of法。Anycasting现在的模拟技术采用的是SOLA-VOF方法。

在一般环境中，合金液的充型和凝固过程中，铸件相对铸型的传热方式主要有三种类型：高温合金金属液的辐射传热过程、液态金属液和铸型通过对流传热的过程、金属液和铸型接触导热过程。对于压铸铸件的凝固数值模拟过程的主要的理论基础和数学分析模型是偏微分方程组。对于铸件凝固数值模拟过程来说，模拟的目标是建立铸件凝固过程中的传热分析模型，最后通过数值模拟的方法进行求解。对于导热问题的求解方法主要有限元法、有限差分法和直接差分法。在Anycasting模拟中使用的是有限差分法进行模拟，他的基本的求解思想是先将微分方程组的导数值利用差商数来代替，最后再推导出具有在大量的离散点上的有限未知数的差分方程组，这样就可以将微分方程的问题转化为代数问题。最后求解这些有限差分方程组就能获得这些微分方程的近似求解值。

目前，就国内铸造模拟的软件的发展现状无论在功能，还是在铸造数值模拟分析的准确性上相比国外同种类的软件还有一定量的差距。国内对于复杂的铸件应用数值模拟软件进行模拟分析还是比较少的，主要原因如下：一般小型铸造相关企业对现行铸件的加工工艺制造观念相对比较落后，没有丰富的铸造模拟软件，所以对于产品设计前期研发的成本意识也比较淡薄;一般正版的模拟软件维护成本和使用成本都比较昂贵，所以中小型的企业对于前期开发比较不重视;由于缺乏相应的技术开发人员，在实际使用过程中，熟练的工艺人员也比较缺少，对于不仅懂得数值模拟软件的应用而且还熟悉实际的铸造工艺的专业人员也比较少。因此，我们要加快开发出和国外数值模拟软件相当功能、并且使用和维护费用也能使现在国内大多数中小型铸造相关企业能接受，并且实用的铸造数值模拟软件，并加快相关领域的技术人员的培养，并提高我国的铸造工艺水平，生产出更加复杂的优质铸件，这样的要求也是摆在目前铸造相关行业工作者面前一类比较困难和紧迫目标和任务。

1.3压铸模具设计技术的现状

最近一些年来，目前的压铸铸造工业发展已经趋于成熟。对于压铸模具设计行业工作人员来说，就会拥有更多更广的发展的空间。大部分的工作人员可以在设计工作的实践中可以积累大量的工作经验，也可以学习目前国外的先进的压铸技术，相关工作人员在这些经验和学习的基础上，可以结合实际工艺生产情况，就可再设计出更多形式新颖、合理结

构和生产效率相对较高的压铸模具。这样就可以大幅度提高我国的金属压铸模具设计技术的发展，使我国压铸工业发展更加成熟。

对于每个压铸行业工作者来说，面对具体的设计问题中，不同的设计者就会根据自己的工作经验和自己对不同尺寸的理解，同样每个参与设计工作的企业也会有自己的设计规范。所以，对于相同的产品，不同的设计单位，最后不同的设计企业做的模具尺寸会相差较大。对于尺寸选大的设计，虽然会比较符合设计要求，较比较保险，但到最后加工的过程中，会造成一定量的材料浪费，同样也会造成加工时间的浪费。如果模具的设计尺寸选少了，在使用过程中也会发生快速的变形和损坏。最后也会对模具使用效率和寿命造成一定的影响，同样也会造成一定量的浪费。

所以要加快我国的压铸模具设计水平，在理论上的处理方法就是如下：对于设计参数要规范化设计，一般参数也要量化设计，这也是目前理论工作最需要解决的问题，对于压铸模具设计，主要设计的就是结构设计，同样也有一定的理论设计。在目前的模具设计工作中，一些参数可以通过在确定其他结构后，根据连接和定位的设计方法来确定。这样的参数设计，理论计算也只是对于设计结果进行验证。因此参数的计算和可选范围，不需要一个精确的值，只需要提供一个比较有用的数值范围。同样，以极限尺寸作为一个理论判据，根据这个临界尺寸，进行一定量的调整，最后完成设计计算工作，所以对于具体设计情况，一般的设计结构可以采用类比和选择的方法来设计。

对于现在的压铸模具设计要求，可以利用三维设计软件和一些电算软件的计算和存储功能，通过这些软件和程序自动提供相应的设计程序、计算参数和结构模型，对于常用的模具设计，直接提供一些具体的参数，如根据压铸件的壁厚和所选用的压铸机参数就可以提供最大比压，并提供相应的其他结构的设计参数。所得到的可选参数计算结果可以分为两种：直接选用类型，包括模型尺寸、模框尺寸、压铸机的吨位，内浇口的截面积等。其他参数设计要求为参考选用参数：滑块的尺寸和滑块的尺寸等。这些需要计算参数的核心问题主要是模型尺寸计算、充填时间计算和内浇口截面积计算。所以采用参数化设计是现在模具设计一个比较普遍的方法：其主要的流程为：根据铸件的结构特点，然后再采用不同的计算设计方法，计算出模具结构中基本的工艺尺寸或者极限尺寸判据，最后按照这些计算尺寸来生产合理模具工程图，对于这些模具设计，再考虑到其他的结构特征、材料利用问题、加工和工艺问题以及其他不影响模具强度的设计要求下进行尺寸参数的调整。这也就是目前压铸模具设计工作比较合理的设计流程。

目前压力铸造工艺的优点：可以生产尺寸精度较高、外表面的光洁无缺陷、薄壁复杂结构的铸件。当然，问题也有很多，具体的问题和缺点如下：目前用于压力铸造的合金的类别种类比较少，主要是由于压铸合金的收缩率比较大；同时在液体充型到型腔的过程中，高速的金属液会带来大量的空气和氧化渣进入到目前的铸件结构中并产生紊流。所以用压铸去生产铸件，一般会导致压铸件的内部缺陷多，并且致密性差。对于这些问题，一般的解决方法如下:①采用真空工艺;②修改浇注系统使其变得更加合理;③采用先进的半固态铸造技术工艺代替传统的液态压铸工艺;④采用先进的过滤技术；现在适用于压铸生产工艺中的铸造材料只能用一些低熔点的锌、铝、镁等合金进行生产制造。而在压铸工艺中对于黑色金属的压铸成型，目前还没有非常适合的模具材料。而对于传统的缸体压铸工艺，进行压力铸造生产的压射比压相对较高、产量较大，所以生产较复杂的压铸铸件利用金属型芯。所以采用传统的压铸工艺只能生产结构一般，非封闭结构的缸体。而对于结构复杂的

缸体，一般的压铸工艺无法直接生产，具有更大的刚性。

1.4本文研究内容

采用Anycasting对与设计的压铸工艺方案进行相应的数值模拟，可以分析通过设计手册设计的压铸工艺方案中的浇注系统，冷却系统设计和排溢系统的设计是否设置的合理，主要分析的就是充型模拟过程和凝固模拟过程，对于以上所呈现的模拟分析结果，就可大致确定冲头的快速压射速度参数、浇注温度参数、冲头的低速和快速压射的转换点位置参数和模具的预热温度参数等相关铸造工艺参数的设置是否合理。如果能结合实际的生产状况对比缸体铸件的缺陷的数值模拟结果，判断实际工艺生产缺陷存在的部位和符合程度的情况，就可以初步判断数值模拟的合理性。

通过对这种压铸缸体铸件数值模拟结果的分析结果，可以用来进行缸体铸件压铸模具的改进，并且了解到哪些工艺参数对缸体铸件数值模拟过程的影响，根据影响比例，就可以确定压力分布部位、凝固时间和缺陷情况的影响规律，最后也就能得到相对可靠的模拟工艺方案。

压铸缸体铸件的模具设计内容。主要包括设计结构有动模型芯、定模型芯、侧抽型芯和滑块设计，动模板、定模板、动模模座、导柱和导套、顶出机构等模具部件结构参数化设计。参数化的设计内容主要包括如下：动模型芯和定模型芯的设计尺寸可以按照选用的压铸机的安全工作比压或通过最大的比压临界值作为判据；根据压铸铸件的投影面积来计算选用相应的压铸机吨位，并给出相应的参数；压铸模具的模框也是根据所选用的压铸机具体吨位参数来给出相应的推荐值；通过给定的慢速和快速充填速度并结合压铸件的壁厚来选择相应的充填时间和内浇口截面积参数；对于侧抽出机构等相关零件的设计，可以先结合相关图例来选择相应的结构类型，随着压铸铸件参数和浇口位置的选择变化，同步的修改相关需要设计的零件尺寸，最后再根据推荐的参数表的数据选定具体尺寸。总之、计算过程只是为了进行对比制造的一种思路；对于标准件和一些比较常用的部件，一般是先选用，然后根据一些主要参数做一些调整，并且仿照相关结构完成设计；对于不常用的模具结构也可在常用模具结构上进行修改设计。

1.5研究的目的和意义

本论文的研究目的主要是通过目前可以商用较精确的铸造数值模拟软件对缸体铸件的压铸生产工艺进行验证和分析计算，发现压铸缸体铸件在生产过程中极有可能产生的铸造类缺陷，并提出可行的改进方法，完成合理的模具设计，最终提高缸体铸件大规模生产下的合格率。目前的铸造企业生产工艺方法还是比较传统，没有合理的理论基础也不会轻易对己经应用于生产，但合格率不高的工艺进行改进。如果拥有比较成熟的铸造数值模拟后，一方面对于设计的压铸工艺可以提前进行模拟计算，等待工艺模拟完成并基本符合生产要求，再制造相应的模具。这样就可以大幅减小因为设计工艺的不成熟造成所制造的模具适用性低造成的浪费，同时也能减少不同工艺的修改而带来的经济损失，也能缩短相应的产品开发周期，提高生产效率和效益。另一方面，也能够对己经应用于实际生产的铸造工艺做进一步的优化，进一步提高成品率，更大的降低制造成本。

当然对于相关行业的工作人员来说，也要充分的认识到，影响实际的压铸生产工艺过

程的因素多而复杂。对于铸造数值模拟技术来说，一些可知的基本条件都做了相应的简化处理，并不能考虑到全部因素的影响。本论文研究目的也只是为模具设计和压铸工艺做一种验证和提供一种可选的方法，目前的应用于铸造行业的数值模拟技术还不能直接替带铸造行业相关工艺人员的经验积累。

2 压铸模拟分析方法

2.1 Anycasting软件简介

2.1.1 Anycasting模块简介

AnyCasting铸造分析软件是由韩公司自主开发的，可以在Windows操作平台上使用的新一代的比较高级的铸造模拟分析软件系统。它是专门针对典型类型的铸造工艺过程进行相应工艺条件模拟开发的仿真系统，不仅可以进行铸造的充型过程、热传导过程、凝固过程和相应的三维应力场的模拟分析。它主要模块有：

AnyPRE作为一种AnyCasting的前处理软件程序，anyPRE的功能可以将已经设计好的三维模型导入到其中，这个软件的前处理的网格划分方法采用的是有限差分法的网格划分，在其中的模拟条件的设置中有简单网格划分和可变网格划分，将前处理的设置结果直接导入到AnySOLVER中进行求解。在anyPRE中，可以设置工艺流程类型和材料的选取进行相应的铸造模拟成型过程，设置相应的边界、热传导参数和浇口条件参数，其中一些特殊的功能模块可以设置相应设备和模型状况。在anyPRE中也可提供的相应的模型查看功能来查看、移动和旋转实体模型的坐标系统。

AnySOlVER作为AnyCasting软件的求解器，anySOLVER能够依据先前在前处理中设计的流场和温度场。铸造过程模拟计算包括熔体充型过程的充型分析计算、传热和熔体凝固过程分析计算。一般先模拟完充型分析再模拟凝固分析，在这两中类型分析都准确完成的情况下，就非常有可能正确得预测到可能产生缺陷的区域。

AnyPOST作为AnyCasting的后处理程序，anyPOST可以直接打开由anySOLVER计算结果生成的结果文件，在计算机屏幕上也会出现比较精确的网格图形结果。在anyPOST 中，可以比较直观查看充型时间、凝固时间、等高线和速度向量的变化，通过传感器的的设置和计算点也能创建相关参数的曲线图。利用这个程序相应模块的功能将模拟结果用动画的形式将模拟计算结果用播放文件呈现，可以比较直观的分析凝固缺陷的部位。另外，相关的设计文件也会保存成新的文件类型，可以用来再次检查分析。

AnyMESH功能模块可以用来编辑由anyPRE生成的网格文件。可以利用可变网络模块快速的修改网格信息，并且不会改变几何的模型结构参数。

AnyBASE是一种储存各种铸件材料，模具材料和其他种类材料参数性能的数据库管理模块，anyBASE数据库中主要化分为常规材料数据库和用户定义数据库。常规材料数据库可以提供具国际标准的常用类型材料的性能参数，用户数据库可以使用户能保存管理和修改相应的数据。使用者可以直接选择比较有用的材料就可得到相光材料的性能和不同材料间传热系数等参数，更加有助于参数的设计。

2.1.2 Anycasting缺陷分析理论基础

铸件凝固过程模拟的最主要目的就是为了设计和优化相关类型的铸造工艺，提高生产

效率。现在商业的数值模拟软件可以实现不是太复杂的铸件主要的铸造缺陷较精确的预测和控制，所以对于缩孔和缩松等缺陷的精确预测也是模拟过程的重要内容之一。同样现在的商业模拟软件进行凝固过程数值模拟计算也可以用来确定铸件凝固过程中的三维凝固温度场、三维温度梯度和最终凝固时间等。过去的数值模拟研究方法中一般把缩孔和缩松化归为同一种缺陷类型。并且一般的模拟方法和模拟判据只能解决缩孔、缩松的位置问题，现在的研究方法已经将缩孔和缩松区别开来分析。同样为了可以准确的预测铸件中缩孔和缩松缺陷，现在对于缩孔的形成机理的研究，现在的基础研究已经可以对于温度场进行求解计算，并且现在已经有了更多的预测缩松和缩孔等缺陷的方法;其中在Anycasting 中运到的预判方法有：等温曲线法、温度梯度法和G/R 。

（1）等温曲线法：对于铸件压铸过程，如果在铸件各个部位和冒口之间始终存在有可用的补缩通道，即可以判断本压铸铸件的凝固过程基本会符合定向凝固的判断原则，这样合理的凝固过程可以有效避免缩孔的产生。如果凝固通道在铸件完全凝固之前就被现行凝固部分截断，不能符合定向凝固的过程，这样就会产生缩孔缺陷。这样的凝固过程，在凝固温度场曲线上，这样的等温线在曲线图上，就会看到封闭的回路。以充型金属液的固相线上的温度点作位实际工艺流动和补缩充型的分界限，这样得到的等温曲线回路，其中的内部区域就是可能的缩孔部位，但是这种方法也有缺点，比如当这种闭环回路无法观察到时就不能判断具体的缩孔缺陷的位置。

（2）温度梯度法：温度梯度法则是观察铸件凝固后期的温度梯度，根据温度梯度的大小就可以准确的预测压铸铸件是否会出现和存在这样的收缩缺陷的。而对于温度梯度G ，一般将按照下面的计算方法来确定:一单元格在某时刻τ的温度为0T ，在τ?时后，当铸件的浇注温度由0T ，降到铸件的固相线'0T ，随着温度继续下降，就可以计算出在τ+τ?时刻，从铸件中心到铸、边缘处整个连续喝相连点之间温度梯度的变化，将所有观测到的温度梯度变化中最大值就可以将其作为铸件凝固结束的温度梯度G 。当G<临界值时，这样就可以初步判断铸件该区域有产生缩孔缺陷的可能性。这种判断方法的特点是铸件的临界温度梯度会随着不同的铸件形状和复杂程度、以及铸件的压铸工艺和冷却条件不同而有一定的改变。

（3）G/R 法：压铸铸件在凝固过程的缩松缺陷的预测主要是利用缩松判据来预测的，现在的比较商业的软件中，其中利用来判断缩松的理论基础普遍采用的是使用的新山英辅判据，即

G/R

是量纲量，一般取12/12/1min 1-??cm C C 。研究表明，iy ama N C 值会铸件大小不同而不同，大件一般取12/12/1min 1.1-??cm C C ，小件一般取12/12/1min 0.8-??cm C C 。该判据充分地考虑到凝固过程中枝晶在补缩通道过程中的压力损失量。

在Niyama 判据中，单元格( i, j, k)的温度梯度为该单元与周围相邻16个单元格的温度梯度中最大的值，即

G=max (()()()

)01,1,,222,,,,-=?+?+?-+++k j i k j i m k m j m i k j i m m m z m y m x m T T k j i 2.2

式中，z y x ???,,为单元步长。

冷却速度公式为: t T T R m k j i u k j i ?-=+1

.,,, 2.3

由于新山英辅判据中并没有充分考虑到合金类型和含量对缺陷判断的影响，并且这个临界值是一个量纲，含义很不清楚，所以研究工作者对该判据也进行一定的改进和修正。这些改进和修正主要考虑到了合金含量和类型、枝晶之间的流动阻力和充型过程中的压力损失等一些对实验结果有影响的因素在内。而在Anycasting 凝固模拟中就充分考虑到了合金成分和含量，所以Anycsating 也可以用来模拟在受到重力条件下的凝固情况。

2.2 Anycasting 模拟研究方法

2.2.1模拟过程设置 本文的研究对象是缸体压铸件，采用anycasting 数值模拟软件对该压铸件的压铸工艺进行分析和模拟优化，具体流程如下所示；

（1）三维实体造型和预处理：使用高级的三维造型软件NX10.0,对压铸铸件产品、浇注系统结构设计、排气系统结构设计、排溢系统结构设计、冷却系统位置设计、动模板和定模板以及型芯等相关结构的三维实体造型，然后以STL 格式导出，根据模拟实验需要将各实体通过anyPRE 导入,并赋予对应的属性如：铸件型腔、内浇口、流道、压室浇口杯、渣包、冒口、堵头、升液管、浇口、过滤网、冷却系统、冲头、模具、附件、管道(动模)、料饼等，然后根据需要设置模具和求解域。

（2）网格划分：由于本发动机缸体压铸件的型腔、浇注系统和排溢系统整体的形状和结构相对较复杂，存在薄壁区域，整体采用均匀网格划分，具体方向采用细分网格或则采用可变网格。

（3）基本过程设置：任务设计、目标工艺、分析类型、铸件使用材料、模具使用材料，冷却介质、传热系数；材料设置：设置材料属性；初始值条件：初始条件、求解域边界条件；热传导模型：铸件和模具之间的传热系数参数、模具和模具传热系数参数、铸件和外界空气传热系数参数、模具和外界传热系数等；浇口条件：倒流控制、热条件、充型条件；重力设置：方向设置；压铸机参数：压室参数包括冲头直径、压室长度、压室充满度等。

循环条件设置、合模时间参数、等待时间参数、冷却通道工作温度区间大小、脱模剂喷涂时间参数、吹气时间等。

（4）可选模块选择:收缩模型：材料设置、体积收缩率、参数化模型、重力缩孔模型；流体流动模型：表面张力、附壁模型、紊流模型；微观组织模块：确定性模型、参数化模型；偏析模型；半固态模型：有效粘性模型、幂率模型等；氧化夹渣模块：常温、变温设置；循环工艺模块:循环、事件；真空和出气口：不断流出、暴露在环境中、用户自定义压力；背压模型；重力倾转：旋转轴、旋转角度、旋转速度；大型铸件：快速流动、发热、二次浇注；压室模型：压室、熔体-装载、压射、活塞；检测模型：粒子追踪、模具侵蚀。

（5）设置仪器：传感器、管道、浇口杯、开关、升液管、过滤网

（6）求解方法设置：求解目标、求解器类型、迭代目标、迭代方法、松弛因子、收敛判据、最大迭代步、对流项、时间步长率、滑动系数、充型结束判据；结束和输出条件:充型率、凝固率、时间、最高温度。

2.2.2模拟结果分析

本发动机缸体压力铸造充型数值模拟分析结果主要内容如下：

（1）充型速度分析：判断浇注系统及铸件型腔不同区域的充填速度分布情况，特别是内浇口和易形成缺陷的地方速度切换是否合理。

（2）充型时间分析：根据铸件型腔各个部位的充填时间点、观察充填顺序、可能出现卷气和夹渣的部位，以及观察低速阶段速度和高速速度的交换点等。

（3）氧化夹渣分析：通过判断熔体与空气接触的时间，来判断氧化夹渣产生的部位的概率。

（4）卷起分析：分析缸体铸件型腔在充型过程中所受气压阻力情况。

（5）紊流分析：分析预测充型过程中产生紊流的具体部位和情况。

发动机缸体压铸凝固过程热分析包括以下内容：凝固时间、凝固顺序、温度梯度、界面移动速度倒数、冷却率、局部凝固时间、固相分数等值线曲率、残余熔体模数、残余熔体体积、残余熔体表面积、组合缺陷参数、概率缺陷参数；微观组织预测：形核密度、晶粒尺寸和二次枝晶臂间距；力学性能预测：维氏硬度、抗拉强度、延伸率。

2.3本章小结

根据angcasting软件对压铸模具结构、型腔结构、浇注系统、冷却系统、排溢系统优化的结果，直接利用NX10.0三维造型软件进行整体模具结构的三维实体造型和其他装配设计，设计内容和步骤如下：模具整体模架设计：主要包括动模固定板结构、动模模板、定模模板、模板导套、模板导柱、动模模座等部件，定位及固定结构设计;模具成型部分设计：主要包括动模型芯、定模型芯、动模镶块、定模镶块、浇注系统镶块、溢流系统镶块的结构设计和尺寸计算、固定和定位机构的设计;顶出机构设计：其中包括顶杆的选用、顶针板的尺寸计算、顶针底板的尺寸计算、顶板导柱和导套的固定方式;侧抽芯机构设计：其中包括侧抽芯的抽拔力的计算、侧抽芯的位置、侧抽芯距离的计算、滑块的尺寸设计、侧抽芯和滑块的紧固方式等内容。

3 缸体压铸过程的数值模拟

3.1 数值模拟前处理

3.1.1 三维模型建立

缸体三维模型的建立：本是某汽车发动上的零件，简化的三维实体模型如图3.1所示，大致是由4个直列汽缸体和半圆柱体曲轴箱结合成一体的整体压铸件，此缸体的材料为ADC12的铸造铝合金，每个直列缸筒都要加铸钢缸套。压铸缸体铸件的轮廓为340mm×240mm×320mm,铸件质量大约为4.35kg（不包括浇注系统和排溢系统）,平均的壁厚为5mm，最大壁厚处约为20mm。

图3.1 压铸缸体的三维实体模型

参考设计手册完成的浇注系统和排溢系统的三维模型结构如图3.2所示,其中分型面为缸体的最大横截面处，型腔成型部分大部分位于动模部分，曲轴内腔位于定模部分，四周外侧成型部分由四个侧抽型芯铸出。其中浇注系统位于铸件长边的一侧，设有4个横浇道，4个内浇口，其中内浇口总截面积为1125mm2。料饼的厚度为30mm，料饼的直径为140mm，浇注系统总体积为1369500mm3，排溢系统总共设有15处集渣包，总的排溢系统总体积为358500mm3。

3.1.2 网格划分

AnyMESH是高性能的有限元前处理软件，能大大缩短CAE的时间及成本，用它可以建立有限差分模型，观察计算结果和进行数据分析。它可以让工程师在高度交互及可视化环境下验证各种设计条件。AnyMESH的图形用户界面易于学习，并且直接输入CAD几何模型和已有的有限元模型，减少重复性的工作，具有更快的处理速度、适应性和可定制性，能形象的表现复杂的结果。

3.1.3模拟参数设定

表3.3充型和凝固模拟求解方法

求解目标充型热传导和凝固

求解器类型混合混合

迭代目标压力温度

迭代方法SOR迭代SOR迭代

松弛因子 1.8 1.6

收敛判据0.0010.001

最大迭代步100100

时间步长比率0.90.8

按以上条件设置模拟条件，将设置的结果导入到anySLOVER中求解，将求解得到的结果导入到anyPOST中进行结果分析。

3.2充型过程的模拟分析

3.2.1充型过程的流动分析

Angcasting进行充型过程的流动及充型顺序分析可以来判断模具型腔充型的合理性，排溢系统是否有效，以及可以观察合金液在充填的过程中是否出现卷气的现象。图3.3是此压铸缸体的充填流动顺序的数值模拟结果

图3.3压铸缸体的充型顺序示意图

分析图3.3可以发现：金属液由低到高顺序充型，当充型至50%左右时，中间的液面明显高于两侧的液面，由于中间复杂结构的阻隔，中间液面未能及时和两侧液面汇集，极有可能在此处产生卷气，所以此时工艺参数应还设置为低速区，当充型至80%时，可以发现液面已经汇集，且可以发现内侧液面高于外侧液面，可预测到最后充型的地方是靠近分型面的一侧。图3.4可以为观测卷气和紊流结果示意图