汽车铝合金发动机缸体压力铸造过程数值模拟

论文摘要

压力铸造是一种生产效率高,产品质量高、精度高的金属成型铸造方法。本文以铝合金发动机缸体为研究对象,利用数值模拟软件ProCAST,模拟缸体压铸充型及凝固过程,确定合理的压铸工艺方案,以达到提高缸体铸件质量,减少模具试制时间,指导实际生产的目的。发动机缸体壁厚不均匀,结构不对称,铸造难度较大。本文首先根据缸体结构特征,设计了浇注系统和溢流系统;根据压铸工艺及技术参数选择了J11110G卧式冷室压铸机;并设计了两种不同浇注位置的工艺方案。利用ProCAST中的虚拟模具技术对方案进行模拟,对比两种方案形成缩松缩孔及卷气倾向,选择了内浇口在缸体底部,且以45o角切入的浇注位置。然后,本文通过正交试验的方法研究了压射速度、浇注温度和模具预热温度对铸件缩松缩孔缺陷的影响。研究表明:模具预热温度影响最大,压射速度次之,浇注温度影响最小。压射速度为4.5m/s,浇注温度为680℃,模具预热温度为240℃的压铸工艺,缸体的缩松缩孔倾向最小。另外,又比较了三种内浇口面积为579mm2,600mm2及621mm2的工艺方案,分析得出内浇口面积为621mm2的方案缺陷最少。最后,本文设计了缸体压铸模具,提出了两种不同形式冷却水道方案,研究了冷却水道对压铸模具热平衡及热应力的影响。研究表明:良好的冷却方式可以做到将模具温度很好地控制在合理的范围内,且模具产生的热应力也可以大大降低。通过数值模拟方法,确定了合理的缸体压铸工艺:在缸体底面,以45o切入的内浇口位置,压射速度为4.5m/s,浇注温度为680℃,模具预热温度为240℃,内浇口面积为621mm2,冷却方式为型芯处设置冷却水道的形式。这种压铸工艺能减少缸体铸件裹气和缩松缩孔缺陷,延长模具的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 铝合金发动机缸体国内外发展状况
• 1.1.1 现代汽车发动机缸体的制造技术
• 1.1.2 国外发展状况
• 1.1.3 国内发展现状
• 1.2 压力铸造技术的国内外发展现状
• 1.3 数值模拟技术应用的国内外发展状况
• 1.3.1 铸造模拟的主要内容
• 1.3.2 铸造模拟软件的开发与应用
• 1.3.3 压铸成型数值模拟发展状况及存在的问题
• 1.4 课题的来源及目的
• 1.5 课题的主要工作内容及关键问题
• 第二章 压铸数值模拟技术的理论基础
• 2.1 充型过程数值模拟的理论基础
• 2.1.1 充型过程数值模拟的方法
• 2.1.2 SOLA-VOF 数学模型
• 2.1.3 连续性方程和 N-S 方程的离散
• 2.1.4 自由表面的处理
• 2.1.5 紊流模型的数值模拟
• 2.1.6 金属液体流动的理论基础
• 2.2 凝固过程数值模拟理论基础
• 2.2.1 铸件凝固过程的传热学基础
• 2.2.2 凝固过程温度场计算数学模型
• 2.2.3 初始条件与边界条件
• 2.2.4 减少或不计算铸型部位的计算方法
• 2.2.5 凝固过程铸件缩松、缩孔的预测
• 2.3 ProCAST 软件对充型理论的模拟验证
• 2.3.1 ProCAST 软件简介
• 2.3.2 ProCAST 软件对充型理论的模拟验证
• 第三章 发动机缸体压铸浇注系统位置的选择
• 3.1 本文的技术路线
• 3.2 发动机缸体的几何模型简介
• 3.3 压铸机的选择
• 3.3.1 压铸机的选择步骤
• 3.3.2 压铸机的选用
• 3.4 浇注系统与排溢系统的设计
• 3.4.1 浇注系统的设计理论
• 3.4.1.1 内浇口设计
• 3.4.1.2 横浇道的设计
• 3.4.1.3 直浇道的设计
• 3.4.2 排溢系统的设计
• 3.4.2.1 排溢系统的作用
• 3.4.2.2 排溢系统位置设计要点
• 3.5 发动机缸体压铸浇注系统位置的选择
• 3.5.1 两种浇注位置的设计
• 3.5.2 压铸参数的确定
• 3.5.3 两种方案的模拟分析
• 3.5.3.1 充型流场分析
• 3.5.3.2 凝固温度场分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 发动机缸体压铸工艺参数的优化
• 4.1 压铸参数的选取和实验设计
• 4.1.1 正交试验方法
• 4.1.2 压铸参数选取和水平的确定
• 4.2 正交试验结果与分析
• 4.3 新工艺方案模拟结果对比
• 4.4 内浇口面积对铸件缺陷形成的影响
• 4.4.1 方案设计
• 4.4.2 结果比较分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 缸体压铸模具热平衡和热应力的数值模拟
• 5.1 压铸模具的热平衡与冷却
• 5.1.1 压铸模具的热平衡
• 5.1.2 冷却水道的作用与设计
• 5.1.2.1 冷却水道的作用
• 5.1.2.2 冷却水道的设计原则
• 5.2 方案设计
• 5.3 模具热平衡模拟分析
• 5.3.1 热循环的比较
• 5.3.2 模具温度场的比较
• 5.4 模具热应力模拟分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 论文总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文