1、 基于有限元分析的发动机缸体压铸模具设计 摘 要 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 anycastin
2、g 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
3、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 o
4、verflow 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
5、 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,
6、 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 temperat
7、ure, 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
8、. 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 ch
9、eck. 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 Anycas
10、ting 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
11、.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
12、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
13、.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 中国矿业大学本科生毕业设计 (论文） 第 1 页 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
14、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
15、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
16、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。
17、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
18、拟的指导方法已经受到了现在国内外铸中国矿业大学本科生毕业设计 (论文） 第 2 页 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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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中国矿业大学本科生毕业设计 (论文） 第 3 页 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
24、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
