模具温控成形过程的数值模拟与试验研究

摘要

在各种材料加工成形过程中，模具温度直接影响到材料流动性和成形性能，是决定零件成形质量的一个重要因素。本文研究模具控温产生的外加可控温度场与成形固有的内场的耦合作用对零件成形过程的影响。考虑到外部温度场与内部温度场之间的耦合是最重要、最基础的耦合形式，本文从凝固成形切入，研究两类温度场之间的耦合模型和算法。通过数值模拟结合实验研究，为凝固成形过程中缺陷的改善提供指导。本文的主要研究内容和成果如下： 对模具温控凝固成形的数值模拟方法进行了研究，建立了成形过程中的物理模型，通过模具与工件接触的边界条件将外部可控温度场和内部温度场进行耦合。对于模具冷却单元的处理，提出了一种基于气液两相流动沸腾换热的处理模型，并给出了单相对流换热的计算式和两相流动沸腾换热的换热系数计算公式，对冷却单元换热的数值计算提出了一种控制算法，通过对指定的控制节点温度与温控阀值进行比较来修正刚度矩阵和右端向量元素，从而实现模具温控单元在程序计算过程中的自动控制。 开发了专用的模具温控凝固成形数值模拟软件系统。进行了软件的需求分析建模，绘制了数据流图，在需求分析的基础上进行了系统设计，将程序划分成相变潜热、刚度矩阵计算及矩阵求解等10个主要模块，并编制了主模块与各子模块的程序流程图，定义了模块之间的数据接口。软件的前后处理在MSC．marc软件上进行，求解器模块则采用fortran语言编程实现。 利用开发的软件对模具温控凝固成形过程进行了模拟，研究了采用三种不同温度控制方法的六种工艺控制方案，分析其中模具温度控制对成形过程的影响，对于纯锌和纯铝两种材料的零件成形模拟得到了近似的结果：采用同时开启冷却管道的方案成形质量较差，在零件中上部易产生缩孔等成形缺陷，而采用其他两种控制方法的方案则可按预想实现顺序凝固，其中，采用单独控制侧部冷却管道的方案，能得到较大的固液界面温度梯度和凝固速度，成形效率较高。针对两个较易于控制的关键控制参数进行了研究，对于两种工件材料，分别对模具预热温度和冷却控制阀值取不同值的多种工艺条件的成形过程进行了模拟。提供了一种有效的控制参数选取方法。 研制了一种成形的实验装置，并根据成形的工艺特点提出了一种温度测控方法。装置主要包括成形模具和温度测控系统两部分，设计了独立的加热及冷却温控单元均匀分布在模具中，并开发了基于工控组态软件MCGS的应用系统进行流程控制，可实现模具温度的实时自动控制。为验证成形过程模拟计算方法、模型和结果的有效性和准确性，考察研制的成形装置是否能满足实际需求，设计了六种实验方案进行了成形过程的实验研究，并对成形零件进行了力学拉伸试验和密度测试，实验结果与模拟计算的分析结果吻合，平均相对误差在6％以内，实验研究的结果验证了计算模型和方法的准确性和有效性，证明通过成形过程外加可控的模具温度场有助于改善零件内部成形质量和提高成形效率。 本文的研究成果为广东省科技计划项目“高性能铝合金汽车转向节精确铸造成形技术”的实施，提高该零件的力学性能和成品合格率提供了一种可行的方法；同时可将研究成果推广到模具制造企业，设计制造新型模具及周边装置。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 模具温控成形技术及研究现状

1.2.1 模温状态对零件成形质量的影响

1.2.2 模具温度控制的实现方法

1.2.3 模具温度控制的研究现状

1.3 模具温控成形过程数值模拟的研究现状

1.3.1 温度场模拟的主要数值计算方法

1.3.2 成形过程数值模拟的研究现状

1.3.3 凝固成形过程温度场数值模拟研究进展

1.3.4 温度场数值模拟软件的发展现状

1.4 本文的主要研究内容及课题来源

第2章模具温控凝固成形的数值模拟方法

2.1 概述

2.2 物理模型

2.3 内部温度场数学模型的建立

2.3.1 传热控制方程

2.3.2 相变潜热处理

2.3.3 边界条件

2.4 外部温度场数学模型的建立

2.4.1 传热控制方程

2.4.2 边界条件

2.4.3 模具温控单元处理

2.5两类温度场的耦合

2.6控制方程的数值求解

2.6.1 控制方程的有限元格式

2.6.2 单元分析与总体合成

2.6.3 PCG法求解方程组

2.6.4 模具冷却单元单相对流换热方程的求解

2.7 模具温控单元的控制算法

2.8本章小结

第3章成形过程的数值模拟软件开发及计算实例

3.1 概述

3.2 数值模拟软件的开发

3.2.1 需求分析

3.2.2 软件总体设计

3.2.3 详细设计

3.2.4 程序的异常处理

3.2.5 软件编码及测试

3.3 数值模拟计算实例

3.3.1 数值模型

3.3.2 温度控制方法对成形过程的影响

3.3.3 关键控制参数对成形过程的影响

3.4 本章小结

第4章模具温控凝固成形的实验研究

4.1 概述

4.2 实验装置的研制

4.2.1 模具结构设计

4.2.2 温控单元设计

4.2.3 温度测控系统

4.3 实验结果

4.3.1 实验方案

4.3.2 数值模拟的实验验证

4.3.3 零件内部成形质量分析

4.3.4 成形零件的力学性能

4.3.5 成形零件的密度

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见