基于镶嵌工艺的铝合金压铸数值模拟及优化研究

摘要

双金属材料通常具有单一材料无法比拟的优点，因而得到了越来越多的应用。而压力铸造工艺不仅能制造大型复杂、薄壁的零部件，同时也是一种易于实现镶嵌的加工方法。采用镶铸，一方面，可以实现两种不同材料之间的连接，在解决铸件工艺性差的问题的同时，也能使镶嵌件兼具两种甚至多种材料的优良性能。另一方面，可以减少装配工作量，简化制造工艺。然而，当前关于固-液双金属复合方面的研究，主要还是通过工程实验对镶嵌区域的过渡层厚度及其组织结构进行分析，存在产品开发周期长，生产成本高等问题。因此，为了综合优化压铸件和镶嵌相关的参数，提高镶嵌件的整体质量，并在产品的结构或工艺设计阶段实现对镶嵌的结合情况以及扩散过渡层厚度的预测，本文以镁合金-铝合金双金属（简称为镁-铝双合金）活塞为对象进行研究。
　　首先，本文对压铸充型和凝固过程数值模拟的相关理论进行了阐述，并基于传热学理论，对镁合金嵌件和铝合金活塞基体之间的导热现象进行了分析。同时，利用菲克第二定律，分析了无限长和半无限长扩散偶中金属原子的扩散，并得到菲克第二定律的函数误差解，为镁-铝双合金活塞中金属原子扩散距离的计算提供了理论基础。
　　其次，对镁-铝双合金活塞进行结构建模，确定数值模拟的相关参数并进行仿真，分析铝合金活塞基体和镁合金嵌件在压铸过程中温度场的变化情况。基于固-液双金属界面的结合机理以及压铸件常见的缺陷，提出以扩散时间和孔隙体积两个指标来分别评价镁-铝双合金界面结合和铝合金活塞基体的质量。
　　再者，通过仿真实验，分别考察铝合金液浇注温度、浇注速度、模具预热温度以及镁合金嵌件预热温度四个主要工艺参数对扩散时间的影响。利用响应面法进行实验设计，分别拟合孔隙体积和扩散时间关于四个工艺参数的回归方程，并分析模型的拟合精度以及各工艺参数对两个评价指标的影响程度。为综合提高铝合金活塞基体和镁-铝双合金镶嵌的质量，基于NSGA-II遗传算法，对扩散时间和孔隙体积进行多目标优化，以获得较优的工艺参数组合。
　　最后，以优化后的镁-铝双合金活塞为例，利用菲克第二定律对镁-铝双合金活塞镶嵌区域主要元素的扩散距离进行计算，并通过扩散距离来实现对结合界面过渡层厚度的预测。

目录

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景和意义

1.2 压力铸造的研究概况

1.3 固-液双金属材料铸造的研究概况

1.4 论文研究内容及章节安排

第2章 压铸数值模拟以及扩散基本理论

2.1 引言

2.2 压力铸造数值模拟理论基础

2.3 基于菲克第二定律的扩散研究

2.4 本章小结

第3章 镁-铝双合金活塞压铸数值模拟

3.1 引言

3.2 压铸件结构设计及分析

3.3 浇注方案设计

3.4 工艺参数确定

3.5 评价指标

3.6 镁-铝双合金活塞压铸有限元仿真

3.7 本章小结

第4章 镁-铝双合金活塞压铸参数优化

4.1 引言

4.2 工艺参数对扩散时间的影响

4.3 评价指标与工艺参数的响应模型

4.4 本章小结

第5章 镶嵌铸造过渡层厚度计算

5.1引言

5.2过渡层厚度计算

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢