汽车铝合金发动机缸体压力铸造过程数值模拟

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45°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45°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。

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文摘

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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

3.4.2 排溢系统的设计

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

3.6 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

5.2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