镁合金电机端盖压铸模具设计CAD CAE——毕业论文.pdf

摘要本文从国内镁合金压铸模CAD/CAE技术与国际先进技术水平的差距 和急需解决的问题着手，提出了镁合金压铸模集成CAD/CAE的思想，并 结合实际压铸模具设计的范例，实现了镁合金压铸件电机端盖体压铸模 CAD/CAE的集成。从压铸过程的数学物理模型出发，阐述Anycasting软件进行压铸过程 数值模拟的实现方法，并利用Anycasting对镁合金电机端盖体零件进行压 铸过程流场、温度场数值模拟，分析铸件在压铸过程中可能出现的缺陷，以此来指导压铸模具浇注排溢系统的优化设计。基于Anycasting模拟得到 的结果，进行压铸模具的整体结构设计，借助三维建模软件Pro/E进行总 装图及主要零部件图的设计。电机端盖压铸模具设计主要包括分型面、浇 注系统、排溢系统、成形零件、辅助零件、结构零件等的设计，及成形零 件工作尺寸等的计算。关键词：电机端盖体；镁合金；压铸；数值模拟；模具优化设计。I山东科技大学学士学位论文AbstractIn this paper,the idea that the integration of CAD/CAE for magnesium alloy die casting mold is put forward from the gap between the domestic die casting mold CAD/CAE technology and the international advanced technology of magnesium alloy and the problem that need to solve urgently.Combined with the actual design example of die casting mold,the integration of CAD/CAE for die casting mold of magnesium alloy is realized.Based on the mathematical physics model of die casting process,the method of numerical simulation of Anycasting software for die casting is described and the flow and temperature field of the die casting process of magnesium alloy cover parts were simulated by Anycasting.Analyzing the possible defects in castings and using it to guide the die casting mold pouring system optimization design.The overall structure design of die casting mold is carried out based on the results obtained from Anycasting simulation.The design of assembly drawing and main parts drawing is carried out by means of 3D modeling software Pro/E.The design of the die cover mold of the motor cover includes the design of the parting surface,the pouring system,the overflowing system,the forming parts,the auxiliary parts,the structural parts and so on,and the calculation of the working parts of the forming parts.Keywords:motor cover;magnesium alloy;die casting;numerical simulation;mold optimization design.山东科技大学学士学位论文目录摘要.IABSTRACT.II目录.III1绪论.11.1 电动机端盖简介.11.2 选题意义.51.3 本课题主要研究方向.62数值模拟软件及理论基础.82.1 Anycasting 软件介绍.82.2 数值模拟理论基础.103电机端盖件初始压铸工艺参数的确定.173.1 压铸合金的选用.173.2 压铸件的基本参数.183.3 分型面的选择.193.4 压铸工艺参数的选择.203.5 压铸机的选用.264电机端盖体浇注排溢系统设计.284.1 浇注系统设计.28in山东科技大学学士学位论文4.2 排溢系统设计.315浇注排溢系统数值模拟.355.1 Anycasting模拟仿真基本路线.355.2 有限元模型的建立.365.3 材料物性及边界条件的确定.375.4 数值求解.405.5 模拟结果与分析.405.6 缺陷预测.465.7 缺陷解决的办法.576压铸模具的设计.586.1 成形零件的设计.586.2 推出机构的设计.636.3 模架的设计.685.4 加热与冷却系统设计.736.5 压铸模具的校核与装配.747结论.77参考文献.78致谢.80附录一：英文文献.81IV山东科技大学学士学位论文附录二：译文101v山东科技大学学士学位论文1绪论在有色金属铸造中，压力铸造是一种最为重要的生产方法近年来以 铝、镁、钛、锌为主的轻金属在压铸工业中占据重要的地位，压铸成形工 艺在提高有色合金铸件的精度水平、生产效率和表面质量等方面具有明显 优势。我国机械、汽车、航空航天、电子等工业的发展，为压铸件生产提 供了广阔的空间。我国镁资源极为丰富，而镁合金压铸产品则存在着巨大的潜在需求。这种得天独厚的供需条件，必然激发镁合金压铸企业发展生产的积极性。近年来，镁合金压铸生产企业和科研单位由原来几家迅速发展到近百家。可以说，中国镁合金压铸大发展的局面已基本形成，将镁资源优势转化为 经济优势，实现产业跨越式发展的愿望，有望逐步成为现实。1.1 电动机端盖简介电动机端盖是指电动机机壳的盖子，一般分前盖和后盖，用来固定和 支撑电动机转轴。端盖外形上一般都有些许凹凸孔，一是用来增强电机散 热，二是增强电机的机械强度。1.1.1 航天工业对电动机端盖材料的要求航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是 航天工程技术发展的决定性因素之一。航天器的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强 腐蚀等极端条件下工作，不同的工作环境要求航天材料具有不同的特性。有的受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情 况下等效的功能，有的需要在外层空间长期运行，不可能停机检查或更换 1山东科技大学学士学位论文零件，要有极高的可靠性和质量保证。宇宙飞船许多重要性能如飞行姿态 控制装置、展开机构控制及节流阀等都依靠电动机，因而航天用电动机在 高真空度、强辐射和宽的运行温度的环境下必须具有长寿命和高可靠性。航天工业是高科技领域，结构减轻和结构承载与功能一体化是航天材 料发展的重要方向，在极端条件下工作的航天产品对所用的材料提出了苛 刻的性能要求。（1）密度：由于飞行器的重量直接影响到它的机动性能，而空间站和 卫星的重量决定了对运送工具的要求和费用，所以航天要求的材料尽可能 的轻质，也就是尽可能的轻密度。所以镁合金的低密度，为它在航天中的 应用提供了较好的条件。（2）刚度和热导率：材料的比刚度和热导率是非常关键的参数。比如 某些部位的振动（飞机的机翼）以及在低重力、高真空的太空环境中，为 了避免太阳照射使得电子设备过热而烧坏，更需要高的热导率，而镁合金 正好具备这些优点。（3）减震能力：航天产品要求材料具有较好的减震能力，以便能够承 受较大的振动载荷。镁合金的良好的减震能力能满足这一苛刻的要求。另 外，镁合金由于具有高比强度、防辐射、良好的尺寸稳定性和电池屏蔽性（足以抵御短波辐射和高能粒子的“轰击”）等优越性能，使其在航天工 业中具有广阔的应用前景。正是由于镁合金具有这些显著的优势，所以在航天中具有广阔的应用 前景。选择镁合金作为航天器用电动机端盖的材料能满足飞行器在极端条 件下工作的苛刻要求。1.1.2 电动机端盖成形的特点电动机端盖的材质一般都是金属的，包括有色金属，铸铁，冷冲钢材 2山东科技大学学士学位论文等。一般是根据不同的电机类型选用不同的材质，如汽车电动机大多都是 选用冷冲钢材，大型电动机都是选用铸铁。端盖是较为宽松的部件，但形 状比较复杂，机械加工比较麻烦，难度大，一般来说有冷冲，拉伸，压铸 等工艺。综合各方面因素，镁合金非常适合作为航天器用电动机端盖的成型材 料，而目前镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺是压铸。镁合金压铸产 品的主要优点是质量好、效率高、加工成本低。正是由于镁合金具有优其 良的压铸工艺性能，有效地保证了压铸生产效率和质量，在众多领域中获 得了广泛的应用。1.1.3 压铸模具的发展趋势作为压铸生产过程不可缺少的工艺装备一一压铸模，由于受到整个模 具行业的基础和管理体制的影响，在模具的标准化程度、制造精度和制造 周期、生产效率、模具寿命及材料利用率、技术力量和管理水平等方面，与国外工业先进国家相比，仍有一定的差距。从压铸模具的设计理论及设 计实践出发，大致有如下几方面的发展趋势。（1）先进模具设计与制造的基础理论和共性技术研究与开发。主要包 括如下方面：模具设计与制造新方法、新工艺及关键技术研究；模具柔性 加工和标准化、自动化生产技术的研究与开发，以及模具对柔性生产和自 动化生产的适应性研究；提高模具可靠性与使用寿命的研究（包括模具失 效分析、模具材料及热处理、模具表面强化、高性能模具材料的研发和模 具钢选材系统等技术研究）；模具设计知识库系统开发，网络虚拟技术及 模具虚拟制造系统的研发；模具设计制造过程最优化的智能化、信息化技 术研究（包括模具设计制造智能化知识集成技术的研发）；模具制造在线 检测技术，设计、加工、测量一体化技术和数字化调试技术的研究及推广 3山东科技大学学士学位论文应用；快速原型技术在快速经济模具中的应用和无模快速制造技术研究；模具绿色设计制造与再制造技术研究及推广应用等。(2)具有自主知识产权的模具设计制造和管理软件的研发、提高及推 广应用。模具生产今后将越来越依赖于高性能的装备与软件。目前国产软 件不但数量少，而且在性能、功能方面与国际先进水平相比尚有许多差距,我们应充分发挥中国人自己的聪明才智来开发自己的软件。包括：三维 CAD/CAE软件开发与提高；CAE软件的开发与提高；模具生产企业PDM 系统研发；CAD/CAE/CAM无缝集成与一体化及与PDM集成技术的研发 与推广应用；逆向工程、并行工程、敏捷制造技术的提高与推广应用等。(3)汽车轻量化节能降耗材料成形工艺与模具开发。随着汽车行业的 快速发展以及国产化进程的加快，如汽车缸体、仪表盘、自动档变速箱壳 体等大型、精密、复杂压铸件的需求会越来越大。“以塑代钢”和“以铝 镁代钢铁”是汽车轻量化的必然之路。几乎所有要成为汽车零部件的材料,都必须使用模具来成形。因此，汽车轻量化模具的开发与产业化十分关键,对发展低碳经济非常重要。基于汽车轻量化的压铸模具主要包括：铝合金 发动机缸体缸盖压铸模、钛铝合金汽车气门阀压铸模、汽车方向盘和仪表 盘等零件镁合金压铸模。(4)推进标准化工作。我国模具标准化工作不但落后于工业发达国家,而且滞后于国内生产。标准化工作至少有三个方面必须加以推进：一是要 加快国家标准和行业标准的制定与修改，尤其要研究制定精密模具和精密 模具零件标准；二是大力发展模具标准件生产，提高标准件使用覆盖率，模具标准件生产企业要努力增加品种、提高质量；三是重视企业标准的建 立，推广标准化流程生产方式，并在此基础上推进信息化、自动化生产。4山东科技大学学士学位论文1.2 选题意义我国的经济水平，特别是拥有千万吨有色金属资源和丰富的劳动力资 源以及巨大的市场，决定了我国在国际产业分工中的位置，主要处于产品 制造的序列，因而将在很长期间承担国际有色金属铸件及其制品的生产制 造业务，国际压铸生产重心向东方转移已成为必然趋势。“十二五”期间，压铸行业在巨大市场需求的刺激下，仍将继续保持较高速度增长，由于铸 造机械产品的技术水平仍然与市场需求差距较大，使压铸行业的发展存在 巨大的发展潜力和扩展空间，为压铸行业的快速增长带来机遇。降低压铸件的成本，在最低的材料消耗和制造费用的前提下达到结构 的功能特性及满足其使用要求，以期在压铸件的生产中获得最佳的技术经 济性，这是现代压铸生产的基本特征。压铸产品应用领域的多元性是我国 压铸生产的主要特征之一。(1)汽车发动机用压铸铝合金缸体发展迅猛。近年来，这一趋势在我 国展现的非常明显。汽车发动机投资热方兴未艾，有力地推动了铝合金发 动机压铸缸体的加速发展。(2)汽车零部件铸件已构成巨大市场。压铸件的轻量化已成为重要的 发展趋势。汽车轻量化的迫切需要为压铸业发展提供了广阔前景。国内外 市场对压铸件的巨大需求，这就决定了中国压铸行业持续发展是历史必然。汽车产业强劲的内需和外需推动了零部件制造业的迅猛发展，其中铝合金 压铸件占有很大份额。(3)建筑与日用五金压铸件增长势头强劲。房地产业的强劲发展势头,有力推动了建筑五金、日用五金压铸件的生产发展。(4)五金、灯具、玩具、和车模行业的持续发展，为锌合金压铸件的增长提供了广阔的市场。5山东科技大学学士学位论文（5）镁合金压铸件在快速增长。近年来，镁合金压铸生产企业和科研 单位由原来几家迅速发展到近百家，可以说，中国镁合金压铸大发展的局 面已基本形成。尽管我国压力铸造有了突飞猛进的发展，但是与国外先进国家比较还 存在着很大的差距，主要表现在：（1）技术状况：技术落后，人才缺乏，新工艺新产品开发不力。（2）设备状况：国产的压铸机、低压铸造机存在很大差距，自动化程 度低，精度比较低，故障率比较高。（3）模具：模具的设计、制造和选用的材料都比较落后。一些高精度 的模具还需要进口。我们自己制造的模具，设计、制造的周期长，精度低、成本高，特别是寿命低。（4）原辅材料：原辅材料的生产比较分散。各类专业厂很多，但大多 数企业的设备简陋、技术落后、测试手段短缺，原辅材料品种不全，质量 较差。（5）管理：生产管理落后。原材料供应、生产技术规范、产品检验、售后服务等方面都落后于形势。1.3 本课题主要研究方向本课题主要以航天器用电机端盖为例，利用Anycasting软件进行压铸 成形过程的有限元分析，根据数值模拟结果对模具进行优化设计，然后利 用三维建模软件Pro/ENGINEER对模具进行建模，并利用计算机辅助设计 软件AutoCAD进行模具二维图纸的绘制。为实现课题目标，主要计划完成 以下几项工作：（1使用三维建模软件Pro/ENGINEER建立铸件浇注排溢系统的三 6山东科技大学学士学位论文维立体模型，并导入有限元数值模拟软件Anycasting对其压铸成形过程进 行有限元分析，得出充型过程中的温度场-流场模拟动画、卷气顺序流场模 拟动画、氧化物流场模拟动画以及凝固过程中的温度场模拟动画，分析成 形规律，预测缺陷，进而研究浇注排溢系统、浇注温度、充型速度、模具 预热温度等相关参数对压铸成形的影响，找出各项参数的最佳值，为改进 工艺，降低生产成本提供可靠的依据；(2)针对压铸件的压铸工艺，对压铸模具进行设计计算，并使用三维 建模软件Pro/ENGINEER建立压铸模具三维立体模型，并制作模具工作原 理动画；(3)利用Pro/ENGINEER和AutoCAD软件绘制模具二维装配图和主 要零件的零件图。7山东科技大学学士学位论文2数值模拟软件及理论基础2.1 Anycasting 软件介绍韩国Anycasting公司研发的Anycasting模拟软件是专门针对各种铸造 工艺过程开发的仿真系统，可以对铸造的充型和凝固过程中涉及的热传导、温度分布等进行数值模拟分析。通过Anycasting的模拟分析，可以准确预 测铸造中出现的缩孔缩松、气孔、夹渣、变形、冷隔、浇不足等铸造缺陷;指导浇注、排溢系统的设计；优化铸造工艺参数从而减少铸造产品模具的 试模次数，以此来降低铸造成本，提高产品的质量和市场竞争力。2.1.1 Anycasting的组成模块介绍Anycasting 软件包含 any PRE any MESH anyDBASE、any S OLVER anyPOST五大模块。(1)anyPRE是Anycasting的前处理程序，在前处理程序中先导入STL 格式的三维实体模型。最重要的是进行网格的划分部分，网格划分的好差 直接决定着最后的求解范围的大小及求解精确度等。除进行网格的划分外,还包括铸造工艺、材料的设置、浇口条件、边界条件、热传导等。anyPRE 的界面如图2.1所示。图2.1 anyPRE的界面8山东科技大学学士学位论文(2)anyMESH是Anycasting软件中专门用来修改网格的模块。使用 anyMESH来处理网格的好处是可以在不修改三维几何模型的基础上对网 格进行修改。anyMESH所接收的是在anyPRE中生成的.msh文件。(3)anyDBASE中所包含的内容有铸造中的熔体、模具和材料性能的 数据管理程序。数据库中包含用户数据库和常规数据库。常规数据库中所 提供的是一些包括日本、韩国、美国等国际常用标准的材料性能，而用户 数据库是用户自定义的数据库，在数据库中保存和管理用户修改的或是附 加的数据。(4)anySOLVER是Anycasting的求解器。由前处理anyPRE导出的设 置好的.prp格式文件，进行铸造过程的模拟计算过程。主要包括充型、凝 固过程流场的计算和温度场的计算。值得注意的是，只有将流场和温度场 都分析准确的前提下才能够正确预测缺陷的可能区域。anySOLVER的界面 如图2.2所示。图2.2 anySOLVER的界面9山东科技大学学士学位论文（5）anyPOST称作是Anycasting的后处理器。其主要是用作数值模拟 后的分析工作。在anyPOST中可以把anySOLVER计算的结果转换成图像 的形式显示出来。在界面中不仅能够看到充型时间、凝固时间等信息，而 且能够把整个充型凝固的过程以动画的形式直观的展现出来。在后处理中 可以分析铸件充型、凝固过程中的温度、压力、速率等，也可以用传感器 的计算结果来创建曲线图。anyPOST的界面如图2.3所示。图2.3 anyPOST的界面2.1.2 Anycasting 的特点Anycasting特点如下：（1）使用了 OpenGL显像技术能够在 Windows 界面下进行操作，而且操作方便。（2）在前处理的网格划分中可以进行可 变网格的划分，能够快速的对几何模型进行非均匀网格的划分，节省计算 量的同时，又能够使得结构更准确。（3）前处理中对于参数的设置方便，同时用户能够使用软件自带的数据库，快速的将材料性能、传热系数等参 数条件进行设置。（4）处理器的计算速度快，而且计算结果能够以三维动 画形式显示，更直观。2.2 数值模拟理论基础镁合金压铸过程是一个非稳态过程。描述这类过程的偏微分方程通过 10山东科技大学学士学位论文解析法无法求解，大部分只能运用数值法得到具有一定精度的近似解。因 此数值算法是铸造过程的数值模拟技术计算的数学基础。所有数值法求解 的步骤大致是：建立物理模型一建立数学模型一寻求几何、时间、边界等 条件一离散化处理一数值计算方程组一编制可计算程序一求得结果一处理 结果。在压力铸造中，我们根据基本方程建立的数值计算方程的方法有：有限差分法、有限元法、边界法。除了上述方法外，还有些新的算法不断 涌现，如无单元法、并行计算等。2.2.1 压铸CAE所采用的数值计算方法(1)有限差分法(FDM)又称泰勒展开差分法。它是把基本方程 和边界条件近似的改用差分方程表示，是一种把求解微分方程问题转换成 求解代数方程，最后求解差分方程组以获得微分方程的数值近似解的方法。一般求解线性代数方程组常用的方法有：直接法中的Gauss消去法、追赶 法和迭代法中的Jacobi迭代法、SOR迭代法。有限差分法包括交替隐式有限差分法、显示差分法、隐式差分法、控 制体积法和SauFyev有限差分法等。国内外专家学者对有限差分法进行了 三十多年的研究，在铸造的温度场、缺陷预测和流场模拟等方面取得了很 大的成果。如FLOW-3D、MagmaSoft等专业的铸造模拟软件都是利用的 有限差分法而开发的。(2)有限元法(FEM)又称有限元素法、有限单元法。它是在现代 计算机基础上发展起来的一种计算方法，主要用于求解热传导等连续性问 题。与有限差分法中网格形式固定、在曲面离散时有阶梯现象存在的缺点 相比，有限元法对单元的划分更灵活，且对曲面的拟合度更好。离散化是 指将实际模型的结构离散为有限数目的规则单元体，而实际模型的物理性 能可以对离散化后的单元体进行分析以得出近似的结果。离散体计算的近 11山东科技大学学士学位论文似结果能够代替实际模型结构的分析，这样可以解决许多复杂的问题。有 限元法解决问题的思路如下：首先将物体做离散化处理一然后对划分的单 元特性进行分析一再对单元进行组集一最后对未知的场量进行求解。有限元法作为一种近似数值分析方法能够求解产品上或是工程上的刚 度、动力响应、热传导、弹塑性、屈曲稳定性等问题。同时能够很好的处 理连续力学问题及结构性能的优化设计问题。(3)边界元法(BEM)是一种处于发展阶段的数值计算方法。它 是把微分方程乘以权函数后再对求解空间进行积分的方法。用格林公式将 方程展开，选择适当的权函数使得体积分项为零，从而把问题转换为对边 界的线积分问题进而求解。边界法实际采用的是将问题进行降维来简化问 题的计算。与有限差分法和有限元法相比，边界法的推导及运算过程较为 复杂，因此其计算量较大。2.2.2 压铸CAE的理论基础压力铸造中CAE主要涉及流动充型分析、传热凝固分析、应力/应变 分析。通过对流场、传热和应力场的分析已经能够较为准确的预测缺陷位 置，可以较为有效的指导实际压铸生产。在压铸数值模拟中所涉及到的理 论基础表述如下：(1)压铸充型过程流场分析液态金属的充型过程涉及到流体的流动问题而且还伴随着温度下降和 金属凝固现象。针对液态金属充型使用的是粘性流体流动所涉及的方程，粘性流体流动所使用的基本方程包括能量守恒、质量守恒方程和动量守恒 方程。AT能量守恒方程：pc。1(h7j-点)=0(2.1)dt12山东科技大学学士学位论文pyr i=t.j、,t-:.工口 Su Sv Ow /八 c、质堇寸恒方程：D=-1-1-=0(2.2)dx dy dz动量守恒方程(简称N-S方程)：du)-1-udu 5u、+v-1-wdy 5z?ox(2.3)16t dxP5v 6v 5v-1-u-1-v-1-w dx dy-一?+%+冏 cy(2.4)/Pdw 8w-1-u-dw 8+v-1-wV=-+pgz+“w(2.5)8t dxdy 5z)5z式中：u v攻分别表示速度矢量在x、y、z方向上的分量，0是单位密度的压力，心、冬、gz为重力加速度分量，为运动速度，A?为拉普 拉斯算子，%表示比热容，T表示节点温度，表示时间，上表示稳态热积 率，q(x)表示体积热源。(2)压铸初始条件和边界条件描述利用流体力学理论来求解实际压铸问题除上述基本方程组以外，还需 要给出特定边界条件和初始条件才能得到唯一的解。初始条件是在流体做 非定常流动条件下才使用的，主要是给出初始时刻的速度和温度分布。在 实际压铸过程中，在型腔中充填的合金液流体是属于非定常流动范畴，因 此必须在给出初始条件的前提下才能完成合金液的流动速度场和压力场的 求解过程。若涉及到流场的耦合温度场计算，则要给出初始的温度场分布。边界条件是指流体在边界上运动时所要满足的条件。压铸中涉及到的边界 条件一般包括固壁界面条件和液一液及液一气界面处条件。13山东科技大学学士学位论文初始条件：非稳态的导热问题在=0时的温度分布可以用一个常数来 表示，也可以用空间函数来表示。在压铸件的凝固过程中，假设铸型充满 并无热交换。金属液的浇注温度作为凝固模拟的初始条件。边界条件：如果两种介质在接触的界面处互不渗透且满足连续性条件,则交界处的法向速度相等。粘性流体的交界面处切向速度和温度也相等。但是对于理想流体而言，在交界面处的切向速度和温度可以不相等。自由 表面上指液一气两相介质的交界面，气动力学边界条件遵循以下方程：0mp/、寸=%x S桃+qyc-pgSvuv（2.6）%=G（&）（2.7）PM=R“g 2,8）式中：外表示气体质量，qm、&分别表示气体在型腔表面的生成率和变 化率，S-匕分别表示型腔表面面积和未充满区域体积，凡、Z、g分 别表示模具排气通道总面积、气体的排出速度和摩擦因子，、p。表示气 体背压和大气压力，匕表示型腔内气体体积，尺表示气体常数，7；为大气 温度。（3）紊流模型的建立流动现象包括紊流和层流两种形态。层流和紊流的是靠雷诺数（Re）来划分的，当雷诺数低于某一临界值时，流动形态呈层流流动状态；当雷 诺数高于某一临界值时，流动形态呈紊流流动状态，在压铸过程中合金液 的流动属于紊流流动。因为紊流流动呈不规则性，无法用时间和空间坐标 的函数来描述，所以一般采用概率的方法来表示。目前，压铸充型过程的 14山东科技大学学士学位论文数值模拟多采用K-双方程紊流模型，双方程紊流模型属于时均方程法,是目前使用非常广泛的紊流模型。对于近壁的粘性流层，采用的是壁面函 数法对网格点的紊流动能和紊流动耗散率进行修正。在直角坐标系下，统 一的传输方程表示如下：式中：X,表示坐标分量，j=L 2,3；,表示在日方向上的速度分量；。表示通量，O表示传输系统，表示源项。(4)压铸凝固过程传热模拟分析压铸中铸件凝固过程数值模拟，主要是要建立铸件凝固过程中有关传 热的数学模型。铸件的凝固传热过程有三种基本方式，分别是热传导、对 流、辐射。对于铸件的凝固过程主要涉及到的传热方式为热传导，热传导 的基本规律可以用傅里叶定律(Fourier)导热微分方程来描述：ar a(2.10)式中：%为定压比热容，4为导热率，。为热源项。此式右边的前三项是 三个方向上热流差造成的热堆积，最后一项代表相变潜热。只有在发生相 变时，才会有此项。式子的左边代表热效应引起的温度变化关系。Fourier 定律说明物体内部各点的热流密度与温度梯度成正比例关系刃。对流换热是指流体从空间某一温度区域向具有另一温度的区域移动时 的热量传递。在压铸中涉及到的对流换热包括合金液与模具内壁、合金液 与模具外壁及周围空气、合金液之间的热量交换。一般处理对流换热用15山东科技大学学士学位论文Newton冷却定律描述:q=aT)(2.11)式中：。表示对流换热系数；7)表示流体的特征温度；7；表示固体边界温 度。热辐射是一种靠电磁波来传递能量的传热方式。热辐射的传热方式不 同于热传导和对流换热，其传递能量不需要介质，属于非接触式传热过程。在理想情况下流体的能量辐射率与绝对温度的四次方成正比，即遵循 Stefen-Boltzman 定律：q=(2.12)式中：T表示表面的绝对温度；表示辐射黑度；缶表示Stefen-Boltzman 常数。16山东科技大学学士学位论文3电机端盖件初始压铸工艺参数的确定电机端盖件初始压铸工艺参数主要是根据压铸件的基本参数和所选 压铸机型号确定的。3.1 压铸合金的选用镁合金材料具有比强度、比刚度高，阻尼性好等优点，是有效解决航 天器轻量化需求的轻质金属材料，如今在航天器上得到了广泛的使用。镁 合金具有优良的压铸工艺性能，适于压铸生产，主要表现在：镁合金的熔 点很低（纯镁为650,与铝相当），凝固潜热小，凝固速度快，且镁合 金液黏度低、流动性好、易于充满复杂型腔，所以它特别适合于压铸生产。镁合金既可冷室压铸又可热室压铸，而且可以很容易地生产壁厚 1.02.0mm的压铸件，现在最小壁厚可达0.6mm阿。本压铸件材质选择为价格低廉，具有一定韧度、较高的比强度、耐蚀 性和易于压铸成型的AZ91D镁合金，为AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）镁合金,合金成分见表3.1。AZ91D镁合金属于铸造镁合金类，主要依靠压铸模具 成型以后进行机械加工，可以用电泳等表面处理方法改变外观，特点是比 强度高且耐腐蚀较纯镁大幅提高，主要用于电器产品的壳体、小尺寸薄型 或异型支架等，合金性能见表3.2。表3.1 AZ91D合金成分表（）名称MgA1ZnMnSiCuNiFe成分余量8.5-9.50.45-0.90.17-0.4=0.05=0.025=0.001=0.00417山东科技大学学士学位论文表3.2 AZ91D合金性能参数表材料名称密度(g/cm3)熔点()导热系数(W/Mk)抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)延伸率(%)比强度(N-m/kg)杨氏模量(GPa)AZ91D1.8259672250160715444.83.2 压铸件的基本参数压铸件的外形尺寸为118x30(mmx mm),三维实体造型如图3.1 所示。压铸件壁厚大体均匀，形状对称，由一圆柱体铳出的两个型腔和圆 柱外边缘环形均布的六个螺钉孔耳组成，型腔内部环形均布六条加强肋，壁与壁连接处的直角设计成圆角的形式。压铸件耳部铸孔直径为=4mm、深度为8mm,加强肋厚度为4mm；压铸件中心开孔=40mm,内部铸造 圆角半径R=4mm,外部铸造圆角半径H=8mm。压铸件质量为H2g,平均壁厚为4mm,外表面的脱模斜度为1,内表面的脱模斜度为2,在分型面上的总投影面积A8134.38mrfi。图3.1压铸件三维造型图镁合金压铸件基本尺寸公差等级CT范围为57,由于压铸件尺寸偏 差小，故选压铸件外表面尺寸公差等级CT5,外表面尺寸公差等级CT6。18山东科技大学学士学位论文压铸件表面粗糙度要求不高，达到Ra=3.2pim及以上即可。压铸件具体尺寸及公差要求如图32所示。图3.2压铸件二维工程图3.3 分型面的选择压铸模具动模和定模的结合面称为分型面，它主要是根据压铸件的具 体结构来确定的。压铸出来的铸件上都会留下明显的痕迹线，这条线被称 为分型线。分型面的合理设计关系到模具结构的简化及铸件的质量。电机端盖零件比较简单，在零件结构上划分为带凸缘的筒形零件，根 据分型面最好设置在零件的最大投影面上的原则，初步确定零件的分型线 应该沿A-A分型面，如图3.3所示。采用A-A分型面：型腔上部和下部分 别位于定、动模内，能够实现铸件的成形。考虑到圆筒结构，中心大孔和 耳部铸孔的型芯抽芯方向平行于开模方向，因此中心型芯和耳部型芯固定 在下部动模内，随模运动实现分型。19山东科技大学学士学位论文图3.3电机端盖件分型面示意图3.4 压铸工艺参数的选择金属压铸工艺过程是压铸合金、压铸模和压铸机三大基本要素协 调运用的过程。压铸工艺则是将这三大要素有机地组合起来，并加以 运用，生产出合格的压铸件来。压铸工艺包括压铸过程中的压射比压、充填速度、合金的浇注温度以及模具温度等，它们对高效率地获得优 质压铸件都有重要的影响。3.4.1 压射比压压射比压是压射过程中金属液在压室中单位面积所受到的压力，它是压铸机的压射力与压射冲头截面积之比。制定压铸工艺时，应根 据压铸件的结构特点、合金的种类，选择合适的比压。一般在保证压铸件 成形和使用要求的前提下选用较低的比压。常用的压射比压推荐值可以参 考表3.3选用，实际比压应等于推荐比压乘以压力损失系数左（见表3.4）。表3.3常用压铸合金压射比压推荐值 单位：MPa锌合金车吕合金镁合金铜合金一般件13 2030 5030 5040 50承载件20 3050 8050 8050 80耐气密件25 4080100801006010020山东科技大学学士学位论文电动机端盖为一般件，压铸材料为镁合金，所以推荐压射比压尸的范 围为：30MPaP1=1kFb（6.6）Fb=PA（6.7）式中：Ft压铸件脱模时所需的推出力，N；Fb压铸件（包括浇注系统）对模具零件的包紧力及推出时压铸 件与型腔壁间的摩擦力，N；k安全 系数一般取1.2；P挤压应力（单位面积包紧力），镁合金一般尸=1012MPa；A-压铸件包紧型芯的侧面积，A=5800mm2。计算得耳二69600 N。（2）推出行程的计算直线推出时推出行程的计算可按式（6.8）进行计算。StH+K（6.8）式中：St-直线推出行程，mm；H压铸件包裹型芯或含在型腔内的最大成形长度，H=24mm；K推出行程余量，一般取35mm。64山东科技大学学士学位论文计算得St=28 mm。（3）推出机构设计的基本原则1）开模时应使压铸件留在动模一侧；2）推出机构不影响压铸件的外观要求；3）推出元件应作用在脱模阻力大的部位；4）避免推出压铸件变形或损伤；5）推出机构应移动顺畅，灵活可靠。6.2.2 推杆推出机构的设计推杆推出机构是指推出元件为推杆的推出机构。推杆推出由于制造方 便，便于安装、维修和更换，是最常用的一种推出形式。推杆推出机构的 组成包括推杆、复位杆、推板导柱、推板导套、推杆固定板、推板、限位 钉等。（1）推杆的设计1）推出端的断面形状推杆推出端圆形断面制造和维修方便，应用最为广泛，选择圆形断面 作为模具推杆推出端的断面形状。2）推杆的结构形式采用图6.12所示推杆的结构形式，推出端为平面形，通常设置于压铸 件的端面、凸台、浇注系统及溢流系统等部位，固定方式为台阶沉入固定 式，推出端杆与孔的配合精度为H7/e8,推杆的三维模型图如图6.13所示。65山东科技大学学士学位论文图6.13推杆三维模型图图6.12推杆的基本结构形式3）推杆的尺寸从两个方面考虑推杆的尺寸：其一是推出时压铸件有足够的强度来承 受每一个推杆所施加的载荷；其二是推杆也应有足够的刚度，保证推出时 不出现失稳变形。根据压铸件的许用压应力可计算出所需的推杆的总截面积，从而初步 确定推杆的数量、直径。对推杆而言，其长度与直径之比较大，故在确定 推杆的数量和直径后，还应对细长推杆的刚度进行校核。推杆的长度。推杆与型芯或镶块的导滑段长度，通常要比推出行程 大10mm，但不能小于20mm,其余部分的长度依据模具的机构确定。设 置在溢流槽处的推杆长度为4=201 mm,设置在压铸件内部的推杆长度为Lz7=215mmo推杆的截面积ancr(6.9)式中：A-推杆顶端截面积，mm2；Ft压铸件脱模时所需的推出力，7=69600N；n-推杆数量，n=12；6 许用压应力，镁合金=30 MPa o66山东科技大学学士学位论文计算得4=193 mn?,由计算公式从=点一可得。=16mm。推杆的失稳校核为保证推杆的稳定性，需要根据单个推杆的细长比调整推杆的截面积。推杆承受静压力下的稳定性可根据下式计算：FIK不 6.10)式中：Kw稳定安全系数，对于钢材K.=1.53；7 稳定系数，对于钢材7=20.19；E弹性模量，钢材E=2xl()7 N/cn?；F单根推杆所承受的实际推力，F=5800N；L-推杆全长，4=20.1 cm,4=21.5cm；J 推杆最小截面处的抗弯截面距，圆截面/=32/64=0.13由4 o 计算得，降=22.4,远超出K/1.53的范围，故推杆的稳定性很高，不会 出现失稳现象。(2)复位和限位机构的设计复位机构的复位动作与合模动作同时完成，动、定模合模的同时，复 位杆与定模分型面相接触，推动推板后退至与限位钉相碰而止，达到精确 复位，复位杆、导向元件及限位元件要均匀分布，以使推板受力均匀。复 位杆和限位钉的结构形式分别如图6.14、图6.15所示，复位杆与模板的配 合为H7/f9,限位钉与动模座板的配合为H7/m6。67山东科技大学学士学位论文图6