江艳平英文翻译.docx
《江艳平英文翻译.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《江艳平英文翻译.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
江艳平英文翻译
关于集成CAD/RP/FEA先进压铸技术的锌合金压铸工艺研究
摘要:
利用计算机辅助工程开发的CAD/RP/FEA系统可以减少压铸件的设计和锌铸件压铸制造技术参数升级所需的时间。
快速压铸法包括：
概念设计、虚拟原型设计、快速原型设计、P-Q2技术、快速压铸有限元分析（FEA）等。
这些方法可以优化压铸工艺参数，提高压铸质量。
利用热流体流动与传热模型模拟预测压铸制造过程中缺陷，提高压铸生产产量，完善制造工艺。
以某锌合金零件压铸为例，研究并验证一种通过CAD/RP/FEA技术和数字控制所支持的压铸制造工艺。
关键词：
CAE；压铸；P-Q2技术；快速原型设；浇注系统
1前言
作为一种众所周知的机械制造技术，压铸制造工艺一直被人们记录在案[1–3]。
在压铸工艺中，熔融金属在高速的条件下通过浇注系统注入模具型腔，并在高压下凝固成形[4]。
浇注系统主要由直流道、横流道、内浇道、余料等部分组成，熔融金属通过浇注系统注入压铸模具型腔[2,3]。
在早期阶段，采用最低成本在最短时间内制造出高质量压铸件是提高压铸技术先进性的关键。
由于模具设计师对于压铸模具的基本要求，改进后的压铸模具与之前有所不同，与此同时保证了压铸性能，也避免在压铸过程中产生的各种缺陷。
一旦在最初的CAD产品设计中定型，并通过快速原型（RP）技术进行验证，则该设计方案就可以执行，开发升级和改善生产的CAE技术也可以同时进行。
在压铸的生产和控制方面，许多研究人员已经在有限元模拟领域内有了大量的研究成果[5–7]。
该研究成果集成了CAD/RP/FEA系统，有效地对压铸制造技术进行升级，并可在大批量生产前，在资源合理分配下减少产品开发时间。
2研究方法
在这项研究中，先进的压铸制造开发的方法如方案
（1）所示，主要包括：
虚拟样机（VP）的CAD数据和导出快速原型、有限元分析文件的数据模型（*.STL格式）、快速原型技术制造的概念原型、压铸过程中建模和模拟的有限元分析（温度/压力/流量/填写时间/凝固时间）、采用P-Q2的技术和有限元分析，压铸参数得以升级、注入锌合金铸件的热室压铸机、连接到压铸机上的压铸数控（NC）的传感器。
用此方法提高压铸制造工艺。
先进的压铸方法是初始化CAD数据铸造几何体。
快速原型技术允许快速地物化虚拟铸造零件的几何形状，并以此来分析分型面，设计角度和浇注系统位置。
而且，这种方法可以判断和修改来自有限元分析压铸产品的参数。
对于满足压铸部件的设计和质量要求，选择适当的压铸机是必要的，其参数主要包括计算金属压力，流速和锁模力等。
在压铸最后阶段，锁模力产生了，即锁紧压铸模使之不被胀开。
方案1压铸生产快速发展的方案
2.1压铸过程
压铸制造工艺中，通过模拟分析来完善金属压力和流速。
吕教授等学者[8]研究并建议对于压铸填充“五阶段”过程进行重新分类。
以案例研究为基础，这种重构方案得以提出和讨论。
图1金属压力、活塞速度、活塞位置的关系
图1所示为金属压力、活塞速度和活塞位置之间的关系，包括填充阶段和两条曲线。
第一阶段称为“预填充阶段”。
本阶段，在低速和低压力下，熔融金属填充到气缸里。
如果本阶段的速度选择不当，气体进入柱塞缸和熔融金属里，然后进入型腔。
随后，这些气体存在于铸件中，称为气孔。
实际上，本阶段的缓慢运动是由于模具没有排气装置，气体需要通过分型面排出。
因此，柱塞以初始加速度逐步向下移动去避免这个问题。
计算本阶段v1ph的逐步上升速度，其方程式如下：
其中：
fi是填充型腔的百分比，dP是柱塞直径和k是比例常数。
快速填充流道，直到熔融金属到达浇口，才进入第二阶段。
通过分析此阶段转折点的位置，可以提高铸件质量。
第三阶段，通常认为型腔的平均压力近似为常数，而在本阶段，柱塞速度可以控制。
它通常在本阶段达到速度的最大值因为熔融合金已经流过了浇口。
由于喷嘴的特殊构造，合金压力分布图表明可提前关闭浇口而使合金凝固，这是由于缺乏注射系统的压力传输和减少在浇口的凝固时间[9]，这将导致不合格的液态金属流入模腔。
很快的浇口凝固速度不仅会引起液体飞溅，影响铸件质量，而且通过增加压力，浪费能源。
本阶段，由于在型腔模具中出现非常复杂的流动模式，这大大影响气体滞留和压铸件质量的多孔性。
因此，可以通过有限元分析软件模拟来提高压铸周期。
此阶段结束时，压力开始形成。
“冲击压力”发生时，就进入了第四阶段，同时型腔已经填充完毕[2]。
由于流体力学条件的特定设置，第四阶段仅仅持续1-5毫秒。
事实上，在高压压铸过程中，这就是压力冲击，这和流体动力学的水锤现象类似。
第五阶段（图1没有描绘出），由于最大的压力，流体动力系统有一个最大输出功率。
在高压下，压力得以维持，只要加强来自液压系统压力，此阶段的压力仍然可以传送到模具型腔粘性金属中[10]。
并且，压缩残余气体往往可以消除大的气泡，可以降低铸件多孔性或将它们转换成固体，这就提高了铸件的致密度。
此外，高压冲击对铸件金属表面进行压铸件无损检测时也有很大的影响。
2.2P-Q2技术
第三阶段，在一个选择压铸机（冷、热室压铸机）的P-Q2图中，与流体流动有关的金属压力可以进行估算，如图2。
P-Q2技术是考虑到压铸机和模具特点的一种技术。
在压铸机上，它表明模具将如何运动[11，12]。
P-Q2的简图显示了允许压铸工作区域在压铸机的功率线之下，即在任何给定的流量Q（水平轴平方的比例）下，使用这种压铸机的金属需要多大压力P（垂直轴）。
在P-Q2图中，压铸机的功率（直线的下降）可以由公式表示：
其中：
当活塞到达行程终了时，Pmax是最大的金属压力，当柱塞在无润滑的注射运动时，Qmax为最大流量值。
这两个因素（柱塞尺寸和注射速度）影响压铸机功率线轮廓的梯度。
图2P-Q2简图
一套模具具有特定的浇注系统且有自己的特征，特征轮廓如P-Q2图所示，即给定的浇口截面积Ai，金属压力和流量，它们之间的关系可由方程确定：
其中，ρ为金属的密度和Cd为金属流动阻力系数。
最佳的控制点必须位于工作区内且是两线的交点，即浇口速度的最佳消耗速度vi和浇口截面积Ai。
工作区域（灰色区域）说明了压铸（水平线）时浇口的最大、最小速度和允许最大充填时间（垂直线）。
通过模拟，得出了压铸制造过程的最优控制点，如图2。
通过改变铸造合金浇口处的金属压力或流速参数，即可改变此点。
2.3金属压力
与制造过程相对应的金属压力P的计算（根据伯努利损失项）公式：
其中：
g是重力加速度，vi是流进浇口的速度。
2.4金属流速
根据连续性，流量QW的计算方程：
即：
流量等于活塞面积AP乘以第三阶段活塞的平均速度v3ph或者经过浇口时的速度vi乘以浇口的截面积Ai。
如果超过了选定压铸机的流量，那么可以选择一个流量较大的压铸机或试着改变条件以满足选定压铸机的使用范围，例如，可以改变活塞直径或浇口的横截面积。
2.5金属填充时间
模具的充填时间主要决定了第三阶段所需的流量，计算时必须考虑到铸件的体积、选定合金材料和流动阻力。
因此，通过有限元分析来改变特定压铸机所需流量的充填时间。
铸件壁厚决定了理想中模具的充填型腔的时间tf[1]，方程式：
其中：
TP是浇注温度，Tf是熔体流动的最低温度，Td是模具温度，fs是立方分数，LW是铸件的壁厚，λ是转换因子（单位是K/％）和k是经验常数（单位为毫秒/毫米）。
浇口的交汇处是形成流动阻力的主要区域，即当熔融金属流入封闭的通道时，其粘度和流动性质（即层流或湍流）将在某种程度上被确定，因此增加了模具的充填时间。
2.6热压铸循环
对于热压铸循环，需要进一步掌握完整的压铸制造技术和控制工艺CAE模拟分析的资料。
不稳定热传导方程的一般形式为
其中，α=K/ρCp是热扩散率，CP为比热容，k是热导率，t为时间，T为温度，X，Y和Z为直角坐标系。
结晶潜热在相变阶段是主要传热方式之一（液相温度到固相温度）。
压铸中潜热的释放就用了此方法。
其表达式为
其中：
Ceff为压铸件凝固周期的有效容量，L为合金铸件的潜热和fS铸造金属的固相分数，这表明结晶潜热的作用。
模具的充填温度和凝固过程很大程度上取决于模具的温度梯度。
热压铸周期提供了关于模具相变温度和冷却温度所用的时间，如图3。
图3时间、温度的关系
3实验
3.1虚拟原型
压铸件“cremone”是用虚拟原型分析后，又用CAD画出图形（SolidWorks™software），如图4所示。
图4铸件“cremone”的三维设计模型
铸件“cremone”的大部分材料是锌合金，只有具有锁定作用的手柄是铝合金制成的。
此铸件，用热室压铸机生产的只有锌合金AC41A这部分材料。
压铸制造过程中用快速原型模拟“盖”的网格图（*.STL格式），如图5所示。
图5压铸过程中“盖”的模拟图
3.2快速原型设计
继最初的“cremone”的CAD几何模型后，在ThermoJet打印机上（在实验室安装3D系统的模型原型），将物理概念模型用快速原型制造（RP）模拟出来，如图6。
从三维CAD数据到提高产品开发和评价制造过程的这项技术允许直接打印三维模型并且可以减少更换模具的时间。
ThermoJet（蜡）88是生产出更好的样机质量和准确的表面光洁度的材料。
快速成型分析可为压铸模的改进提供设计思路。
此分析除了研究功能和美观外，还研究和重新设计零件的几何形状、模架零件的设计和铸件的设计角度。
图6快速原型制造的物理概念模型图
3.3压铸合金材料的特性
锌合金AC41A是制造“盖”的最好材料，该材料的化学成分如表1所示。
表1根据美国ASTM标准锌合金AC41A的成分分布情况
成分
锌
铝
镉
铜
铁
镁
铅
锡
质量分数
95.023
3.95
0.002
0.92
0.05
0.05
0.003
0.002
锌合金AC41A具有良好的物理力学性能的平衡状态，以及良好的铸造性和长期的尺寸稳定性，如表2所示。
特性
单位
数量
密度
[公克╱立方公分]
6.7
硬度
[Brinnell]
91
拉伸强度
[兆帕]
330
断裂伸长率
[％]
7
压缩屈服强度
[MPa]
600
简支梁冲击，无缺口
[D]
65
疲劳强度
[MPa]
56.5
剪切强度
[MPa]
260
潜热
[KJ/公斤-K]
113
热容量
[千焦/公-K]
0.42
导热系数
[W/m-K]
109
液相温度
[K]
659
固相线温度
[K]
653
表2锌合金AC41A的特征
4有限元分析的结果和论述
人们用MOLDFLOW对AC41A锌合金数据特性进行数值模拟和分析。
模拟所得的双重网格分别表示三维薄壁部分和可用的外表面部分。
根据零件的几何形状和分型面，通过有限元模拟压铸工艺，选择每个铸件比较长的边的充填方式。
因此迭代过程的第一步是模拟金属流，通过用双锥形切线流道填充铸件，这些流道是与进料杆相连接，金属流铸造厚度和面积线性地减少，最终在减震器端结束，以上这些都是作为工模的研究。
完整的零件体和浇注系统被认为是“囊括在”材料为H13工具钢的模具的上下模中。
型心用的材料是模具钢。
锌合金AC41A的热物理数据的分布情况如表2所示。
从型腔投影面积来看，包括浇注系统，则需要56.45吨（M）的锁模力。
因此应选择一个直径为55毫米的活塞和60.0兆帕液压活动活塞的热室压铸机，
锌合金AC41A材料注射时选定的熔化温度是Tmelt=693K，“热”模具的平均温度是Tdie=493K和平均冷却温度是Tcool=343K。
最初的充填模拟（凝固耦合）在分流道流道截面积为10.4平方毫米的浇口处（宽×高=26.0×0.4毫米）进行了多次循环实验，相应的浇口速度为30.81米/秒和填充型腔的时间为12.0毫秒。
用CAE对铸件表面的精加工进行了分析和考虑，后来提出了新的改进。
4.1模流模拟
模流是影响铸件的表面光洁度、气体滞留所造成的孔隙率的重要因素之一。
从有限元分析模具充填过程中，在任何时候，我们都可以看出每个铸件的填充区域的方向，速度，熔体内的压力和温度。
模拟模具填充可以分析可能存在的由金属流动所产生的缺陷和改善压铸工艺。
使用最初的有限元模拟分析模具的填充情况，由于相对流速低和充填时间的不足，发现存在不完整且表面非常粗糙的铸件。
此外，主流道下端将金属流分成两个主要部分，为了获得更均匀的制件而建立了三个浇口。
为了减少这些麻烦和提高铸件完整性，重新设计浇口为复合式浇口，它有三个分布式的浇口组成，其总的横截面积为9.16平方毫米。
（主浇口面积=12.0×0.25毫米加上两个横向浇口面积=7.0×0.44毫米）。
通常情况下，为了得到更好完整性和表面质量的铸件，其注射速度在30至50米/秒之间而充填时间为20毫秒。
因此，型腔的填充时间减少了10.5ms而提高了注射平均速度，其速度为40.25米/秒，而这个速度在第三阶段浇口处获得的。
此外，铸件的初步几何图形证明：
虽然为了改变合金凝固过程中的填充和冷却时间，重新设计部件壁的厚度（平均LW2=1.38±0.25毫米），但是初始厚度变化很大（平均LW1=1.68±0.44毫米）。
改进这些压铸参数以后，在铸造中金属流动出现了漩涡和湍流两种方式，如模拟图7所示。
图7制件在型腔中的充填模拟图（充填时间为22.7ms）
4.2第三阶段的压力模拟
改变铸件和浇口的设计，在第三阶段可以成功地得到注射压力为29.4兆帕，如图8所示。
图8第三阶段结束时压力分布
4.3充填时间的模拟
铸件中的压力分析表明：
充填区域相反的末端内的气体无法通过分型面排出，这是由于铸件内压力减少和存在微小孔隙的原因，因此，这些位置附近需要添加两个排气槽。
在充填过程中，排气槽不仅可以裹住空气，而且还能减少非金属夹杂物和平衡的热效应。
一般情况下，排气槽位于流体结束或两流融合的地方，如图9所示。
特定的排气槽的大小应该与流量成正比。
图9模具充填时间a）t1=3.15ms;b）t2=6.30ms;c）t3=9.45ms
4.4凝固过程中温度的模拟
在铸造循环中，有限元模拟分析提供了对各个阶段的温度场分析的灵活性。
在“稳定周期”的凝固过程中，分析温度分布，可以确定某些铸件中分离的“热点”区域，且远离浇注系统，这是由于金属在这些区域中的收缩而产生的一些缩孔，如图10所示。
图10凝固温度的分布
上图所示，制件厚的部分凝固慢，如图11。
图11凝固时间的分布
在模具中可能制造出多余的部分，它有可能很热（或在压铸工艺中有可能联接在一起）。
因此，利用这些温度区和凝固时间中得到的信息来设计模具散热。
5数控压铸的讨论
在压铸过程中，通过NC传感器，进一步分析和控制金属压力与模具流速。
在压铸机泵水系统中，计算机系统安装压力传感器和位移传感器。
压力、柱塞位置和活塞速度的轮廓曲线，如图12所示。
在预填充阶段（第一阶段），从图上可以观察到，熔融的金属以v1ph≈0.04米/秒的低速流进浇道，其所受的压力也很低，低于9MPa这都是为了避免气体包埋在熔化的金属里。
第二阶段，熔融金属流道浇口处才出现最快的速度。
为了提高铸件质量，这个转折点应该稍微向前移动到柱塞所在24.19毫米的位置。
进入第三阶段时，柱塞速度为0.53米/秒。
第三阶段，柱塞到达最大速度，其速度为0.66米/秒。
在型腔中，最高的金属压力大约为29.4兆帕，其平均值约36.9兆帕。
由于过大的填充速度，逐步增加速度的方法避免了液体飞溅并防止气体滞留和提高铸件质量的致密度。
在这个阶段，最后的柱塞速度和压力略有下降，来避免最后注射阶段过度的压力冲击。
第四阶段，当型腔完全充满时，提高压力达到最大值为60.0兆帕,保持t≈2.5秒的时间，把液态金属挤到模具型腔中，这是为了排出气泡和提高铸件的金属表面致密性。
随着控制参数的改变，选定的热室压铸机制造出的制件，如图13。
图12金属压力、活塞速度、活塞位置的关系
图13改善、控制参数后的制造生产图
6总结
为了热室压铸机先进加工制造，调查和开发了一个CAD/RP/CAE一体化系统。
基于这项研究的结果，得出以下结论：
通过有限元分析和P-Q2的技术，提高了铸件设计的参数，且CAD虚拟原型和快速原型概念模型得到了改善，因此，压铸产品的生产发展得到了提高。
除了研究快速原型功能性和美学以外，快速原型也研究厚度变化、模架零件的设计和铸件的设计角度。
为了改变压铸控制参数和铸造产品良好的机械性能，应进行压铸制造工艺的仿真和有限元分析。
根据有限元分析，重新设计比较合理的流道和浇注系统可以提高注射速度，因而可以避免过大的漩涡和湍流以及有利于均匀地充填模具，从而增加铸造完整性。
改变铸件设计的数值模拟提供了说明，其顺序充填模式和最后的充填区域位于浇口的最远处，并且在这里也有排气槽和溢流槽。
在一系列压铸件的注射实验中，实际的充填参数与有限元分析所得参数匹配得非常好。
通过分析，金属压力和填充速度的参数得到了进一步改善和通过数控系统与连接集成传感器的压铸机上的控制。
以改进压铸过程控制为基础，来生产出具有良好的微观结构的锌合金铸件。
升级会员 