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金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting·Forging·Welding

2010 年 9 月

低壓鑄造充型工藝的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
施得運(yùn) ， 毛紅奎 ， 徐 宏 ， 薛 莉
（ 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 山西 太原 030051 ） 摘 要 ： 介紹了低壓鑄造充型的原理及其工藝特點(diǎn) 。 著重從氣壓式低壓鑄造充型 ， 電磁

低壓鑄造充型以及計(jì)算機(jī)模

擬在低壓鑄造充型過(guò)程中的應(yīng)用等三個(gè)方面論述了近年來(lái)低壓鑄造充型工藝在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 。 關(guān)鍵詞 ： 充型 ； 氣壓 ； 電磁 ； 低壓鑄造 ； 計(jì)算機(jī)模擬 中圖分類號(hào) ：TG249.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文章編號(hào) ：1001-3814(2010)17-0052-04

Research Status of Filling Process in Low Pressure Die Casting in China
SHI Deyun, MAO Hongkui, XU Hong, XUE Li
(School of Material Science and Engineering , North University of China, Taiyuan 030051, China) Abstract ： The principle and characteristics of mold filling in low pressure die casting is introduced. The research status of filling process in low pressure die casting in China is discussed from three aspects, gas low-pressure mold filling, electro-magnetic low-pressure mold filling, as well as the application of computer simulation in low-pressure mold filling process in recent years. Key words ： filling; pressure; electromagnetic; low pressure die casting; computer simulation

在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中 ， 大型復(fù)雜鋁 、 鎂鑄件 （ 如發(fā) 動(dòng)機(jī)機(jī)體 、 缸蓋及傳動(dòng)箱體 ） 生產(chǎn)成品率低 ， 只達(dá)到

頂板 頂桿 上型 型腔 內(nèi)澆道 氣墊 導(dǎo)柱 滑套 下型 壓縮空氣 保溫爐 升液管 液態(tài)金屬

40%左右 ， 不僅浪費(fèi)大量的人力 、 物力及財(cái) 力 ， 更嚴(yán)
重影響了動(dòng)力傳動(dòng)批產(chǎn)進(jìn)度 。 造成大型復(fù)雜鋁 、 鎂 鑄件質(zhì)量問(wèn)題的根本原因是鋁 、 鎂鑄件材料和成形 工藝落后 。 在改進(jìn)現(xiàn)有鑄造鋁 、 鎂合金材料性能不 是很明顯的情況下 ， 改進(jìn)現(xiàn)有鑄造成形工藝是非常 有必要的 ， 比如低壓鑄造過(guò)程中的充型工藝 。

1

低壓鑄造充型原理及其工藝特點(diǎn)
低壓鑄造是利用氣體壓力或者電磁力將金屬液

圖 1 氣壓式低壓鑄造基本原理圖 Fig.1 Principle diagram of low-pressure casting
壓力

1.1 充型原理
壓入鑄型來(lái)實(shí)現(xiàn)充型的 。 加在合金液面上的氣體壓
H2

p1 v3 p2 v2 ρ1 H1 v1 O t1 t2 A B

C

D

力或者使之發(fā)生定向移動(dòng)的電磁力 ， 迫使合金液沿 升液管上升 ， 合金液進(jìn)入型腔直至充滿型腔這一階 段稱為充型階段 。 圖 1 為氣壓式低壓鑄造基本原理 圖 。 圖 2 為低壓鑄造的壓力 - 時(shí)間曲線 ， 其中 AB 段 為充型過(guò)程 。

t3

t4

t5 時(shí)間

Fig.2
收稿日期 ：2010-03-13 基金項(xiàng)目 ： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （50975264 ） 作 者 簡(jiǎn) 介 ： 施 得 運(yùn) （1985- ）， 男 ， 浙 江 金 華 人 ， 在 讀 碩 士 ， 主 要 研 究 方 向 ： 低壓鑄造充型過(guò)程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究 ； 電話 ：0351-3921264;E-mail ：shideyun3202@163.com

圖 2 低壓鑄造壓力 - 時(shí)間曲線 Pressure - time curve of low-pressure casting

1.2 充型工藝特點(diǎn)
（1） 低壓鑄造澆注過(guò)程中 ， 合金液在可控壓力 下充型 ， 能有效地控制充型速度 ， 使合金液充型平 穩(wěn) ， 減少或避免合金液在充型時(shí)的翻騰 、 沖擊 、 飛濺

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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.17

上半月出版 現(xiàn)象 ， 從而減少氧化渣的形成 ， 避免或減少鑄件缺 陷 ， 提高鑄件質(zhì)量 。
[1]

Casting· Forging·Welding 金屬鑄鍛焊技術(shù)

2

低壓鑄造充型工藝的研究現(xiàn)狀
自從二十世紀(jì)初期開(kāi)始研究并應(yīng)用低壓鑄造工

（2） 合金液在壓力作用下充型 ， 可以提高合金 液的流動(dòng)性 ， 有利于獲得輪廓清晰的鑄件 ， 可適用于 不同壁厚 ， 不同高度和不同結(jié)構(gòu)的鑄件 。

2.1 氣壓式低壓鑄造充型
藝 ， 氣壓式低壓鑄造已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入生產(chǎn) ， 從生產(chǎn)簡(jiǎn) 單件發(fā)展到生產(chǎn)復(fù)雜件 ， 從生產(chǎn)鋁 、 銅合金鑄件發(fā)展 到黑色金屬和輕量化的鎂合金鑄件 ， 從起初的單件 、 小批量發(fā)展到大批量 、 機(jī)械化生產(chǎn) ， 從砂型發(fā)展到金 屬型 、 消失模等精密度更高的低壓鑄造 。 面向 21 世紀(jì) ， 鑄造技術(shù)正在向更輕 、 更薄 、 更 精 、 更強(qiáng) 、 更韌 、 成本低 、 周期短 、 質(zhì)量高的方向發(fā)展 。 大型化 、 輕量化 、 精確化 、 數(shù)字化 、 網(wǎng)絡(luò)化 、 清潔化及 利用再循環(huán)將是未來(lái)鑄造技術(shù)的重要發(fā)展方向 [3-6]。 近年來(lái) ， 我國(guó)一些高校及科研院所對(duì)低壓鑄造充型 進(jìn)行了研究 ， 并取得了大量的成果 ， 主要表現(xiàn)在基礎(chǔ) 研究 、 薄壁件和鑄件精確化等方面 。 （1） 基礎(chǔ)研究和薄壁件
[7]

1.3 充型壓力的確定
充型壓力是指金屬液充型上升到鑄型頂部所需 的壓力 。 當(dāng)鑄件高度確定以后 ， 就可以根據(jù)以下公式 計(jì)算出充型壓力值 。 · · p=H γ μ

(1)

式中 ：p 為充型壓力 ；H 為合金液從液面上升到鑄件 頂部的總高度 ；γ 為合金液 在澆注溫度 時(shí)的密度 ；μ 為阻力系數(shù) ， 通常可取 μ=1.0～1.5。 阻力系數(shù) μ 同鑄件高度 、 厚度 、 鑄型材料 、 澆注 溫度 、 鑄型的排氣條件以及合金成分有關(guān) 。 在鑄型和 管道確定后 ，μ 值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定 [2]。

1.4 充型速度的控制
充型速度取決于通入坩堝內(nèi)氣體壓力增加的速 度或者使之發(fā)生定向移動(dòng)的電磁力增加速度 ， 可用 以下公式計(jì)算 。

西北工業(yè)大學(xué)的王安

家 等人 采用低壓鑄 造方法對(duì) A357 合金的充型 過(guò) 程進(jìn)行了研究 。 結(jié)果表明 ， 當(dāng)充型壓力低于 30 kPa 時(shí) ， 隨著充型壓力增大可以得到表面質(zhì)量較優(yōu)的鑄 件 ； 達(dá)到 30 kPa 以 上 時(shí) ， 就 出 現(xiàn) 粘 砂 、 夾 雜 、 氣 孔 等 缺陷 。 而李梅娥 [8]等人則采用低壓鑄造方法澆鑄了 壁厚為 5 mm 和 2 mm 的 Al-Cu 薄板鑄件 , 測(cè)試溫度 場(chǎng) , 并考察了反重力鑄造的兩種基本充型形態(tài) - 反向 充填和順序充填對(duì)鑄件溫度分布和鑄件質(zhì)量的影 響 。 研究表明 ， 反向充填產(chǎn)生的溫度分布不利于鑄件 補(bǔ)縮 ， 易產(chǎn)生縮松缺陷 ； 順序充填產(chǎn)生的溫度分布使 鑄件傾向于順序凝固 ， 有利于得到組織致密的鑄件 ， 但易在最后凝固部位產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋 。 在實(shí)際生產(chǎn) 中可根據(jù)兩種充型形態(tài)下鑄件的凝固特點(diǎn) ， 采用合 適的澆注系統(tǒng)和充型工藝參數(shù) ， 來(lái)防止缺陷產(chǎn)生 。 （2 ） 鋁 合 金 鑄 件 精 確 化
[9]

v=(p2-p1)/t
為充型時(shí)間 。

(2)

式中 ：v 為充型速度 ；p2，p1 為充型壓力和升液壓力 ；t 充型速度 反映了澆注過(guò)程中金屬液上升的情 況 。 v 大則金屬液上升快 ， 小則上升慢 ， 顯然充型速 度能直接影響鑄件的質(zhì)量 。 例如 ， 當(dāng)金屬液上升太 快時(shí) ， 型腔內(nèi)的氣體來(lái)不及排除 ， 在型腔體積減小的 情況下 ， 型腔中氣體壓力升高就會(huì)產(chǎn)生反壓力 。 當(dāng)反 壓力等于 p2 時(shí) ， 金屬液就會(huì)停止上升 。 隨著充型壓 力的繼續(xù)增加 ， 超過(guò)反壓力時(shí) ， 金屬液才能繼續(xù)充 型 ， 這樣會(huì)使鑄件表面形成 “ 水紋 ”， 從而影響鑄件的 外觀 ， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鑄件報(bào)廢 。 對(duì)于薄壁復(fù)雜鑄件 ， 充型速度太快 ， 還易產(chǎn)生氣泡 ， 形成氣孔缺陷 。 但如 果充型速度太慢 ， 又會(huì)產(chǎn)生澆不足及冷隔等缺陷 。 因此 ， 對(duì)厚壁簡(jiǎn)單件來(lái)說(shuō) ， 由于壁厚 ， 所以鑄件 的成型不是主要矛盾 ， 故它的充型速度稍慢一些也 不會(huì)導(dǎo)致冷隔 、 欠澆等缺陷 。 但如果是薄壁復(fù)雜鑄 件 ， 且模具冷卻強(qiáng)度又較大 ， 如果充型速度太慢 ， 則 會(huì)形成鑄件冷隔 、 欠澆等缺陷 ， 因此對(duì)于這類比較容 易凝固冷卻的鑄件 ， 在完成金屬液的升液后 ， 應(yīng)該加 快其充型速度 ， 以防止鑄件產(chǎn)生冷隔 、 欠澆等缺陷 。

華中科技大學(xué)的胡

敏 等人試驗(yàn) 研 究 了 反 重 力 澆 注 條 件 下 ， 鋁 合 金 消 失模真空低壓鑄造的充型流動(dòng)特性 。 通過(guò)采用電極 觸點(diǎn)法測(cè)定不同條件 （ 真空度 、 澆注溫度 、 內(nèi)澆道面 積 ） 下鋁合金液體流動(dòng)前沿的變化規(guī)律 ， 獲得了不同 條件下液態(tài) ZL101 的充型等時(shí)曲線 ； 證明了負(fù)壓 、 澆注溫度 、 澆注系統(tǒng)的尺寸 、 氣體流量 、 模樣的壁厚 、 涂料的性能等對(duì)鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型 形態(tài)及充型速度都有較大的影響 。 （3） 鎂合金鑄件精確化 由于鎂合金產(chǎn)品具有 以下優(yōu)勢(shì) :① 輕量化 ： 密度 1.8 g/cm3 左右 ，， 是鋼鐵的

《 熱加工工藝 》 2010 年第 39 卷第 17 期

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金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting·Forging·Welding

2010 年 9 月
金電磁泵低壓鑄造充型壓力計(jì)算控制計(jì)算方法 ， 通 過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在不同勵(lì)磁電流和電極電流下電流與電 磁泵輸出壓力之間的關(guān)系 ， 建立壓力控制計(jì)算模型 ， 并進(jìn)行了電磁泵低壓鑄造過(guò)程模擬驗(yàn)證 。 研究表明 ： 在磁感應(yīng)強(qiáng)度確定的情況下 ， 電極電流與輸出壓力 都是呈嚴(yán)格的線性變化規(guī)律 ； 電磁泵低壓鑄造充型 平穩(wěn) ， 加壓壓力控制精確 ， 是高質(zhì)量鋁鑄件生產(chǎn)先進(jìn) 的鑄造工藝方法 。 在實(shí)驗(yàn)研究 方面 ， 楊晶 [15] 等 人通過(guò)對(duì)引 進(jìn)電磁 泵工藝參數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析 ， 結(jié)合復(fù)雜 鋁合金鑄件的特點(diǎn) ， 確定了電磁泵砂型低壓鑄造復(fù) 雜鋁鑄件充型工藝 。 應(yīng)用結(jié)果表明 ， 采用該技術(shù)生產(chǎn) 的車用發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋綜合性能良好 。 黨驚知 [16] 等人則通過(guò)在電磁泵低壓鑄造平穩(wěn)充型情況下對(duì)

1/4, 鋁 的 2/3， 與 塑 料 相 近 ； ② 比 強(qiáng) 度 高 、 剛 性 好 ， 優(yōu)
于鋼及鋁 ；③極佳的防震性 ， 耐沖擊 、 耐磨性良好 ；④ 優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性 ， 可改善電子產(chǎn)品散熱問(wèn)題 ；⑤非磁 性金屬 ，抗電磁波干擾 ，電磁屏蔽性好 ；⑥加工成形性 好，成品外觀美麗 ，質(zhì)感佳 ，無(wú)可燃性(相對(duì)于塑料)；⑦ 材料回收率高 ， 符合環(huán)保法 ；⑧ 尺寸穩(wěn)定 ， 收縮率小 ， 不易因環(huán)境溫度變化而改變(相對(duì)于塑料)。 所以對(duì)鎂 合金的研究也越來(lái)越多 ，如華中科技大學(xué)的張大付
[10]

等人利用自主開(kāi)發(fā)的真空低壓消失模鑄造技術(shù)及其 裝備用 AZ91D 鎂合金成功地澆注出了電機(jī)外殼 、 排 氣管等復(fù)雜的鎂合金鑄件 。 這種新的消失摸鑄造工藝 大大提高了鎂合金的充型能力 ，消除了重力下消失模 鑄造鎂合金充型能力差 、易形成澆不足和冷隔缺陷的 缺點(diǎn)。 吳和保[11]等人則采用攝影法和電觸點(diǎn)法對(duì)薄壁 鎂合金零件的充型特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明 , 在低真空度條件下 , 鎂合金呈拱形層狀推進(jìn) , 其充 型速度隨充氣流量的變化而變化 。 過(guò)小的充氣流量會(huì) 造成金屬液充型速度較小,產(chǎn)生澆不足缺陷,而充氣流 量過(guò)大則會(huì)使金屬液流動(dòng)前沿不平穩(wěn) , 產(chǎn)生氣孔缺 陷 。 真空度有利于砂型緊實(shí)和熱解產(chǎn)物的傳輸,但過(guò) 高的真空度使金屬液呈凹槽形推進(jìn),不利于熱解產(chǎn)物 的溢出,在鑄件末端產(chǎn)生集中性氣孔缺陷 。 因此，鎂合 金真空低壓消失模鑄造最佳的充氣流量范圍為 3～

ZLSi9Mg 鋁 合 金 組 織 及 力 學(xué) 性 能 的 影 響 進(jìn) 行 了 研
究 。 結(jié)果表明 ：ZLSi9Mg 鋁合金熔液 經(jīng)電磁泵輸 送 后 ， 其凝固組織得到細(xì)化 ， 在最佳工藝條件下 ， 其抗 拉強(qiáng)度 、 伸長(zhǎng)率提高 ； 且磁場(chǎng)作用對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度 和伸長(zhǎng)率的影響大于電流的作用 。 在實(shí)際生產(chǎn)方面 ，楊晶[17]等人通過(guò)電磁泵原理研 發(fā)的鋁合金電磁充型鑄造裝置生產(chǎn)的增壓器葉輪 ，不 僅綜合性能良好 ，且成品率明顯提高 。 侯擊波[18]等人 結(jié)合殼型薄壁鋁合金鑄件的特點(diǎn),對(duì)電磁低壓鑄造設(shè) 備的工作原理進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究后,提出適用于 電磁泵的間接式工藝控制工藝方案,成功鑄造了某罩 殼,鑄件成品率明顯優(yōu)于氣壓式低壓鑄造方法 。 從以上研究來(lái)看 ， 電磁泵技術(shù)應(yīng)用于低壓鑄造 具有較明顯的效果 ， 生產(chǎn)的鑄件組織致密 、 性能優(yōu)良 且質(zhì)量非常穩(wěn)定 ， 是一種很有發(fā)展前途的低壓鑄造 生產(chǎn)設(shè)備 。

4 m /h，真空度低于 0.02 MPa。
3

2.2 電磁低壓鑄造充型
電磁低壓鑄造技術(shù)是一種生產(chǎn)效率高 、 近無(wú)余 量精確成型方法之一 。 它不僅具有充型平穩(wěn) 、 流量 精確可控 、 電磁作用提高鑄件性能等優(yōu)點(diǎn) ， 還能克服 傳統(tǒng)氣壓低壓鑄造過(guò)程中液面波動(dòng) 、 鋁液吸氣及氧 化夾雜等缺點(diǎn) 。 因此 ， 近年來(lái) ， 人們對(duì)電磁低壓鑄造 的研究越來(lái)越深入了 。 我國(guó)從 20 世紀(jì) 60 年代起就有人研究過(guò)鑄造用 電磁泵 ， 并取得了一定的進(jìn)展 ， 但由于當(dāng)時(shí)材料和
[12]

2.3 計(jì)算機(jī)在低壓鑄造充型過(guò)程中的應(yīng)用
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展 ， 鑄造過(guò)程中的充 型模擬也得到了迅猛發(fā)展 。 低壓鑄造充型過(guò)程數(shù)值 模擬就是采用數(shù)值技術(shù)手段和一定的信息手段 ， 根 據(jù)低壓鑄造的工藝特點(diǎn)和充型流動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)模擬分 析低壓鑄造生產(chǎn)過(guò)程中各因素對(duì)鑄件成型過(guò)程的影 響 ， 預(yù)測(cè)缺陷 ， 為進(jìn)一步改進(jìn)工藝提供合理和準(zhǔn)確的 依據(jù) ， 從而達(dá)到降低鑄件缺陷 、 提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝 出品率的目的 。 計(jì)算機(jī)在低壓鑄造充型過(guò)程中的應(yīng) 用主要體現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用 、 算法的改進(jìn)以及充 型過(guò)程的研究等幾個(gè)方面 。 （1） 低壓鑄造充型數(shù)值模擬在生產(chǎn)中的應(yīng)用

工藝技術(shù)所限 ， 一直沒(méi)有研制成功 。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)雖有 個(gè)別單位引進(jìn) ， 但僅僅是使用該設(shè)備與技術(shù) ， 并未形 成生產(chǎn)制造能力 。 據(jù)了解 ， 清華大學(xué) 、 西北工業(yè)大學(xué) 、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等重點(diǎn)院校的鑄造專家們對(duì)此項(xiàng)技 術(shù)表示關(guān)注 ， 但是否已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研制還未見(jiàn)有 相關(guān)論文發(fā)表 。 目前 ， 中北大學(xué)鑄造工程研究中心經(jīng) 數(shù)年的開(kāi)發(fā) 研究，研制出 新型平面直 流電 磁 泵 系 統(tǒng) ， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白并達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平 。
[13]

在理論研究 方面 ， 徐宏

[14]

等 人研究確定 了鋁合

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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.17

上半月出版 經(jīng)過(guò) 30 多年的不斷發(fā)展 ， 鑄造過(guò)程的宏觀模擬 在工程應(yīng)用中已是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù) ，能進(jìn)行低壓 鑄造充型數(shù)值模擬的商品化軟件有德國(guó)的 MAGMA、

Casting· Forging·Welding 金屬鑄鍛焊技術(shù)

的量化分析 。 還有 ， 周中波 [23]等人通過(guò)數(shù)值模擬方法 研究了低壓鑄造鋁合金薄板件熔體充填過(guò)程的流動(dòng) 形態(tài) ,在此基礎(chǔ)上 ,進(jìn)一步探討了充型壓力 、 升壓速率 及型腔厚度因素與充填能力的關(guān)系 。 結(jié)果表明 ,在反 重力場(chǎng)作用下 , 鋁合金熔體從下而上逐層充填薄壁 型腔 , 但隨著壁厚增加 , 射流區(qū)兩側(cè)的渦流面積增大 , 出現(xiàn)較明顯的反向充填特征 。 另外 ,充型壓力和升壓 速率的增大有助于改善反重力鑄造鋁合金薄壁件的 充填能力 。 在鋁合金輪轂的低壓鑄造充型過(guò)程中 ， 壓力條 件是影響鑄件質(zhì)量的主要因素 。 陳繼剛 [24]等人提出 了低壓鑄造充型非線性壓力條件的加載方法 。 結(jié)合 線性與非線性壓力加載的數(shù)值模擬 ， 分析與驗(yàn)證了 非線性壓力條件的有效性 ，詳細(xì)說(shuō)明了壓力條件對(duì)充 型狀態(tài)的影響 ，以及缺陷的形成 。 對(duì)于復(fù)雜輪型 ，非線 性壓力條件可以獲得穩(wěn)定充型狀態(tài) ；充型前流進(jìn)入型 腔后 ， 可適當(dāng)提高壓力加載速度 ； 在輪輻與輪輞下緣 充型，加載速度應(yīng)較平緩 ；在輪輞部分的上升充型中 ， 壓力加載速度再次適當(dāng)提高 。 研究表明 ，非線性壓力 條件可以有效地減少鑄件充型缺陷 ，提高復(fù)雜輪轂的 成品率 ； 在保障前流穩(wěn)定的情況下 ， 可以通過(guò)數(shù)值模 擬與試壓鑄而獲得合理的非線性壓力條件 。

CASTS, 美 國(guó) 的 PROCAST、Flow-3D、AFS Solid、FIDAP7.0, 英國(guó) 的 CFDS-Flow3D, 法 國(guó) 的 Simulor, 日 本
的 CASTEM、Soldia， 瑞典的 NOVAFLOW 軟件以及 中國(guó)的鑄造之星(FT-STAR)等 ， 并在生產(chǎn)中取得顯著 的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。 如河北某公司通過(guò)低壓鑄造充型 過(guò)程數(shù)值模擬軟件 ， 制定合理工藝方案 ， 采用低壓鑄 造方式生產(chǎn)了 DLZ147-1880 鋁合金汽車輪轂 。
[19]

（2） 低壓鑄造充型算法的改進(jìn) 許多鑄造缺陷如卷氣 、 夾雜 、 縮孔等都與液態(tài)金 屬的充型過(guò)程有關(guān) 。 為了控制充型和流動(dòng)方式 ， 對(duì)充 型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬是非常有必要 。 其中研究多數(shù) 以 SOLA-VOF 法為基礎(chǔ) ， 引入體積函數(shù)處理自由表 面 ， 并對(duì)傳熱計(jì)算和流量修正等方法進(jìn)行研究改進(jìn) 。 如聞星火 等人根據(jù)低壓鑄造圓盤類鑄件的充型特
[20]

點(diǎn) , 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套簡(jiǎn)化充型模擬軟件 , 應(yīng)用于低壓 鑄造鋁合金輪轂鑄件的充型模擬 。 模擬結(jié)果與采用

SOLA-VOF 算法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比表明 , 充型過(guò)
程及鑄件溫度分布合理 , 實(shí)現(xiàn)了為后續(xù)凝固模擬提 供準(zhǔn)確的初始溫度場(chǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 。 該簡(jiǎn)化算法運(yùn)算 時(shí)間短 ,可以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)運(yùn)算時(shí)間的要求 。 萬(wàn) 柳軍 [19] 等人以 低壓鑄造汽 車輪轂為研 究 對(duì) 象 , 對(duì) 鑄 造充型過(guò)程數(shù)值模擬算法進(jìn)行了研究改進(jìn) ， 包括采 用自適應(yīng)壓力迭代法提高了 SOLA 算法的迭代收斂 速度 ； 在計(jì)算中運(yùn)用動(dòng)態(tài)迭代搜索域減少了冗余的 程序開(kāi)銷 , 提高了計(jì)算效率 ； 采用精確算法與簡(jiǎn)化算 法相結(jié)合的方法 , 在保證輪轂關(guān)鍵 部位模擬精 度的 同時(shí)縮短了計(jì)算時(shí)間 。 （3） 低壓鑄造充型過(guò)程的研究 陳立亮
[21]

3

結(jié)束語(yǔ)
砂型低壓鑄造無(wú)疑是大型復(fù)雜鋁合金鑄件最適

宜生產(chǎn)方法 [25]。 而電磁低壓鑄造能夠克服氣壓式低 壓鑄造過(guò)程中液面波動(dòng) 、 鋁液吸氣及氧化夾雜等缺 點(diǎn) ， 因此電磁低壓鑄造將是低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展趨 勢(shì) 。 隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 充型模擬技術(shù) 在低壓鑄造中的應(yīng)用將更加廣泛 。 低壓鑄造充型平 穩(wěn)工藝正在發(fā)展之中 ， 目前還沒(méi)有成熟的理論 ， 如何 做到在不同截面充型過(guò)程中平穩(wěn)充型等問(wèn)題尚需要 深入研究 。 參考文獻(xiàn) ：
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等人 利 用 數(shù) 值 模 擬 技 術(shù) , 對(duì) 低 壓 鑄 造

鋁合金車輪的流動(dòng) 、 充型過(guò)程進(jìn)行了分析 。 應(yīng)用表 明 , 流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)可以跟蹤液 態(tài)金屬的充 型 形貌 , 分析 各部位的壓 力分布 , 為優(yōu) 化鑄造工 藝 、 改 進(jìn)模具設(shè)計(jì)提供了有效的手段 。 而趙忠興 等人以
[22]

物理模擬技術(shù) 、 圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ) , 采用水模擬計(jì)算機(jī)可視化技術(shù) , 觀察和記錄液體充 型過(guò)程的圖像信息 。 運(yùn)用數(shù)字視頻處理中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ) 償技術(shù)對(duì)獲取的流動(dòng)狀態(tài)圖像進(jìn)行分析 , 對(duì)低壓鑄 造水模擬充型過(guò)程的二維速度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算 , 建立 了量化的流動(dòng)場(chǎng) 。 實(shí)現(xiàn)了鑄造充型過(guò)程水模擬技術(shù) 《 熱加工工藝 》 2010 年第 39 卷第 17 期
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(下轉(zhuǎn)第 58 頁(yè)) 55

金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting·Forging·Welding

2010 年 9 月
強(qiáng)度有所下降 ， 但對(duì)高溫?zé)Y(jié)強(qiáng)度影響不大 。

100
壓強(qiáng) /MPa

80 60 40
基本配方

(2) α 淀粉加入后 ， 可使黃壤土天然粘土砂的
透氣性得到明顯的改善 ， 這有利于鑄件的澆注 ， 減少 鑄件氣孔產(chǎn)生的可能性 。 α 淀粉加入量選取在 1%較 合適 。

20 900

加入 α 淀粉

(3) α 淀粉的加入 ，可使黃壤土天然粘土砂的表
1100 1200

1000

面安定性明顯提高 ， 且隨試樣放置時(shí)間的延長(zhǎng) ， 型砂 的表面安定性進(jìn)一步提高 。 參考文獻(xiàn) ：
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溫度 /℃

圖 3 黃壤土天然粘土砂高溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

Fig.3 The natural yellow loam clay-boned sand elevated-temperature pressure test

土砂機(jī)器造型的效果 ， 并與未加 α 淀粉的型砂進(jìn)行 比較 。 結(jié)果表明 ， 用未加 α 淀粉的型砂進(jìn)行機(jī)器造 型 ， 常出現(xiàn)起模不完整 、 大面積脫落等問(wèn)題 ； 而加入

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58

Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.17



  本文關(guān)鍵詞：低壓鑄造充型工藝的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。