基于信号机的压铸模具合金凝固过程的分析与研究

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【摘 要】 本文针对压铸模具的制造过程，分析了金属铸造的特点，并利用信号机的基本功能改进了在加工过程中的温度问题，进一步，利用有限元进行分析。实践证明，引入信号机原理有利于压铸模具合金的凝固过程。

【关键词】 信号机 压铸模具 凝固

1 引言

压铸件的产品质量以及压铸件的性能对整个产品质量有很大的影响，而铸件的性能与凝固过程的温度场密切相关，国内外很多研究人员通过数值模拟铸件的温度场，来预测铸件的缩孔、收缩缺陷。但大多是对普通砂型铸造的模拟，对压力铸造等特种铸造的模拟特别是关于压铸件热节的研究还比较少。

模具的温度控制是影响产品质量和生产效率的关键因素之一，在无冷却系统控制模温的压铸过程中，随着压射次数的增加压型温度会不断上升，导致压型内部与表面温度差不断减小，使合金在压型中冷却速度越来越慢，使铸件金属组织致密性差，甚至铸件内会出现针孔或更大的缩孔，严重影响铸件质量。

铸件凝固过程与大多数工业传热过程一样，热量是从一部分传播到另一部分。它是一个非常复杂的物理化学过程，是由包括热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程耦合而成。要精确地模拟凝固过程，必须求解连续性方程、Navier-Stockes 方程、Fourier 方程及质量传输方程等。但要将所有这些过程耦在一起进行求解，在目前还是很困难的。在满足实际要求的前提下，为使问题简化，我们应就某一特定要求，对主要过程进行模拟。在一般情况下，若充型时间和凝固时间相比很短时，常常可以假设铸型是瞬时充满的，这时只需计算温度场即可。温度场模拟是预测缩孔缩松的形成、微观组织的形成以及热裂、变形等的基础。

2 金属型铸造传热现象的特点

铸型内熔融金属开始凝固后，放出凝固潜热，被铸型吸收，因此，凝固可不断进行。与砂型相比，浇注以后的铸型热吸收能是非常大的，凝固时间也短得多。砂型的铸件表面温度（铸件与铸型的界面温度）到凝固时，没有多大变化，而且铸件内部的温度分布也基本一致。因此，计算时常假定凝固结束时，界面与内部温度不变，但是金属型比起砂型来，凝固快，因此铸件表面温度急剧下降，与铸件内部产生交大的温度差，所以铸件表面与内部冷却速度不同也是凝固组织不同的原因。

从传热的观点考虑，金属型与砂型主要不同点有以下一些：

热吸收能和热容量比砂型大，所以凝固时间短；（1）单位时间通过铸件和金属型界面的热量大，所以界面处的传热系数对铸件冷却影响很大；（2）铸件与金属型的界面温度随着浇注后的时间推移有较大的变化；（3）凝固期间，铸件内部的温度不是均匀的，表面与内部冷却速度有差别，所以凝固组织可能不同；（4）金属型的传热快，研究时不把金属型作为半无限物体来处理。

3 信号机的基本功能

信号机应该具有多时段控制功能，即能够根据每个模具各不同时段的设置各对应时段的控制参数，然后根据信号机的时钟在对应时段的起止时刻自动切换并执行相应方案

3.1 感应控制功能

感应控制功能，即当信号机设置为感应控制方式时，在感应控制模块运作下，支路的相位只有在支路检测到有模具时，才会给信号机的相位执行，否则，支路在没有模具情况下是会将原本设置的时间转移到下一个主路上的相位，而使得主路得到更加充足的时间。

3.2 自适应控制功能

自适应控制功能，即根据实时信息流检测和储存到信号机内的历史流量交通模型，通过实时优化计算求解出一组最优控制参数，并进行存储和小步距调整下一周期各相位的时间，和自适应控制中的基本参数，如饱和流量、最大最小控制时间、最大最小信号周期等，使得网络达到最优化控制。另外参数调节还可以通过中心控制的电脑菜单界面灵活设置。

3.3 网络通讯功能

网络通讯功能是指控制器与控制器之间，以及与控制中心进行联网通讯的功能，即根据一定的通讯协议，信号机可以接收并执行控制中心发出的所有信号，支持和执行信号的功能。

4 温度场问题的有限单元法

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随之很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

4.1 物体离散化

将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量大）。所以有限元中分析的结构已不再是原有物体或结构体，而是同样材料的众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。

模具表面温度曲线，如下图所示。

4.2 相变问题的处理

由于液相的内能大于固相的内能，回此当合金凝固由液相转变为固相时，必然产生内能的变化。这个内能变化就是凝固潜热，或称熔化潜热。铸件的凝固冷却过程实质上是铸件内部显热和潜热不断向外散失的过程。显热的释放与材料的比热容Cp和温度变化量T密切相关；而潜热的释放仅取决于材质本身发生相变时所反映出的物理特性。在铸件凝固冷却过程放出的总热量中，凝固潜热占有相当大的比例。潜热处理的好坏对铸件凝固数值计算精度起着非常关键的作用。合金材质不同，潜热释放的形式也不同，相应地也应采取不同的处理方法。

参考文献

[1]赵建华，桑宝光，蒋朝军.相变换热对压铸模具局部冷却能力影响的数值分析，特种

铸造及有色合金，2006.01.22.

[2]熊守美 许庆彦等.铸造过程模拟仿真技术.机械工业出版社，2004.10，P414-420.