1 绪 论
1.1 国内外发展概况
模具是当今工业生产中重要的工艺装备，被称为“工业之母”。是现代工业生产中实现少切削和无切削，提高生产效率和产品质量的不可缺少的工具，广泛用于工业生产中的各个领域。一个国家工业水平的高低在很大程度上取决于模具工业的发展水平，模具工业的发展水平是一个国家工业水平的重要标志之一。国民经济的 5 大支柱产业：机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。在如汽车、摩托车、家用电器、仪器、仪表，电子等行业中，60%~80%的零件都需要模具来进行制造。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗，是其他制造方法无可比拟的。因此模具制造水平的高低，不仅是衡量一个国家制造水平高低的重要标志，也在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。经过这么多年的发展，我国的模具工业发展取得了很大的进步，现在我国的模具厂大约有 3 万多家，模具从业人员约 80 多万人，我国模具行业的生产企业和职工总数在世界的排名已跃居第一，生产销量排名世界第三。然而在发展的同时我们也要看到我国和世界发达国家模具产业发展的差距。
中国模具设计制造水平在总体上要比德、美、日、法、意等工业发达国家落后许多，也要比英国、加拿大、西班牙、葡萄牙、韩国、新加坡等国落后很多。国内自配率不足 80%，其中中低档模具供过于求，中高档模具自配率不足 60%。模具是制造业的重要工业基础，在我国，模具制造属于专业设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未成产业。压铸模具在整个模具产业中占有较高的份额，随着汽车工业的快速发展，推动了压铸模技术的快速发展。汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸机、齿轮箱壳体、制动器、轮毂、仪表盘、座椅支架等都可以用压铸的方式做出来。压铸模具技术含量高、对模具的设计及加工等都有很高的要求。我国压铸模具的发展水平和欧美等发达国家的差距更为明显。具体差距：压铸模具制造精度可达0.02~0.05mm（国外0.01~0.03mm），型腔表面粗糙度值为Ra0.4~0.2um(国外Ra0.02~0.01um)，模具制造周期为中小模具为3~4个月，中等模具4~8个月，大型模具8~12个月，约为国外的2倍。模具寿命：铝合金铸件模具一般为4~8万次，个别可超10万次，国外可达8~15万次以上。CAD/CAE/CAM的广泛应用，显示了用信息技术带动和提升模具工业的优越性。为了缩短制模的周期，提高市场竞争力，普遍采用高速切削加工技术，高速切削技术以高切削速度、高进给速度和高加工质量为特征，其加工速率比传统的切削工艺熬高几倍，甚至几十倍。快速成型技术与快速制模技术获得普遍应用。
1.2 压铸成型 CAE 概况
CAE(Computer Aided Execution)即计算机辅助工程技术,它的出现是计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM) 技术向纵深方向发展的要求。一般认为它是一个包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统,其核心技术是工程问题的模型化和数值实现方法。压铸模CAE作为计算机在模具行业的一项新型应用技术 ,除了具有本身固有的特性和内容外 ,还将补充和完善现有的CAD/CAM系统的功能。它的兴起预示着计算机技术在模具上的应用朝着集成化的方向发展。压铸模CAE目前主要以压铸件充型的流场数值模拟、压铸模/压铸件温度场模拟、压铸模/压铸件应力场数值模拟为主。沈阳铸造研究所和香港理工学院研究了压铸计算机模拟浇口位置对金属液充型过程的影响。结果表明压铸浇道设置主导着充型模式,在给定设置中扇形浇道显示出良好的充填特性,其模拟结果和水力试验结果吻合良好。王贵等利用Pro\CAST对铝合金压铸件充型和凝固过程进行了数值模拟。
上海交通大学采用有限元法模拟压铸模的温度场,可将压铸模任一截面上不同冷却时间的温度场用图形方式显示出来,运行结果与红外热成像仪实测温度场接近。华中科技大学的陈立亮对铝合金低压铸造的整个生产过程进行了模拟。其中包括模具的热平衡和多周期生产中的模具温度变化，为进一步开展压铸生产全过程的模拟奠定了基础。压铸件/压铸模拟应力是建立在温度场模拟基础至上的，是一个比较新的研究领域。目前，这部分工作正在大力开展的也只有德国的Magmasoft可对压铸件、压铸模进行应力/应变模拟，从而预测铸件、铸型变形和模具寿命，但其准确性有待于进一步提高。近年来,铸造 CAE商品化软件功能逐渐增加,其中主要有法国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。从功能上看,许多软件大都基于有限差分法,可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场的数值模拟,并可以预测铸件的缩孔、缩松等缺陷 ,但对应力场的模拟及裂纹的预测显得力不从心。ProCAST采用有限元方法。
2 压铸工艺介绍
2.1 压铸工艺特点
与其他金属成型工艺相比，压铸的特点为：
① 生产率极高。生产过程容易实现机械化和自动化。一般冷压室压铸机每八个小时可压铸 600~700 次，热压室压铸机每八个小时可压铸 3000~7000 次。而且一副压铸模中的型腔往往不止一个，这样生产的压铸件数也就成倍地增加了。
② 压铸件的尺寸精度高，其尺寸稳定、一致性好、加工余量少而且有很好的装配性。压铸件的精度可达 IT11~IT13 级，有时可达 IT9 级。表面粗糙度值一般为aR 0.8~3.2um，最低达aR 0.4um。一般压铸件只需要对少数的几个尺寸部位进行机械加工，有的零件甚至于不需要机械加工就可直接装配使用。这样材料利用率高，可达 60%~80%，毛坯利用率达 90%。
③ 铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。由于压铸时金属液是在压力下凝固的，又因高速填充，冷却数度极快，使铸件表面生成一层冷硬层（约 0.3~0.8mm）。该层的金属晶粒细小，组织致密。所以压铸件强度和硬度较高，坚实耐磨。当压铸件壁厚适当且均匀时，其强度更高。
④ 可以压铸形状复杂、轮廓清晰的薄壁深腔铸件，因为金属液在高压下能保持高的流动性。压铸件最小壁厚锌合金可达 0.3mm，铝合金约为 0.5mm。最小铸出孔径为 0.7mm，可铸螺纹的最小螺距为 0.75mm。
⑤ 镶铸法可省去装配工序，简化制造工艺。在压铸件特定的部位上可以直接嵌入所需的其他材料的制件，例如磁铁、铜套、绝缘材料等嵌件以满足特殊要求，既省去了装配工序，又简化了制造工艺。
⑥ 铸件内部有气孔存在，但一般仍能满足使用要求。由于金属液填充速度极快，充填时卷入型腔中的气体很难完全排除，致使压铸件内部常有气孔及氧化夹杂物存在，从而降低了压铸件的质量。因此，一般压铸件不能进行热处理，也不宜在高温下工作。同样，也不希望进行机械加工，以免铸件表层下的气孔露出来。
⑥ 压铸机的压室和压铸模型腔的材料限制了压铸合金的种类。高熔点的黑色金属因其压铸模使用寿命短而目前难以在实际生产中压铸。在同一种合金中，又有牌号的限制。这是因为压铸过程的特点，如激冷、收缩应力、成型时的充型条件等造成的。
3 压铸数值模拟和模具设计软件介绍.......................... 21-29
3.1 PRO/CAST 简介..................... 21-27
3.1.1 序..................... 21
3.1.2 适用范围 .....................21
3.1.3 Pro/CAST 材料数据库..................... 21
3.1.4 Pro/CAST 模拟分析能力..................... 21-23
3.1.5 Pro/CAST 分析模块 .....................23-25
3.1.6 Pro/CAST 特点 .....................25-27
3.2 PRO/ ENGINEER 2.0 模具设计简介..................... 27
3.3 EMX.4.1 简介 .....................27-29
4 初始压铸工艺参数确定..................... 29-33
4.1 压铸件的基本参数..................... 29
4.2 确定压铸机型号..................... 29-31
4.2.1 确定比压 .....................30
4.2.2 计算胀型力..................... 30-31
4.2.3 压铸机部分性能指标校核..................... 31
4.3 分型面的选择 .....................31-33
5 压铸工艺数值模拟 .....................33-45
5.1 填充过程的有关理论..................... 33
5.2 压铸数值模拟理论与数学模型 .....................33-35
5.3 模拟分析流程图..................... 35-36
5.4 浇注系统设计方案 .....................36-39
5.5 文件格式..................... 39
5.6 网格划分..................... 39-40
5.7 数值模拟所设置的相关参数..................... 40
5.8 方案模拟分析 .....................40-42
5.9 优化过后方案的模拟分析..................... 42-45
结论
传统的压铸模具设计过多依赖模具工程师的经验，设计周期较长，不能满足现代工业快速发展的需要，针对这一情况，本文引入数值模拟软件 Pro/CAST 对压铸模具的充型过程进行模拟，优化了浇注系统和溢流槽的设计。在汽车安全带旋转芯轴压铸件的充型模拟及模具设计过程中，本文主要完成了以下几个方面的工作：
① 介绍了压铸模具优点，我国模具发展的状况和铸造数值模拟的发展状况，压铸件常见的缺陷以及解决办法。
② 用铸造数值模拟软件 Pro/CAST 进行充型过程模拟，指导了压铸模具浇注系统和溢流槽的设计。
③ 利用 Pro/Engineer 软件的模具设计模块完成了旋转芯轴压铸模具的动模镶块、定模镶块、动模套板、定模套板和侧向成型滑块的设计。
④ 采用 EMX 4.1 完成了压铸模具除动模套板和定模套板以外的模架设计，增强了模架设计的直观性，降低了模架设计的工作强度，缩短了模架设计的周期。
尽管本课题作了以上几方面的工作，但是由于客观条件所限，还有以下几方面需要改进的地方：
① 由于模拟软件 Pro/CAST 对电脑硬件的要求太高，所以只对充型过程进行了模拟，并对缩松、缩孔缺陷进行了预测，没有对其他可能的缺陷进行预测。没能对工艺的合理性进行更深的研究和优化。
② 由于时间原因，未能对优化后的产品质量及模具使用情况做进一步研究和优化改进。
参考文献
[1] 黄荣学，范洪远.我国模具工业发展概述及展望[J]. 机械工程师,2008,（5）:13-15.
[2] 袁种璘. 模具标准件的发展趋势及需要解决的问题[J]. 模具制造,2006,(6) :1-2.
[3] 郑涌. 模具行业现状及其发展趋势[J].机械与电子.2008,(4):64-65.
[4] Chipley K,Viswanathan S ,Copper R H. Concurrent Engineeringhttp://www.1daixie.com/mjbylw/and Rapid Prototypingfor Die Castings. Die Casting Engineer ,1996,(3) :18-26.
[5] 陈光明. 压铸模CAD/CAE/CAM的研究现状和发展. 铸造技术[J]，2004,25（2）：148-149.
[6] 申长雨. 塑料注射模具计算机辅助工程[M]. 郑州：河南科技出版社，1998.
[7] 吴崇峰. 实用注塑模 CAD/CAE/CAM 技术[M]. 北京：中国轻工业出版社，2000.
[8] 王国中. 注塑模 CAD/CAE/CAM 技术[M]. 北京：北京理工出版社，1999.
[9] 张先波,吕志刚. 压铸模 CAD 概况[J]. 机械工艺师,1995 ,(8) :31-32.
[10] 王贵, 宰守宾, 贺冰. 铝合金压铸件充型和凝固过程的数值模拟[J]. 铸造技术,1998,(2) :44-46.