大型薄壁镁合金支架铸件的低压铸造工艺研究

摘要

近年来，随着航空航天工业的发展，对构件轻量化，结构功能一体化的要求越来越高。铸件向着薄壁化、复杂化、结构功能一体化的方向发展。大型薄壁复杂镁合金铸件应用广泛。不但要求铸件具有高的冶金质量，还要高精密度、近净成形。传统湿砂型重力铸造难以满足高精密铸件的尺寸精度要求，因此，树脂砂反重力精密成形技术受到越来越多的重视和应用。本文以航天用大型镁合金支架铸件为研究对象，利用数值模拟软件对其树脂砂低压铸造过程进行模拟，分析不同浇铸工艺条件下，铸件的充型流动规律及凝固温度场变化，预测铸件中缺陷，分析形成原因，并进行了工艺优化。最终浇注获得了合格铸件。
　　首先对铸件结构特点进行了分析，针对铸件结构，对四种浇注位置分别进行了浇注系统设计和低压铸造过程数值模拟，模拟结果显示，由于铸件中存在多处大平面结构，且壁厚较薄，平面位置充型过程极易卷入氧化夹杂。浇注位置的选择应避免该类情况出现。因此，卧式和仰式浇注位置合理。缝隙式浇注系统能够保证铸件充型过程液流平稳。
　　因铸件壁薄且结构复杂，四种浇注位置均难以通过冷铁和补贴实现严格的自上而下顺序凝固，局部热节位置补缩困难。
　　结合四种浇注工艺的模拟结果，进行了工艺优化，选择卧式浇注位置，并设计缝隙式浇注系统，与冒口一同对铸件薄壁位置进行补缩。对优化后的工艺方案进行数值模拟，结果表明铸件充型过程平稳，凝固温度场合理，能够避免凝固缺陷的产生。
　　对铸件凝固过程应力场进行了数值模拟，以分析实际浇注铸件中裂纹形成原因。由模拟结果可得，铸件内部三角形筋的底部横梁凝固时间短，线收缩应力大，横梁两端与铸件侧壁连接位置收缩受到铸型阻碍，形成裂纹，此裂纹缺陷为典型热裂。
　　进一步对铸件浇注工艺进行了优化，在铸件内部薄壁筋板位置增加工艺拉筋和补缩浇道，模拟结果表明，同时增设工艺拉筋和补缩浇道，能够延缓筋板线收缩速率，扩大收缩应力作用范围，将原最大有效热应力降低到120MPa以下，避免热裂的发生。并对优化工艺进行了实验验证。
　　最后，本文对大型镁合金支架铸件本体进行取样，测试铸件力学性能。测试结果显示，热处理后，铸件抗拉强度平均值为262MPa。不同位置的性能有较大差别，铸件侧斜面和立筒面位置抗拉强度最高，平均值在280MPa左右，而铸件立筒侧面位置抗拉强度在270MPa左右。这与铸件不同位置氧化夹杂含量有关。铸件切取试样断裂形式为解理断裂为主混合型断裂。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究意义

1.2低压铸造技术及国内外研究现状

1.3镁合金概述

1.4镁合金低压铸造及国内外研究现状

1.5铸造过程数值模拟研究现状

1.6论文主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 ZM6合金的熔炼

2.2实验设备

2.3铸造过程数值模拟软件介绍

第3章 大型薄壁镁合金铸件低压铸造工艺优化

3.1 铸件浇注位置选择及浇注系统设计

3.2低压铸造过程数值模拟

3.3工艺方案优化

3.4 本章小结

第4章 铸件应力场模拟及热裂倾向分析

4.1引言

4.2 应力场模拟参数及边界条件设置

4.3 支架凝固过程应力场模拟及分析

4.4 工艺方案优化及其应力场分析

4.5 本章小结

第5章 实验验证与铸件力学性能

5.1引言

5.2支架铸造低压铸造实验

5.3 铸件力学性能分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢