离心铸造装置设计及充型凝固过程实验研究与数值模拟

摘要

钛合金是发展航空航天和国防尖端技术必不可少的高技术新材料。精密铸造已成为最成功且应用最广泛钛合金零件的近终形加工技术。由于钛的熔点高，性质活泼，易于氧化，采用普通熔炼设备难以实现。而采用先进的水冷铜坩埚真空感应熔化浇铸炉进行实验，不仅费用高，且实验周期长。
　　本文利用实验室现有的铸锭浇注系统，自行设计离心铸造机并进行离心浇注实验。采用可在非真空条件下离心铸造的Al-Cu％合金作为研究对象，来研究不同离心转速，不同浇注温度条件下铝合金的组织变化规律，包括宏观晶粒组织，微观的枝晶间距等；并通过计算机模拟优化实验方案，为最终进行的钛合金离心铸造实验提供依据。
　　本论文具体完成了以下内容：利用AutoCAD设计绘图软件，完成了离心铸造机、离心铸型以及离心控制仪的结构设计，并且完成离心铸造实验设备及控制仪接线组装及安装调试。利用Pro-E和SolidWorks软件进行离心铸造系统的实体造型，采用AnyCasting及ProCAST等模拟软件对离心铸造的充型过程进行数值模拟，包括重力充型以及离心充型。熔配实验合金，利用自行设计的实验装置进行了不同离心转速，不同浇注温度条件下实验，观察不同离心转速，不同浇注温度条件下充型情况及铸件凝固组织(二次枝晶间距)，进行了相关分析。实现了改进实验参数，优化实验方案的目的。

目录

离心铸造装置设计及充型凝固过程实验研究与数值模拟

DESIGN OF CENTRIFUGAL CASTING APPARATUS, EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND NUMERICAL SIMULATION OF MOLD-FILLING AND SOLIDIFICATION PROCESSES

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 离心铸造钛合金及其意义

1.2.1 钛合金

1.2.2 离心铸造钛合金的意义

1.3 离心铸造技术及其国内外发展现状

1.3.1 离心铸造的简介

1.3.2 离心铸造技术的发展

1.3.3 发展离心铸造技术的新要求

1.3.4 研究离心铸造不同工艺参数的意义

1.4 本论文研究的主要内容

第2章 离心铸造机及离心铸型的设计

2.1 离心铸造机设计部分

2.1.1 离心铸造实验设备设计的基本要求

2.1.2 消除立式离心铸造机振动的措施

2.1.3 安全保护措施

2.1.4 铸锭浇注系统及相关的参数

2.1.5 离心铸造机的设计及相关参数

2.2 离心铸型设计部分

2.2.1 两种铸件的特点

2.2.2 浇注系统的确定

2.2.3 拔模斜度的确定

2.3 离心铸造机控制仪设计

2.3.1 离心铸造机控制仪的特点

2.3.2 离心铸造机控制仪的相应参数

2.4 本章小节

第3章 离心铸造充型凝固过程数值模拟

3.1 基本控制方程

3.2 AnyCasting铸造模拟软件简介

3.2.1 AnyCasting软件的主要特色[43]

3.2.2 AnyCasting软件的模块组成

3.2.3 AnyCasting软件的功能特征

3.3 ProCAST铸造模拟分析软件介绍

3.3.1 ProCAST软件的组成模块

3.3.2 ProCAST软件的特点

3.3.3 ProCAST软件的应用

3.4 有限元法及有限差分法简介

3.4.1 有限差分方法(FDM)

3.4.2 有限元方法(FEM)

3.4.3 采用基于有限元数值计算方法的ProCAST特点

3.5 基于AnyCasting重力充型数值模拟

3.6 基于ProCAST重力充型数值模拟

3.7 基于ProCAST软件的离心充型数值模拟

3.8 本章小节

第4章 金属离心铸造的实验研究

4.1 引言

4.2 实验准备工作

4.2.1 铸型涂料的配制及作用

4.2.2 实验用合金的配制

4.3 离心浇注对比实验及分析

4.3.1 实验装置

4.3.2 离心铸造实验参数

4.3.3 不同工艺参数离心铸造实验的对比分析

4.4 离心铸造试样的制备与加工

4.4.1 取样

4.4.2 金相试样的制备

4.4.3 显微组织分析及相分析

4.5 宏观组织观察

4.6 微观组织分析

4.6.1 铸件微观组织观察

4.6.2 二次枝晶间距d2的测算方法及计算式

4.7 本章小节

结 论

参考文献

附 录

附录1 离心铸造机主轴设计图

附录2 离心铸造机主框架设计图

附录3 离心铸型上型设计图

附录4 离心铸型中层左型设计图

附录5 离心铸型中层右型设计图

附录6 离心铸型下铸型设计图

附录7 本文设计的离心铸造机控制仪布局设计图

附录8 本文实验合金化学成分检测报告单

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致 谢