锌锭铸模热力特性及结构改进研究

摘要

热疲劳是模具最常见的失效形式，对于大锭铸模尤其如此，目前我国热作模具因热疲劳裂纹而失效的占模具失效总数的70％左右。热疲劳不仅缩短了模具寿命，也使液态金属进入热裂纹导致取件困难，降低生产效率，而且还降低了铸件表面质量。因此，研究铸模在工作过程中的温度、应力变化情况，设计长寿命大锭铸模，具有重要的实用价值。本文针对株洲冶炼集团的锌锭铸模圆角处产生裂纹现象，采用有限元方法，分析了铸模在工作过程中的热力行为，剖析了铸模的热裂失效原因，以此为基础，探寻了铸模使用寿命多因素的影响规律，对长寿命大锭铸模的结构进行了设计。 1、在采用Pro/Engineer对铸模和锌锭分别进行三维实体造型的基础上，结合ProCAST铸造过程有限元模拟软件，对铸模在铸造过程温度场和应力场进行了仿真，得出了锌锭的凝固曲线和铸模的应力变化趋势，结合铸模材料的力学性能，剖析了铸模产生热疲劳裂纹的原因，为铸模的结构、浇注工艺改进打下基础。 2、在不同铸模壁厚、材料、外壁结构以及铸锭浇注工艺条件下，对铸锭凝固时间、铸模的温度场、应力应变场进行了数值仿真，获得了上述因素对铸锭凝固速度、铸模应力应变的影响规律，由此，提出了铸锭生产效率高，使用寿命长的铸模结构设计方案和应用工艺。 3、进行了不同结构铸模的铸锭浇注实验，对浇注过程铸模温度及应变进行了测试，与数值仿真结果进行对比分析，验证了不同铸模结构对其在浇注过程中的温度、应变的影响规律，同时也验证了前述研究的准确性。 通过对锌锭铸模热力行为分析以及铸模使用寿命的多因素影响规律的研究，认为铸模的失效为热疲劳，铸模表面的裂纹为热疲劳裂纹，铸模受到的循环交变应力是产生热疲劳裂纹的主要原因，在获得影响铸模使用寿命多因素规律的基础上，对铸模进行结构、浇注工艺的改进，改进后的铸模在工作过程中受到的应力明显减小，从而延长了铸模的使用寿命。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1选题意义

1.2国内外模具热疲劳及铸造过程数值模拟的研究现状

1.2.1国内外模具热疲劳行为方面的研究

1.2.2国内外铸造数值模拟方面的研究

1.3课题研究的目标与内容

1.3.1课题研究的目标

1.3.2课题研究的内容

第二章铸造过程热力数学模型及求解条件的确定

2.1假设条件

2.2铸造过程中铸模的热力数学模型

2.2.1温度场的数学模型

2.2.2铸模应力场的数学模型

2.3求解条件的确定

2.3.1初始条件

2.3.2边界条件的确定

2.3.3结晶潜热处理

2.4小结

第三章锌锭铸模热裂失效分析

3.1基于Pro/E的三维几何建模及其ProCAST的导入

3.1.1 Pro/E三维几何建模

3.1.2网格划分

3.1.3导入到ProCAST

3.2基于ProCAST的锌锭铸造过程中铸模热力仿真

3.2.1三维实体造型和网格划分

3.2.2材料及铸造过程初始条件的设定

3.2.3铸模温度场分析

3.2.4铸模应力场分析

3.3铸模裂纹分析

3.3.1金属型损坏的类型

3.3.2锌锭铸模裂纹分析

3.4小结

第四章铸模热力行为的多因素影响规律及铸模设计

4.1铸模寿命的影响因素分析

4.2铸模结构对铸模在工作过程中热力行为的影响

4.2.1铸模壁厚对铸模热力行为的影响

4.2.2散热翅对铸模热力行为的影响

4.3铸模材料对铸模热力行为的影响

4.4铸造工艺对铸模热力行为的影响

4.4.1浇注温度对铸模热力行为的影响

4.4.2浇注流量对锌锭的影响

4.5铸模设计准则及改进前后铸模应力比较

4.5.1铸模没计准则

4.5.2改进前后铸模应力比较

4.6改进前后铸模疲劳寿命分析

4.6.1局部应力应变法

4.6.2改进前后铸模疲劳寿命的估算

4.7小结

第五章铸模浇注实验研究

5.1实验方案及数据采集装置

5.1.1实验方案

5.1.2实验装置实物图

5.1.3数据采集装置

5.2铸模实验结果与有限元分析结果的比较

5.2.1实验数据及有限元结果

5.2.2对比分析

5.3小结

第六章结论及展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文