大型铝合金铸件缺陷预测及铸造工艺优化

摘要

单件质量为380kg的大型壁厚不均匀的台阶状筒形铝合金铸件，因充型不平稳和补缩不充分易造成气孔、缩孔等缺陷，而导致废品。如果仅靠传统经验去设计工艺方案并直接在生产中调试，则生产效率低，浪费人力物力。本课题采用数值模拟的方法对铸件的充型和凝固过程进行模拟，可以有效地预测缺陷，优化铸造工艺，提高铸件质量。 采用造型软件UGII建模，将建好的三维模型以Parasolid格式导出，以Parasolid格式作为与ProCAST的接口文件类型。由于铸件及其浇注系统的二次对称性，取其四分之一进行分析。在ProCAST的MeshCAST模块中进行面网格及体网格剖分之后，把有限元模型导入PreCAST中定义材料、界面传热系数、边界条件、初始条件，并设置运行参数，完成前置处理。 充型过程速度场及温度场的数值模拟结果表明：内浇口的位置及截面积大小对铝液在其出口处的速度有很大影响，充型的平稳性与铝液的流向及充型初期铝液的温度也有较为明显的相关性。通过调整冒口底部与横浇道的设置、在保证铸件充型完整的前提下调整浇注温度及浇注时间、在铸件本体部分增加一过渡区、改变内浇口的位置及截面积大小等一系列优化措施，实现了：铝液在内浇口出口处速度有效降低，在充型初期铝液温度明显下降，改善了充型过程的平稳性，减少了气孔缺陷的产生；铝液由铸件向冒口充型，流向得到有效控制，避免了氧化夹杂进入铸件本体。 对凝固过程的凝固百分率及铸件收缩缺陷进行了模拟计算，发现：冒口颈的截面积对冒口的补缩能力有较大的影响。可适当加大冒口颈尺寸，以增大冒口的补缩能力，减少收缩缺陷。在铸件本体凝固后，尽量缩短冒口颈及冒口的凝固时间，可以提高生产效率。经生产实际验证，模拟与生产结果相吻合。在保证足够补缩能力的前提下，减小冒口直径的同时加大了冒口颈的横向尺寸，可将工艺出品率提高约7％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 铸造充型及凝估过程模拟概述及在国内外的研究进展

1.2.1 铸造过程数值模拟概述

1.2.2 铸造过程模拟技术在国内外的研究进展

1.3 铸件在铸造过程中的数值模拟

1.3.1 充型过程的数值模拟

1.3.2 凝固过程的数值模拟

1.3.3 应力场的数值模拟

1.3.4 微观组织的数值模拟

1.3.5 温度场的数值模拟

1.4 主要铸造模拟软件

1.4.1 铸造模拟软件的发展历程

1.4.2 现行的主要模拟软件

1.5 本课题的主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 铸造过程数值模拟方法及软件

2.1 铸件成形过程的基本理论

2.1.1 充型过程的数学模型

2.1.2 充型过程数值模拟的常用方法

2.1.3 SOLA-VOF方法

2.1.4 凝固过程的数学模型

2.1.5 凝固过程数值模拟的常用方法

2.2 铸造数值模拟软件ProCAST

2.2.1 ProCAST模块

2.2.2 ProCAST的适用范围

2.2.3 ProCAST软件的特点

2.2.4 ProCAST软件的模拟过程

2.3 常用CAD软件

2.3.1 UG

2.3.2 Pro/E

2.3.3 CATIA

2.3.4 Solidworks

2.4 PRoCAST与UG的接口方式

2.5 本章小结

第三章 大型铝合金铸件的工艺特点及数值模拟前置处理

3.1 筒形铝合金铸件的工艺特点

3.1.1 铸件的结构特征

3.1.2 铸件的铸造技术难点

3.1.3 铸件的工艺要求

3.1.4 铝合金ZL104的材料成分及热物性参数

3.2 模型的网格划分

3.2.1 MeshCAST的网格功能及接口方式

3.2.2 划分网格所遵循的原则

3.2.3 模型各部件之间界面的选择

3.2.4 模型网格划分方法及步骤

3.3 数值模拟边界条件及运行参数设置

3.3.1 几何体相关设置与检查

3.3.2 定义材料

3.3.3 界面传热系数及边界条件的设置

3.3.4 初始条件的设置

3.3.5 运行参数的设置

3.4 本章小结

第四章 铸件充型过程平稳性的数值模拟与工艺优化

4.1 铸件充型过程的相关理论

4.1.1 铸件充型能力的影响因素

4.1.2 充型过程平稳性对铸件质量的影响

4.1.3 浇注系统的分类及设计原则

4.1.4 气体及其对铸件性能的影响

4.1.5 氧化夹渣及其对铸件性能的影响

4.2 原方案充型过程平稳性的数值模拟

4.2.1 速度场的数值模拟

4.2.2 温度场的数值模拟

4.3 对原方案进行的优化

4.3.1 优化方案一

4.3.2 优化方案二

4.4 优化方案一和优化方案二充型过程平稳性的数值模拟

4.4.1 速度场的数值模拟

4.4.2 温度场的数值模拟

4.5 为提高工艺出品率所做的优化及数值模拟

4.5.1 为提高工艺出品率所做的优化

4.5.2 速度场模拟

4.5.3 工艺出品率的提高

4.6 分析与试验结果

4.6.1 四种方案的模拟结果比较

4.6.2 试验结果

4.7 本章小结

第五章 铸件凝固过程补缩能力的数值模拟与缺陷预测

5.1 铸件凝固过程的相关理论

5.1.1 铸件的凝固方式

5.1.2 凝固方式对铸件质量的影响

5.1.3 缩孔和缩松

5.2 凝固过程凝固百分率的数值模拟

5.2.1 原方案的模拟结果

5.2.2 优化方案一的模拟结果

5.2.3 优化方案二的模拟结果

5.2.3 优化方案三的模拟结果

5.3 冒口对铸件补缩有效性的数值模拟

5.3.1 原方案的模拟结果

5.3.2 优化方案一的模拟结果

5.3.3 优化方案二的模拟结果

5.3.4 优化方案三的模拟结果

5.4 铸件收缩缺陷的预测

5.4.1 原方案的收缩缺陷预测

5.4.2 优化方案一的收缩缺陷预测

5.4.3 优化方案二的收缩缺陷预测

5.4.4 优化方案三的收缩缺陷预测

5.5 分析与试验结果

5.5.1 四种方案的模拟结果比较

5.5.2 试验结果

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢