龙门加工中心滑枕铸造残余应力的数值模拟与试验研究

摘要

龙门加工中心由于结构刚性好、加工范围大、操作方便等特点成为现代制造业的主流加工设备，具有广阔的应用空间和潜在市场。滑枕作为高档数控机床的关键零部件之一，其铸造残余应力过大，会对机床的加工精度、质量和性能有严重的影响。但由于滑枕自身结构复杂，壁厚差较大，使得铸造充型、凝固过程因温度场不均匀以及铸件组织缺陷等原因都会造成铸造残余应力过大，严重影响其尺寸精度及稳定性。 本文以国内某企业生产的龙门加工中心所用滑枕铸件为研究对象，针对铸造残余应力对滑枕铸件造成的危害，以实际生产滑枕铸件的几何尺寸为设计依据，结合铸造数值模拟软件 ProCAST对滑枕铸件的铸造过程进行数值模拟仿真计算，通过对金属液的充型、凝固过程进行可视化观测，对其充型过程的流场、温度场以及充型凝固后的残余应力场进行模拟分析，结果表明，现行铸造工艺方案能够顺利充型，铸件充型时间为82.1s，充型过程中虽可以满足平稳、完整的充型要求，但由于铸件内部温度梯度过大，凝固时具有较大的收缩量。凝固过程中，最后凝固位置为导轨丝杆面位置，由于浇道过早凝固，导轨丝杆面位置容易产生补缩不足的情况。冒口封闭过早，石墨化缩补目的基本不能实现。根据铸件结果和凝固顺序分析，残余应力场分布基本合理，但是残余应力梯度较大，导轨丝杆面残余应力过大，已经接近材料屈服强度。同时利用盲孔法实测滑枕铸件的铸造残余应力，结果表明：滑枕铸件的丝杆安装面上的应力主要是压应力，主轴箱安装面上的应力主要是拉应力，其余测试面上拉、压应力同时并存，丝杆安装面和主轴箱安装面上的残余应力是滑枕产生弯曲变形的主要原因。滑枕主轴轴承安装部位为应力集中区域，其最大应力值达到193.2MPa，该部位易产生变形或开裂。 根据充型理论和均衡凝固理论对滑枕铸件铸造工艺方案进行优化，得到较优的工艺参数组合：浇注温度1380℃，浇注速度1.3m/s；同时改进冒口、重新布置冷铁、扩大内浇道口面积，根据此铸造工艺方案对滑枕铸件进行数值模拟分析，滑枕铸件的整个充型过程平稳、快速、完整，无喷激、浇不足等现象，且充型过程中金属液温度下降梯度较小。整个充型过程所用时间为78.5s，充型时间较为适中。凝固过程中，实现了铸件的顺序凝固，达到冒口后于铸件凝固的顺序凝固要求。优化后滑枕铸件主轴箱安装面上的残余应力是压应力，导轨丝杆面是拉应力，其余两面拉压应力共存，最大残余应力为124.5 MPa，应力集中现象明显改善，各面残余应力符合要求。

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第一章 绪论

§1.1 课题研究背景、目的和意义

§1.2国内外铸造过程数值模拟的研究现状

§1.3课题来源

§1.4主要研究内容及创新点

第二章 滑枕铸件的铸造过程数值模拟

§2.1龙门加工中心滑枕结构分析

§2.2铸造工艺方案的确定

§2.3铸造过程数值模拟概述

§2.4滑枕铸件数值模拟的数学模型

§2.5滑枕铸件有限元模型的建立

§2.6铸造工艺方案数值模拟结果

§2.7本章小结

第三章 滑枕铸造残余应力的测试与结果分析

§3.1盲孔法测量残余应力的基本原理

§3.2盲孔法的改进

§3. 3.1 滑枕铸件残余应力测试

§3.4滑枕铸件残余应力分布规律

§3.5本章小结

第四章 数值模拟与测试结果综合分析

§4.1数值模拟与试验测试结果对比

§4.2残余应力产生原因

§4.3残余应力对滑枕铸件的影响

§4.4拟解决方法

§4.5本章小结

第五章 滑枕铸件的铸造工艺优化

§5.1 工艺参数优化

§5.2浇注工艺方案优化

§5.3数值模拟分析

§5.4结果对比分析

§5.5本章小结

第六章 总结和展望

§6.1总结

§6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果