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基于均衡凝固技术的熔模精密铸件浇冒口材料工程设计方法研究

时间:2018-06-21 20:17来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇材料工程论文,材料工程硕士属于工程硕士下属的一个研究领域,全称Master Of Material Engineering,工程硕士领域代码为430105。主要培养具有坚实材料工程理论基础和专业知识,
本文是一篇材料工程论文,材料工程硕士属于工程硕士下属的一个研究领域,全称Master Of Material Engineering,工程硕士领域代码为430105。主要培养具有坚实材料工程理论基础和专业知识,了解材料工程行业内发展动向的,掌握材料化学成分和组织结构的分析方法、材料制造过程的质量监控、材料的改进技术等。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇材料工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
顺序凝固和同时凝固是铸件在进行工艺设计时遵循的两种主要原则。随着新技术的发展,高质量、低成本铸件成为铸造人共同追求的目标,顺序凝固和同时凝固已不能充分满足铸造的需求,此时,均衡凝固技术顺势而生。但对于不同的合金,均衡凝固技术的应用方式不尽相同,主要包括在具有石墨化膨胀的铸铁件上的应用和不具有石墨化膨胀的铸钢、白口铸铁和有色合金铸件上的应用。
 
1.1 熔模铸造技术简介及现状
熔模铸造是一种精密铸造方式,包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序[1]。熔模铸造的具体方法是将石蜡注入到具有一定形状的模具中,使之能够根据模具的形状定型,这就是铸件的模样,然后利用热的铁片或其他工具,通过高温使模样粘连在模头上,这样的过程称为组树。完成组树后的模样浸入到耐火材料中,反复浸涂后形成有一定硬度的硬壳,即型壳。初步干燥后,将包有石蜡的模样的型壳放在烘箱或热水中,使模样熔化掉。接着在烘炉中焙烧型壳,浇注金属。可生产各种精密、复杂、接近于零件最后形状的件,适于中小型精密铸件[2]。我国的熔模铸造最早起源于春秋时期的失蜡法铸造。熔模铸造在工业中得到应用是在 20 世纪 40 年代,主要应用在航空喷气发动机零件上。我国将熔模铸造应用在工业生产在 20 世纪 70 年代,主要应用在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、汽轮机、电讯仪器、医疗器具等,同时也用于工艺美术品的制造,但我国熔模铸造也存在一定的问题,例如熔模铸造生产线的关键、核心设备依赖国外进口,熔模铸造所采用的部分高质量蜡料如蜂蜡、微晶蜡等也需要进口[3],所以我们需要的是进行专业化发展,打造能够起到带头领军作用的企业,并且要立足于自主,坚持开展深入、细致的工艺研究。西方工业发达的国家,铸造技术的发展较为迅速。英国早在 1958 年就成立了思想技术较为成熟的熔模铸造协会,目前英国的铸造技术在世界上的发展也是最靠前的。美国的熔模铸造技术虽然没有英国发展早,从 20 世纪 80 年代才快速发展,但是 20 年来也成为了世界上技术先进国家。西方熔模铸造主要是生产用于军工业和高科技产品的高精度铸件[4~6]。由于军工产品或者高科技产品的要求精度高,并且熔模铸造的生产成本较高,所以熔模铸造在军工等方面的运用最为广泛。
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1.2 均衡凝固技术简介及应用
对于铸铁件,铁液冷却时要产生体积收缩,凝固时要析出石墨产生体积膨胀,均衡凝固就是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外补缩,采取工艺措施,使单位时间的收缩和膨胀、收缩和补缩按比例进行的一种凝固原则。对于铸件的某一点而言,收缩在前,膨胀在后。而对于整个铸件,收缩和膨胀是同时进行的,所以宏观表现出来的体积变化是铸件收缩和膨胀的动态叠加,其原理如图 1-1[7]所示。图中 A 为型腔填充开始点,进入型腔的铁液随着温度的下降开始收缩,同时受铸型激冷作用,铁液开始凝固并发生石墨化膨胀。B 点填充结束,此时整体温度的下降速率达到最大值。C 点凝固结束。D 点石墨化膨胀速率达最大值。AC 为铸件凝固时间。曲边三角形 ADC 为铸件的石墨化膨胀。曲边三角形 ABC 为铸件的总收缩,即液态收缩和凝固收缩总值。曲边三角形 AB’P 为铸件胀缩相抵的净收缩,又称铸件的表观收缩。AP 为铸件表观收缩时间,即铸件存在自补不足的差额时间、冒口的外部补缩时间。P 点为均衡点,此时对应的时间为铸件收缩量等于膨胀量的时间,表观收缩为零,若合金的收缩值较小[8,9]。对于小型铸件或薄壁件,铸件单位时间的收缩量大,收缩来的较为集中,相对的石墨化膨胀后移,表观收缩量加大,则必须加强冒口的外部补缩。而对于厚大铸件,收缩速度小,相对石墨化膨胀提前,有利于胀缩相抵,使均衡点前移,缩短了冒口的补缩时间,冒口尺寸相应减小。相对于传统铸造工艺,均衡凝固技术的应用主要是将浇冒口的位置、类型、尺寸进行改变,经过大量实验验证,推荐使用热冒口、压边冒口、飞边冒口、耳冒口、侧冒口等,有时甚至使用无冒口。下面将对几种冒口的应用进行简单介绍。
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第 2 章 运用 ProCAST 对精密铸件进行工艺分析
 
2.1 引言
在传统的铸造工艺设计及工艺改进过程中,一般采用“试错法”来确定新工艺,即对新工艺进行浇注试验,通过分析浇注结果从而不断优化工艺。这种方法不仅试制周期长,而且需要多次进行实际浇注,浪费原材料,降低工厂的生产效益。为了缩短周期、降低成本,可以采用数值模拟软件对工艺进行模拟试验,根据模拟结果进行分析、优化,本课题选用 ProCAST 软件进行铸造过程模拟。模拟的关键在于结果的准确性,即保证模拟结果与实际浇注结果一致,最终才能利用该模拟结果对工艺进行分析优化。传统的“试错法”中是先根据理论基础及传统经验改进工艺,再对改进工艺进行浇注验证,最终得到最优方案,这种方法即验证法。在本课题的研究过程中提出了一种逆向的方法,即以实际生产结果为目标,对现行工艺方案进行模拟,通过调整模拟参数,使模拟结果与实际生产结果一致,我们将这种通过生产结果确定模拟方案的方法称为逆验证法。用此方法确定的模拟参数可用于该生产条件下的铸造过程模拟。本课题以某公司生产的一类三通精密铸件为研究对象进行工艺改进,减少和消除缩松缺陷,提高铸造工艺出品率。本章以 4 个具体铸件为例,利用工厂现行工艺方案和生产结果为背景,进行逆验证模拟,并根据模拟结果进行工艺分析、确定模拟参数。在以下章节叙述中将以公司生产中的编号对 4 个铸件进行命名,分别为M03510、M03511、M03552、M03553。
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2.2 M03510 模拟逆验证过程及工艺分析
 
2.2.1 铸件结构及工艺
M03510 单件重 0.335kg,密度为 8.7g/cm3,其平面及立体图如图 2-1、2-2 所示。铸件轮廓尺寸为 103.6mm×36mm×42.5mm,大部分壁厚为 3mm。工厂在实际生产过程中,冒口设计如图 2-3 所示,在中间肋板处设置 1 号热冒口,其尺寸如图 2-4 所示,在旁侧热节 1、2 处设置 2 号冒口,冒口尺寸如图 2-5 所示。生产中一组六件,组树如图 2-6。铸件与铸型间的界面换热系数与铸件的浇注温度、铸型的初始温度、铸件与铸型的接触情况等因素有关,不同生产条件时其数值不同。本课题中的界面换热为不锈 钢 和 硅 砂 界 面 的 换 热 , 文 献 指 出 , 对 于 金 属 和 砂 型 界 面 换 热 系 数 为300~1000J/(m2·s·K)[47],参考其数值,分别取值 300、500、700、1000 J/(m2·s·K)进行模拟,模拟结果如图 2-7,当界面换热系数为 300 J/(m2·s·K)时,铸件中不存在任何缺陷,与实际生产不符;当界面换热系数为 500J/(m2·s·K) 和 700J/(m2·s·K)时,恰好在通孔 3 与法兰盘连接处存在缩松缺陷,与生产结果一致;当界面换热系数为1000J/(m2·s·K)时,在通孔 2、3 与法兰盘连接处均存在缩松缺陷,与实际生产亦不相符。
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第 3 章 精密铸件 M03510 浇冒口设计及优化..........25
3.1 引言 ........ 25
3.2 工艺改进方案 .... 25
3.2.1 热节分析 ........ 25
3.2.2 冒口设置 ........ 26
3.2.3 浇注系统改进设计........ 26
3.3 补缩一个热节时冒口的设计及优化 .... 27
3.3.1 冒口偏离因数与模数比例.......... 27
3.3.2 模数比例为 1.0 时冒口的模拟及优化 .... 29
3.3.3 模数比例为 0.9 时冒口的模拟及优化 .... 30
3.3.4 模数比例为 0.8 时冒口的模拟及优化 .... 31
3.3.5 结论 .......... 32
3.4 补缩两个热节时冒口的设计及优化 .... 32
3.5 本章小结 ...... 37
第 4 章 精密铸件 M03511 浇冒口设计及优化..........39
4.1 工艺改进方案 .... 39
4.2 补缩一个热节时冒口的设计及优化 .... 41
4.3 补缩两个热节时冒口的设计及优化 .... 44
4.4 本章小结 ...... 47
第 5 章 精密铸件 M03552 浇冒口设计及优化..........49
5.1 工艺改进方案 .... 49
5.2 模数比例为 1.0 时冒口的模拟及优化 ............ 52
5.3 模数比例为 0.9 时冒口的模拟及优化 ............ 53
5.4 模数比例为 0.8 时冒口的模拟及优化 ............ 54
5.5 结论 ........ 55
 
第 5 章 精密铸件 M03552 浇冒口设计及优化
 
前文主要利用均衡凝固技术对铸件 M03510 和铸件 M0351 浇冒口设计的方法进行了研究,本章将主要运用上述方法对铸件 M03552 浇冒口进行设计及优化。
 
5.1 工艺改进方案
 
5.1.1 热节分析
热节位置较多,如图 5-1,通孔 1 处壁厚不均产生热节 1,其直径:d1=5.2mm,模数 Mc1=0.19cm;通孔 1 和通孔 3 的连接拐角处存在尖角导致热节 4 产生,其直径d4=5.6mm,模数 Mc4=0.2cm。热节 4 与热节 1 的距离相对较近,且在实际生产中存在缺陷。通孔 2、3 的法兰盘与铸件 M03510、M03511 相比,厚度增加,通孔 2 与法兰盘连接处壁厚不均,产生热节 2,其直径 d2=18mm,模数 Mc2=0.495cm;通孔 1 与通孔2 的连接拐角处存在尖角导致热节 3 的产生,热节圆 3 的直径:d3=4mm,模数Mc3=0.17cm,热节 2 与热节 3 的距离较近。通孔 3 与法兰盘连接处壁厚不均产生热节 5,其直径 d5=18mm ,模数Mc5=0.495cm,热节 5 与其他热节的距离较远。
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结 论
 
本文运用均衡凝固技术对 4 个精密铸件进行浇冒口设计,通过 ProCAST 模拟软件对改进工艺进行模拟优化,最终得到如下结论:
(1)采用逆验证法,以实际生产结果为目标,确定了在利用 ProCAST 模拟软件模拟铸造过程中,界面换热系数取 500~700 J/(m2·s·K)时 ProCAST 的模拟结果与实际生产结果一致,其模拟结果可以指导生产。
(2)当两热节圆中心距与两热节圆直径和的比值大于或等于 3 时,需要对两热节分别进行补缩,冒口偏离因数最大值与模数比例之间成正比例关系;相同的模数比例下,热节越小,冒口偏离因数的最大值越大,有小热节影响时,冒口偏离因数最大值偏小;模数比例在 0.8~1.0 均可对热节有良好的补缩,安全起见,建议冒口偏离因数选在 1.6 以下。
(3)当两热节圆中心距与两热节圆直径和的比值小于 3 时,以较大热节为研究对象,模数比例取 1,可对两热节进行良好的补缩:当两热节大小相同或相近时,冒口处于两热节中间;当两热节大小不同时,冒口向较大热节方向偏移,但冒口的位置均在两个热节各自的最大冒口偏离因数以内。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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