轴承座零件精密铸造工艺开发-本科毕业论文

轴承座零件的精密铸造工艺开发 2014年6月第一章绪论 1.2熔模精密铸造基本概况 1.3计算机数值模拟技术的基本概况 21.3.1计算机模拟技术出现背景及意义 21.3.2熔模铸造计算机模拟主要应用 31.3.3国内外计算机模拟技术的发展 4 5 6第二章计算机数值模拟的基本原理与数学模型建立 82.1数值模拟的基本原理 8 9第三章熔模铸造数值模拟软件简介及应用 3.3ProCAST软件组成模块 3.4ProCAST软件在铸造凝固模拟过程中的应用 第四章轴承座零件熔模铸造数值模拟过程 4.1建立零件模型 4.3模拟参数设定 4.4充型过程分析 4.5凝固过程模拟 4.6铸件缩松缩孔的模拟 4.7.1网格剖分 4.7.2充型模拟过程 4.7.3凝固过程模拟 4.7.4缩松缩孔模拟 第五章结论与展望 5.2展望 参考文献 thedevelopmentofcomputertechnology,thedevelopmentofcomputernumericsimulation,thegridsubdivision,tosetconditions,1第一章绪论1.2熔模精密铸造基本概况2“经验”上。有些铸件生产周期长，造价高，要求“一次制造成功”,一旦报废，3劳动力减少30%,生产率提高25%,提高材料利用率20%2。这使得工业效益有了很大的和应力场，据此对铸件缺陷(如缩孔、缩松、夹渣、裂纹等)进行预测并提出优化铸造工(1)充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩型、粘塑性模型等。对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的4有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。场把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金最早用于铸造过程模拟的是美国哥伦比亚大学的“Heatand次发表计算机模拟的文献。1959年GeneralWeider等研究了应用有限差分法(FDM)模拟生产大型厚铸件制品，在1965年发展了可预测的凝固模型。但FDM法无法追踪金属充型时的自由表面，因此在20世纪80年代早期，一种被称为流动体积法(VolumeofFlow;积函数作为主要参数，用来追踪流动自由表面3。有限元法(FEM)最初是用来解决结构复杂应力分析问题的，但在20世纪60年代，JamesWilkes模拟了砂型铸造过程，浇注了包括碳钢、铝和含铅的黄铜合金等各种材料，5模型，这些模型可进行充型模拟，预测浇注温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。80年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用，80年代后期，充国内在这方面起步较晚，但发展十分迅速。通过30多年的努力，在铸造过程数值模值模拟。到了90年代，我国各科研所也纷纷开展了这方面的研究工作。2004年在台湾高(1)铸件成型过程有关物理—数学模型。(2)有关参数(如铸造合金材料和铸型材料的热物性参数、以及强度、热膨胀等性能数据)和初始条件、边界条件的确定。6(3)与所分析的物理场(温度场、流场、应力场等)相关联的铸造缺陷判断的确定。(4)对分析对象进行几何离散(网络剖析)和计算结果的处理与显示(可视化)。(5)数值模拟方法及其软硬件手段。(2)由于熔模住在为薄壳热性浇注，同砂型铸造相比，其界(3)熔模铸件多是薄壁小件，不应忽略浇注充型过程中合金液的热量损失和温度场(4)建立熔模铸造合金材料和铸型材料热物性参数78第二章计算机数值模拟的基本原理与数学模型建立熔模铸造过程数值模拟技术的基本原理就是对铸件成型系统(包括铸型—型芯—铸件有关物理场(主要是温度场、流场和应力场等)的变化特点，通过结合有关铸造缺陷的形算又是流场和应力场数值计算的基础。铸造微观组织(如晶粒组织、显微疏松和偏析等)(1)汇集给定问题的单值性条件，也就是研究对象的几何条件、物理条件、初始条(2)建立解决给定的问题的物理—数学模型，同时确定相应的数值计算方(3)将物理过程中涉及到的区域在空间和时间上进行离散化处理。(4)建立节点或单元的数值方程。(5)将求解的过程编制成计算程序，由计算92.2计算机数值模拟数学模型的建立根据建立数值方程方法不同，数值计算方法又分为有限差分法(FDM)、有限单元法 (FEM)、直接差分法(DFDM)、和边界单元法(BEM)等四种。不过，目前对铸造过程进行计算机数值模拟的时候，主要采用前三种。三种方法的提点比较见表1。(1)在充型过程中的温度变化很小，假设流体粘度为常量，不会随温度变化而发生(2)金属液流动过程视为单相流动，即金属液内无气、固相杂(3)壳型排气性良好，不考虑外部大气压强对充型的影响。数值计算方法有限差分法(FIM)有限单元法(FEM)直接差分法(DODM)物理意义明确，差分计更能适应几何形状复杂个单元的物理现象不是算公式容易导出；数据或形状不贵砸铸件边用过微分方程而是直接处理简单，占用内存较界，并可灵活设置网络涌过差分方程求解；能少，计算时间较短，但密度；便于和计算应力使用四面体，六面体等对几何形式复杂或形状的有限元程序配套进行各种单元。计算程序复不规则铸件适应性较差温度场-应力场计算。数学模型复杂，内存需求大，计算时间长杂程度和时间介于FDM由于以上的假设，因此金属液的流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，从而可以用连续性方程、动量方程、能量方程和体积函数方程来描述这一过程。(1)连续性方程为速度矢量在x,y,z方向上的分量；P为单位密度的压力；μ为运动粘度；g为重力加速度；V²为拉普拉斯算子。(3)能量守恒方程(4)体积函数方程式中F为体积函数，当F=1时表示充满状态，当F=0时表示空格状态，当0<F<1时表示在自由表面。要求解上述方程，首先要进行离散处理，离散后采用SOLA法求解压力场和速度场，用VOF法进行自由表面处理。2.2.2铸件凝固过程温度场数值模拟凝固是一个非常复杂的物理化学过程，是由包括热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程耦合而成的。要精确地模拟凝固过程必须求解连续性方程、Navier-Stokes方程、Fourier方程及质量传输方程等。但将所有这些过程耦合在一起进行求解，目前是非常困难的。一般情况下，若铸件充型时间和整体凝固的时间比很短时，常常可以假设铸型是瞬时充满的，这时只需计算温度场即可。当铸件壁很薄或充型时间和凝固时间差不多时，必须耦合充型过程流场模拟进行初始温度场计算，然后在进行凝固过程温度场模拟。铸件/铸型系统的传热过程是通过高温金属的辐射传热、液态金属与铸型的对流换热(包括铸型表面与大气的对流换热)、金属向铸型导热三种方式综合进行的。(1)热传导：液态金属充满铸型后，金属和铸型之间的导热主要是以不稳定导热方式进行。三维不稳定导热的控制方程为：z为坐标(m)。(2)对流换热：液态金属与铸型内壁，铸型外壁与周围空气，以及液体金属内部都有对流换热过程。对流换热用Newton冷却定律描述。式中：α为对流换热系数；T,为流体的特征温度；T为固体边界温度。对流换热比只有热传导复杂，在实际计算中常加以简化。(3)辐射换热：铸件、铸型和大气之间的换热除传导和对流外，还有辐射换热，特别是在静止空气中冷却时，铸件或铸型表面与大气之间换热主要以辐射方式进行。辐射换热遵循Stefen—Boltzman定律：第三章熔模铸造数值模拟软件简介及应用随着科学技术的发展，20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软表.2国外铸造模拟软件概况软件名称开发商主要功能或特点三要应用工艺英国AlphacagStwareLtd芬兰预测语体流动温度、压力、速度分布，也能预键凝障时间、宏观和微观收缩、被晶臂同画、稳态温度分布、模具温度冷却速率、温度梯度等计算凝固收缩、张账对发热冒口套和徐层的影能形成3-D和类似X射线可视图砂模、熔模、低压金属模和金属模压力特造砂模，压力金属模铸造美国美国能进行充模分析，也能进行铸件温度分布及凝固过程分析，还可进行残余应力、应变、变形分析用FDM法计算传热过程，同时能追踪在凝固过程中形成的孔隙；可优化设计浇铸过程；可得到充模时温度速度以及压力数据重力或低压金属模、砂模、熔模、消失模砂模，熔模，金属模特造等美国可自动划分网格并提供多组块网格划分；可进行凝固收缩、二元偏析、表面缺隆追踪等分析砂模，压铸模，消失模、离心铸造、连续特造美国美国模拟充模、凝固过程，预测与流动相关的缺陷，如凝咯模，消失模.半固态铸造久模、消失模、熔模、离心铸造模拟充模、凝固过程，预测与流动相关的缺陷，如凝咯模，消失模.半固态铸造久模、消失模、熔模、离心铸造分析模报铸件变形、模具变形以及热应力、机械应力构的形成如孔隙、气孔案架日立公司瑞典德国可处理大型网格模型，可预跳铸件收缩，稳态模温.计算缺降的大小和位置、能融(Thisomldng)过程，计算铸件私模具应力变形和结构变形压力铸造、砂模、触融模铸造可选行热传导，双向流、凝固和摩擦模拟分析温砂模、金具模、熔模、光型特造，压力铸造光型特造，压力铸造编和三维可视序可分析流动与传热、应力和爱观组织，具有救强的前后处理功能砂模，光型游造、熔模.金展模、压力铸造上述软件在欧美等发达国家铸造企业中获得了较广泛的应用，取得了很好的经济效件的开发，如华中科技大学的CAE/InteCAST,清华大学的FT-STAR,中国科学院金属研ProCAST由法国ESI公司开发的综合的铸造过程软件解决方案，有20多年ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造；高压、低压铸造；重力铸造、倾斜浇铸、压铸造、消失模铸造等铸造类型提供了比较完备的材料库以及各材料的热物性参数图表，不同温度的参数值一目了然14](1)可重复性(2)可虚拟试验(3)灵活性大(4)模拟功能强大(5)界面人性化(6)多平台开发(1)基本模块(传热分析模块)界条件，可以准确设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。铸造的物理过程就是通(2)流体分析模块体的分析计算。此外，流动分析可以模拟紊流、触变行为及多孔介质流动(如过滤网),(3)应力分析模块(4)辐射分析模块生产模拟。由于在辐射计算时考虑了视角因子和影印效应等，一旦部件之间有相互运动(5)晶粒结构分析模块晶粒的位置和晶粒的取向。该模块可以用来确定工艺参数对晶粒形貌和柱状晶到轴状晶(6)微观组织分析模块(8)反向求解模块3.4ProCAST软件在铸造凝固模拟过程中的应用(1)缩孔预测缩孔是由于凝固收缩过程中铸件不能有效地从浇注系统和冒口得到补缩造成的.利用缩孔量.(2)裹气模拟孔和溢流孔.(3)裂纹(4)冲砂(5)冷隔及浇不足会导致一些缺陷的产生.通过传热和流动的耦合计算(6)压铸模寿命使用寿命.第四章轴承座零件熔模铸造数值模拟过程4.1建立零件模型图.3零件三维实体模型最后还需要浇注系统组成装配体。如图.4为零件组装图。图.4零件组装图4.2网格剖分的划分，先画面网格，再画体网格，铸件网格大小为6,浇注系统为10。网格如下图.5所图.5三维网格4.3模拟参数设定初始温度设定为1000℃,铸件和膜壳热交换系数为750,充型时间设为8s。充型结束后采0def4.4充型过程分析f)10.8s(内部)图.6不同时间的充型温度场从模拟结果可以看出，在2.7s时浇注系统基本充满，到4s时金属液从下面第一个逐充型初始阶段(4S内),金属液速度较大，对底部充刷严重，但并无飞溅。整个充型过程快速平稳，基本保持平面上升冲型效果良好，最后金属液充满膜壳，较为合理。图.7表示了铸件凝固过程的温度场模拟。a)和b)颜色变化表示了固化率的大小。其他小图颜色变化表示温度变化。c)33s在的图中可以看出，铸件冷却时间是不同步的，在切片图中明显可以看出凝固颜色的4.6铸件缩松缩孔的模拟图.8为铸件缩松缩孔的模拟示意图，紫色部分为产生的缩松缩孔。图中显示，比较””图.8铸件缩松缩孔的模拟4.7工艺优化只有充型时间变为6s。图.9为改善的浇注系统铸件装配图图.9改变浇注系统后的装配图4.7.1网格剖分新的铸件三维网格剖分为图.10所示。图.10新装配图三维网格d)20.5s(切片图)e)32sf)32s(切片图)g)50sh)50s(切片图)从图中可以看出，在3.3s的时候，金属液刚刚进入铸件，在5s的时候已经快要浇注a)14.4sb)1