軸承座零件精密鑄造工藝開發(fā)-本科畢業(yè)論文

軸承座零件的精密鑄造工藝開發(fā) 2014年6月第一章緒論 1.2熔模精密鑄造基本概況 1.3計算機數(shù)值模擬技術(shù)的基本概況 21.3.1計算機模擬技術(shù)出現(xiàn)背景及意義 21.3.2熔模鑄造計算機模擬主要應(yīng)用 31.3.3國內(nèi)外計算機模擬技術(shù)的發(fā)展 4 5 6第二章計算機數(shù)值模擬的基本原理與數(shù)學(xué)模型建立 82.1數(shù)值模擬的基本原理 8 9第三章熔模鑄造數(shù)值模擬軟件簡介及應(yīng)用 3.3ProCAST軟件組成模塊 3.4ProCAST軟件在鑄造凝固模擬過程中的應(yīng)用 第四章軸承座零件熔模鑄造數(shù)值模擬過程 4.1建立零件模型 4.3模擬參數(shù)設(shè)定 4.4充型過程分析 4.5凝固過程模擬 4.6鑄件縮松縮孔的模擬 4.7.1網(wǎng)格剖分 4.7.2充型模擬過程 4.7.3凝固過程模擬 4.7.4縮松縮孔模擬 第五章結(jié)論與展望 5.2展望 參考文獻 thedevelopmentofcomputertechnology,thedevelopmentofcomputernumericsimulation,thegridsubdivision,tosetconditions,1第一章緒論1.2熔模精密鑄造基本概況2“經(jīng)驗”上。有些鑄件生產(chǎn)周期長，造價高，要求“一次制造成功”,一旦報廢，3勞動力減少30%,生產(chǎn)率提高25%,提高材料利用率20%2。這使得工業(yè)效益有了很大的和應(yīng)力場，據(jù)此對鑄件缺陷(如縮孔、縮松、夾渣、裂紋等)進行預(yù)測并提出優(yōu)化鑄造工(1)充型凝固模擬。已經(jīng)研究許多算法，如并行算法、三維有限元法、三維有限差分法、松形成的模擬，對于同時存在多個補縮通道數(shù)值模擬是應(yīng)力場數(shù)值模擬的核心，許多鑄造缺陷如縮松、縮型、粘塑性模型等。對熱裂的模擬經(jīng)過幾十年的研究，總結(jié)了影響因素和相應(yīng)的判據(jù)，展的流變學(xué)模型采用簡單的彈性體、粘性體和塑性體等理想的4有更大的困難。近年來各種微觀組織模擬方法紛紛出現(xiàn)，已成為材料科學(xué)的研究熱點之前主要的模擬方法有確定性模擬、隨機性模擬、相場方法、介觀尺度模擬方法等。場把相圖計算并入宏觀和微觀耦合模擬中，并且同時考慮顯微組織和偏析是進行多元合金最早用于鑄造過程模擬的是美國哥倫比亞大學(xué)的“Heatand次發(fā)表計算機模擬的文獻。1959年GeneralWeider等研究了應(yīng)用有限差分法(FDM)模擬生產(chǎn)大型厚鑄件制品，在1965年發(fā)展了可預(yù)測的凝固模型。但FDM法無法追蹤金屬充型時的自由表面，因此在20世紀(jì)80年代早期，一種被稱為流動體積法(VolumeofFlow;積函數(shù)作為主要參數(shù)，用來追蹤流動自由表面3。有限元法(FEM)最初是用來解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力分析問題的，但在20世紀(jì)60年代，JamesWilkes模擬了砂型鑄造過程，澆注了包括碳鋼、鋁和含鉛的黃銅合金等各種材料，5模型，這些模型可進行充型模擬，預(yù)測澆注溫度變化、模擬液體流動方式以及預(yù)測這些因素對鑄件質(zhì)量的影響。80年代早期瞬時充型的假設(shè)得到一定的應(yīng)用，80年代后期，充國內(nèi)在這方面起步較晚，但發(fā)展十分迅速。通過30多年的努力，在鑄造過程數(shù)值模值模擬。到了90年代，我國各科研所也紛紛開展了這方面的研究工作。2004年在臺灣高(1)鑄件成型過程有關(guān)物理—數(shù)學(xué)模型。(2)有關(guān)參數(shù)(如鑄造合金材料和鑄型材料的熱物性參數(shù)、以及強度、熱膨脹等性能數(shù)據(jù))和初始條件、邊界條件的確定。6(3)與所分析的物理場(溫度場、流場、應(yīng)力場等)相關(guān)聯(lián)的鑄造缺陷判斷的確定。(4)對分析對象進行幾何離散(網(wǎng)絡(luò)剖析)和計算結(jié)果的處理與顯示(可視化)。(5)數(shù)值模擬方法及其軟硬件手段。(2)由于熔模住在為薄殼熱性澆注，同砂型鑄造相比，其界(3)熔模鑄件多是薄壁小件，不應(yīng)忽略澆注充型過程中合金液的熱量損失和溫度場(4)建立熔模鑄造合金材料和鑄型材料熱物性參數(shù)78第二章計算機數(shù)值模擬的基本原理與數(shù)學(xué)模型建立熔模鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)的基本原理就是對鑄件成型系統(tǒng)(包括鑄型—型芯—鑄件有關(guān)物理場(主要是溫度場、流場和應(yīng)力場等)的變化特點，通過結(jié)合有關(guān)鑄造缺陷的形算又是流場和應(yīng)力場數(shù)值計算的基礎(chǔ)。鑄造微觀組織(如晶粒組織、顯微疏松和偏析等)(1)匯集給定問題的單值性條件，也就是研究對象的幾何條件、物理條件、初始條(2)建立解決給定的問題的物理—數(shù)學(xué)模型，同時確定相應(yīng)的數(shù)值計算方(3)將物理過程中涉及到的區(qū)域在空間和時間上進行離散化處理。(4)建立節(jié)點或單元的數(shù)值方程。(5)將求解的過程編制成計算程序，由計算92.2計算機數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)建立數(shù)值方程方法不同，數(shù)值計算方法又分為有限差分法(FDM)、有限單元法 (FEM)、直接差分法(DFDM)、和邊界單元法(BEM)等四種。不過，目前對鑄造過程進行計算機數(shù)值模擬的時候，主要采用前三種。三種方法的提點比較見表1。(1)在充型過程中的溫度變化很小，假設(shè)流體粘度為常量，不會隨溫度變化而發(fā)生(2)金屬液流動過程視為單相流動，即金屬液內(nèi)無氣、固相雜(3)殼型排氣性良好，不考慮外部大氣壓強對充型的影響。數(shù)值計算方法有限差分法(FIM)有限單元法(FEM)直接差分法(DODM)物理意義明確，差分計更能適應(yīng)幾何形狀復(fù)雜個單元的物理現(xiàn)象不是算公式容易導(dǎo)出；數(shù)據(jù)或形狀不貴砸鑄件邊用過微分方程而是直接處理簡單，占用內(nèi)存較界，并可靈活設(shè)置網(wǎng)絡(luò)涌過差分方程求解；能少，計算時間較短，但密度；便于和計算應(yīng)力使用四面體，六面體等對幾何形式復(fù)雜或形狀的有限元程序配套進行各種單元。計算程序復(fù)不規(guī)則鑄件適應(yīng)性較差溫度場-應(yīng)力場計算。數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，內(nèi)存需求大，計算時間長雜程度和時間介于FDM由于以上的假設(shè)，因此金屬液的流動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律，從而可以用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和體積函數(shù)方程來描述這一過程。(1)連續(xù)性方程為速度矢量在x,y,z方向上的分量；P為單位密度的壓力；μ為運動粘度；g為重力加速度；V2為拉普拉斯算子。(3)能量守恒方程(4)體積函數(shù)方程式中F為體積函數(shù)，當(dāng)F=1時表示充滿狀態(tài)，當(dāng)F=0時表示空格狀態(tài)，當(dāng)0<F<1時表示在自由表面。要求解上述方程，首先要進行離散處理，離散后采用SOLA法求解壓力場和速度場，用VOF法進行自由表面處理。2.2.2鑄件凝固過程溫度場數(shù)值模擬凝固是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是由包括熱量傳輸、動量傳輸、質(zhì)量傳輸及相變等一系列過程耦合而成的。要精確地模擬凝固過程必須求解連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、Fourier方程及質(zhì)量傳輸方程等。但將所有這些過程耦合在一起進行求解，目前是非常困難的。一般情況下，若鑄件充型時間和整體凝固的時間比很短時，常?？梢约僭O(shè)鑄型是瞬時充滿的，這時只需計算溫度場即可。當(dāng)鑄件壁很薄或充型時間和凝固時間差不多時，必須耦合充型過程流場模擬進行初始溫度場計算，然后在進行凝固過程溫度場模擬。鑄件/鑄型系統(tǒng)的傳熱過程是通過高溫金屬的輻射傳熱、液態(tài)金屬與鑄型的對流換熱(包括鑄型表面與大氣的對流換熱)、金屬向鑄型導(dǎo)熱三種方式綜合進行的。(1)熱傳導(dǎo)：液態(tài)金屬充滿鑄型后，金屬和鑄型之間的導(dǎo)熱主要是以不穩(wěn)定導(dǎo)熱方式進行。三維不穩(wěn)定導(dǎo)熱的控制方程為：z為坐標(biāo)(m)。(2)對流換熱：液態(tài)金屬與鑄型內(nèi)壁，鑄型外壁與周圍空氣，以及液體金屬內(nèi)部都有對流換熱過程。對流換熱用Newton冷卻定律描述。式中：α為對流換熱系數(shù)；T,為流體的特征溫度；T為固體邊界溫度。對流換熱比只有熱傳導(dǎo)復(fù)雜，在實際計算中常加以簡化。(3)輻射換熱：鑄件、鑄型和大氣之間的換熱除傳導(dǎo)和對流外，還有輻射換熱，特別是在靜止空氣中冷卻時，鑄件或鑄型表面與大氣之間換熱主要以輻射方式進行。輻射換熱遵循Stefen—Boltzman定律：第三章熔模鑄造數(shù)值模擬軟件簡介及應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代以來，國外一大批商業(yè)化鑄造過程數(shù)值模擬軟表.2國外鑄造模擬軟件概況軟件名稱開發(fā)商主要功能或特點三要應(yīng)用工藝英國AlphacagStwareLtd芬蘭預(yù)測語體流動溫度、壓力、速度分布，也能預(yù)鍵凝障時間、宏觀和微觀收縮、被晶臂同畫、穩(wěn)態(tài)溫度分布、模具溫度冷卻速率、溫度梯度等計算凝固收縮、張賬對發(fā)熱冒口套和徐層的影能形成3-D和類似X射線可視圖砂模、熔模、低壓金屬模和金屬模壓力特造砂模，壓力金屬模鑄造美國美國能進行充模分析，也能進行鑄件溫度分布及凝固過程分析，還可進行殘余應(yīng)力、應(yīng)變、變形分析用FDM法計算傳熱過程，同時能追蹤在凝固過程中形成的孔隙；可優(yōu)化設(shè)計澆鑄過程；可得到充模時溫度速度以及壓力數(shù)據(jù)重力或低壓金屬模、砂模、熔模、消失模砂模，熔模，金屬模特造等美國可自動劃分網(wǎng)格并提供多組塊網(wǎng)格劃分；可進行凝固收縮、二元偏析、表面缺隆追蹤等分析砂模，壓鑄模，消失模、離心鑄造、連續(xù)特造美國美國模擬充模、凝固過程，預(yù)測與流動相關(guān)的缺陷，如凝咯模，消失模.半固態(tài)鑄造久模、消失模、熔模、離心鑄造模擬充模、凝固過程，預(yù)測與流動相關(guān)的缺陷，如凝咯模，消失模.半固態(tài)鑄造久模、消失模、熔模、離心鑄造分析模報鑄件變形、模具變形以及熱應(yīng)力、機械應(yīng)力構(gòu)的形成如孔隙、氣孔案架日立公司瑞典德國可處理大型網(wǎng)格模型，可預(yù)跳鑄件收縮，穩(wěn)態(tài)模溫.計算缺降的大小和位置、能融(Thisomldng)過程，計算鑄件私模具應(yīng)力變形和結(jié)構(gòu)變形壓力鑄造、砂模、觸融模鑄造可選行熱傳導(dǎo)，雙向流、凝固和摩擦模擬分析溫砂模、金具模、熔模、光型特造，壓力鑄造光型特造，壓力鑄造編和三維可視序可分析流動與傳熱、應(yīng)力和愛觀組織，具有救強的前后處理功能砂模，光型游造、熔模.金展模、壓力鑄造上述軟件在歐美等發(fā)達國家鑄造企業(yè)中獲得了較廣泛的應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟效件的開發(fā)，如華中科技大學(xué)的CAE/InteCAST,清華大學(xué)的FT-STAR,中國科學(xué)院金屬研ProCAST由法國ESI公司開發(fā)的綜合的鑄造過程軟件解決方案，有20多年P(guān)roCAST適用于砂型鑄造、消失模鑄造；高壓、低壓鑄造；重力鑄造、傾斜澆鑄、壓鑄造、消失模鑄造等鑄造類型提供了比較完備的材料庫以及各材料的熱物性參數(shù)圖表，不同溫度的參數(shù)值一目了然14](1)可重復(fù)性(2)可虛擬試驗(3)靈活性大(4)模擬功能強大(5)界面人性化(6)多平臺開發(fā)(1)基本模塊(傳熱分析模塊)界條件，可以準(zhǔn)確設(shè)定所有已知的鑄造工藝的邊界和初始條件。鑄造的物理過程就是通(2)流體分析模塊體的分析計算。此外，流動分析可以模擬紊流、觸變行為及多孔介質(zhì)流動(如過濾網(wǎng)),(3)應(yīng)力分析模塊(4)輻射分析模塊生產(chǎn)模擬。由于在輻射計算時考慮了視角因子和影印效應(yīng)等，一旦部件之間有相互運動(5)晶粒結(jié)構(gòu)分析模塊晶粒的位置和晶粒的取向。該模塊可以用來確定工藝參數(shù)對晶粒形貌和柱狀晶到軸狀晶(6)微觀組織分析模塊(8)反向求解模塊3.4ProCAST軟件在鑄造凝固模擬過程中的應(yīng)用(1)縮孔預(yù)測縮孔是由于凝固收縮過程中鑄件不能有效地從澆注系統(tǒng)和冒口得到補縮造成的.利用縮孔量.(2)裹氣模擬孔和溢流孔.(3)裂紋(4)沖砂(5)冷隔及澆不足會導(dǎo)致一些缺陷的產(chǎn)生.通過傳熱和流動的耦合計算(6)壓鑄模壽命使用壽命.第四章軸承座零件熔模鑄造數(shù)值模擬過程4.1建立零件模型圖.3零件三維實體模型最后還需要澆注系統(tǒng)組成裝配體。如圖.4為零件組裝圖。圖.4零件組裝圖4.2網(wǎng)格剖分的劃分，先畫面網(wǎng)格，再畫體網(wǎng)格，鑄件網(wǎng)格大小為6,澆注系統(tǒng)為10。網(wǎng)格如下圖.5所圖.5三維網(wǎng)格4.3模擬參數(shù)設(shè)定初始溫度設(shè)定為1000℃,鑄件和膜殼熱交換系數(shù)為750,充型時間設(shè)為8s。充型結(jié)束后采0def4.4充型過程分析f)10.8s(內(nèi)部)圖.6不同時間的充型溫度場從模擬結(jié)果可以看出，在2.7s時澆注系統(tǒng)基本充滿，到4s時金屬液從下面第一個逐充型初始階段(4S內(nèi)),金屬液速度較大，對底部充刷嚴(yán)重，但并無飛濺。整個充型過程快速平穩(wěn)，基本保持平面上升沖型效果良好，最后金屬液充滿膜殼，較為合理。圖.7表示了鑄件凝固過程的溫度場模擬。a)和b)顏色變化表示了固化率的大小。其他小圖顏色變化表示溫度變化。c)33s在的圖中可以看出，鑄件冷卻時間是不同步的，在切片圖中明顯可以看出凝固顏色的4.6鑄件縮松縮孔的模擬圖.8為鑄件縮松縮孔的模擬示意圖，紫色部分為產(chǎn)生的縮松縮孔。圖中顯示，比較””圖.8鑄件縮松縮孔的模擬4.7工藝優(yōu)化只有充型時間變?yōu)?s。圖.9為改善的澆注系統(tǒng)鑄件裝配圖圖.9改變澆注系統(tǒng)后的裝配圖4.7.1網(wǎng)格剖分新的鑄件三維網(wǎng)格剖分為圖.10所示。圖.10新裝配圖三維網(wǎng)格d)20.5s(切片圖)e)32sf)32s(切片圖)g)50sh)50s(切片圖)從圖中可以看出，在3.3s的時候，金屬液剛剛進入鑄件，在5s的時候已經(jīng)快要澆注a)14.4sb)1