多维振动水模拟实验台的设计与充型机理研究

作     者：张子鹏 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王成军

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：多维振动 水模拟实验台 数值模拟 离散单元法 正交试验法 

摘      要：传统铸造中,金属液充型流动的高温性、动态性、瞬时性以及砂型的不透明性,使得不能直接观察金属液在型腔中的充型与流动情况。同时,目前所使用水模拟实验台上的激振装置振动方式和轨迹单一、自由度少,难以满足中大型、结构复杂铸件的成型要求。为解决铸件成型过程中金属液充型流动的不透明、激振装置轨迹单一及自由度少的问题,设计了一种多维振动水模拟实验台。通过阐述相似原理及水模拟技术的机理,从理论上分析了水模拟技术的可行性。分析结果表明,当原型与模型满足几何相似,且流动均处于自模区时,只要满足Fr数相等,原型和模型中的流体即满足热力学相似。基于TRIZ理论,以机构拓扑结构原理、相似原理、多维振动铸造理论为理论基础设计了一种多维振动水模拟实验台,并对所设计实验台的主体结构进行静力学分析,结果满足设计要求。同时,选用三自由度电磁振动实验台作为多维振动实验台,用以优化铸造充型过程。最后,以轴套类零件、盘盖类零件和箱体类零件为研究对象,分别设计了三种典型零件的浇注系统。以汽车曲轴为研究对象,运用ProCAST软件研究了曲轴铸件底注式、中注式和顶注式三种方案的充型与凝固过程,模拟结果显示中注式浇注系统的成型质量较好,但中注式浇注方案铸件的孔隙率超标。然后,通过添加外冷铁和在缺陷位置增设倒锥形排气孔的方式对所设计的浇注系统进行优化。模拟结果表明,优化方案铸件的缩松缩孔体积下降了 4.512382cc。最后,利用优化方案探究浇注温度和浇注时间对铸件成型质量的影响。模拟结果表明,当浇注温度在1400～1420℃、浇注时间为8s时,曲轴的成型质量最佳。运用离散单元软件,采用控制变量法,以细小颗粒流动模拟金属液在铸件型腔中的充型流动,分析了不同振动参数对铸件充型性能的影响。模拟结果表明,当振动自由度DOF=3、振动频率f=50Hz、振动幅度A=0.75mm时,铸件的充型流动性能最好。同时,采用正交试验法,分析不同振动参数对曲轴充型性能的影响。模拟结果表明,振动幅度对颗粒在型腔中的充型距离影响最大。当采用最佳工艺参数进行模拟后,得出颗粒在型腔内的充型距离为505.55mm。与未施加振动方案的充型距离相比,施加振动方案的充型距离增加了 242.38mm,进一步验证了模拟实验最佳工艺参数的合理性。最后,基于相似原理搭建了多维振动水模拟实验台,介绍实验台各零部件的选型。然后,以曲轴模型为实验研究对象,利用搭建的多维振动水模拟实验台完成了曲轴铸件三种浇注方案的物理实验。实验结果表明,相似模拟实验的结果与模拟实验的结果一致,从而证明了模拟实验的准确性与所搭建实验台的可行性。图[60]表[27]参[120]