ZL205A大型件金属型铸造过程仿真及工艺优化

作     者：党云鹏 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹岩

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 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：ZL205A 大型传动件 仿真模拟 金属型铸造 工艺优化 

摘      要：随着制造业的蓬勃发展,武器装备行业向精密化、轻量化的方向发展,ZL205A合金凭借良好的力学性能和密度低的特点成为代替钢材实现铸件轻量化的重要材料,但由于掺杂多种元素,导致该合金凝固时在很大的温度区间内呈糊状形态,容易产生裂纹、缩松等缺陷。目前国内对小型薄壁件的研制和生产,已经积累了丰富的经验。但随着铸件体积和壁厚的增大,金属液分布面积增大,ZL205A合金铸造性能差的缺点同时被放大,目前对这种ZL205A合金大型件的研制工艺尚未成熟。本课题将以某大型弹体传动件为研究对象,作为武器装备行业中的典型零件其具有体积大、壁厚大的特点,针对前期研究成本高的问题,利用铸造过程模拟仿真技术优化铸造方案和浇注工艺。主要研究内容如下:以ZL205A合金大型传动件为研究对象,进行了铸造工艺方案设计。据其结构特点提出外部金属铸型和内部砂芯的组合方式,根据浇口引入位置初步设计了底注式和中注式两套浇注系统结构,利用截面比例法推算出各浇道的尺寸参数,并通过计算及查阅资料初步确定其参数。然后具体介绍了ZL205A大型铸件的充型凝固过程涉及到的理论模型,分析了热力耦合仿真的机理,列举了常见铸造缺陷的形成原因,选择了缩孔缺陷的预测判据,概括了铸造仿真实验的工艺流程,进一步对金属型铸造工艺的优化奠定理论基础。进行了该大型传动件的铸造方案数值模拟分析实验,对浇注系统结构和浇注工艺参数进行优化。通过Pro CAST软件模拟分析铸造过程,在底注式浇注系统的基础上增设四条内浇道并调整内浇道尺寸,得到侧注-阶梯式浇注系统。然后针对浇注工艺参数设计仿真正交实验,通过响应曲面法分析仿真结果,优化得到最佳的工艺:浇注速度2kg/s、浇注温度710℃、铸型预热温度260℃,该工艺参数组合下模拟结果的总收缩孔隙率仅为2.2%,质量缺陷只分布在浇注系统和冒口部位。进行了生产实验验证,并分析不同工艺下铸件的显微组织以及力学性能,验证工艺优化的可靠性。按照控制变量的原理进行单因素铸造生产实验,获得不同工艺参数下的ZL205A合金大型铸件,分别测试各铸件试样的致密度、力学性能,并结合分析其显微组织和拉伸断口面的微观组织形貌,发现浇注速度为2kg/s、浇注温度为710℃、铸型预热温度为260℃下得到的铸件具有最佳的性能:致密度99.92%、维氏硬度为167.8HV、抗拉强度为486.2MPa,延伸率为8.6%。研究结果表明:数值模拟结果可准确地显示金属液充型的流动情况以及凝固时固相率的改变情况,并对会出现缺陷的区域作出预测显示。用铸造仿真模拟结果辅助前期优化设计,可以将研制周期缩短近60%,同时节约反复调整铸型带来的物料成本。利用优化后的工艺指导铸造生产,铸件的成品率得到明显提高。本研究为ZL205A大型弹体传动件的生产及应用提供技术优化,为其后续生产实践提供借鉴和参考。