本文關(guān)鍵詞：葉輪快速成型件的熔模鑄造工藝與數(shù)值模擬研究

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【摘要】：熔模鑄造是一種材料凈成型技術(shù),通過該技術(shù)可生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密鑄件。但其工藝存在制造過程繁瑣,生產(chǎn)周期較長、廢品率較高等缺點。計算機模擬仿真技術(shù)和快速成型技術(shù)的迅速發(fā)展為熔模鑄造帶來新的發(fā)展方向,這些技術(shù)可以縮短熔鑄鑄造的試驗和生產(chǎn)周期,提高經(jīng)濟效益和市場競爭力。本文就數(shù)值模擬和FDM快速成型技術(shù)在熔模鑄造中應(yīng)用進行了研究,借助于數(shù)值模擬仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計葉輪澆注方案;借助于快速成型技術(shù)快速生成PLA葉輪模具,簡化了工藝流程縮短了制模時間,最后通過澆注驗證了數(shù)值模擬的準確性和快速制模的可行性。首先,用三維繪圖軟件Pro/E繪制了葉輪模型,然后對葉輪模型設(shè)計了頂注式澆注方案,再運用鑄造數(shù)值模擬軟件ProCAST對頂注式方案進行了數(shù)值模擬,具體工藝參數(shù)設(shè)置為:澆注鋁合金液溫度720℃,澆注速度0.15m/s,將型殼預(yù)熱到300℃。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:充型過程存在紊流,葉片中心部位產(chǎn)生較大的縮松縮孔缺陷,并且葉片根部與殼體連接處存在221Mpa應(yīng)力易造成鑄件缺陷。改進方案采用了側(cè)注式澆注系統(tǒng),在殼體上中下部位各設(shè)置一個澆口,模擬試驗參數(shù)與原方案相同,結(jié)果表明側(cè)注式澆注系統(tǒng)充型過程平穩(wěn),橫澆道和內(nèi)澆口的設(shè)計有助于順序凝固,讓鑄件得到有效的補縮,降低了葉片的縮孔縮松。最大縮孔率為0.69出現(xiàn)在葉片和殼體連接部位,最大應(yīng)力為158Mpa出現(xiàn)在葉片根部。側(cè)注式澆注方案縮松縮孔率和最大有效應(yīng)力均小于頂注式方案且滿足使用需求。其次,運用FDM快速成型技術(shù),使用了自制的kossel結(jié)構(gòu)FDM 3D打印機打印出葉輪實體模型,對提高鋁合金葉輪FDM打印精度做了相關(guān)討論和分析,根據(jù)PLA和鋁合金的收縮率建立了修正比例為1.013的模型,針對葉輪的結(jié)構(gòu)特征在每個葉片下面設(shè)置20mm*20mm*14mm的支撐,支撐選擇30%填充,葉輪主體采用100%填充。每個單層設(shè)置三層輪廓,直線填充,層高0.2mm,填充速度70mm/s,打印托盤溫度設(shè)置為60℃.經(jīng)過2小時打印后獲得葉輪模型,去除支撐后獲得葉輪實體,最后通過快速成型2小時成功制作出精度為0.2mm的PLA葉輪實體。將葉輪模型粘接在蠟澆道后,根據(jù)模具的特性選擇硅溶膠作為粘接劑制定了4層制殼工藝。最后,研究了脫PLA模的過程。用高壓釜脫蠟后進行焙燒脫去PLA模,清洗檢查后進行澆注。在焙燒過程中,加熱溫度至250℃后保持一個小時,P LA葉輪模型分解為二氧化碳、水、乙醛、一氧化碳,實現(xiàn)了脫PLA模。并使用模擬方案的工藝參數(shù)進行澆注。實驗表明,快速成型的PLA模具可以應(yīng)用于熔模鑄造,葉輪鑄件完整質(zhì)量良好驗證了數(shù)值模擬的準確性。以上研究結(jié)果表明,ProCAST數(shù)值模擬軟件可以準確預(yù)測熔模鑄造的缺陷,對產(chǎn)品試制階段工藝參數(shù)、澆注方案的設(shè)計和改進提供了可靠的參考;使用FDM成型制作的PLA葉輪模型可直接作為熔模鑄造模具具有可行性,為FDM快速成型技術(shù)在熔模鑄造上應(yīng)用提供探索的案例和方法。
【關(guān)鍵詞】：葉輪 熔模鑄造 數(shù)值模擬 快速成型
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG249.5;TP391.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-28
• 1.1 引言13-14
• 1.2 熔模鑄造的技術(shù)簡介14-16
• 1.3 熔模精密鑄造發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀16-19
• 1.3.1 熔模鑄造發(fā)展的歷史16-18
• 1.3.2 我國現(xiàn)代熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展18-19
• 1.4 熔模鑄造CAE技術(shù)19-20
• 1.4.1 鑄造CAE技術(shù)的發(fā)展19-20
• 1.5 3D打印技術(shù)簡介20-27
• 1.5.1 3D打印技術(shù)的原理和特點21-22
• 1.5.2 快速成型技術(shù)的典型工藝22-26
• 1.5.3 快速成型制造技術(shù)26-27
• 1.6 本文研究的背景內(nèi)容及意義27-28
• 1.6.1 課題研究的背景及意義27
• 1.6.2 課題研究內(nèi)容27-28
• 第二章 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)28-37
• 2.1 引言28
• 2.2 充型過程模擬理論依據(jù)28-29
• 2.3 凝固過程的理論基礎(chǔ)29-31
• 2.3.1 熱傳導(dǎo)29-30
• 2.3.2 熱對流30
• 2.3.3 熱輻射30-31
• 2.4 凝固過程熱應(yīng)力場模擬的理論模型31-33
• 2.4.1 應(yīng)力、應(yīng)變和位移的相互關(guān)系31-32
• 2.4.2 熱彈性塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程32-33
• 2.5 縮孔縮松的形成原理與預(yù)測判據(jù)33-34
• 2.5.1 縮孔縮松的形成機理與預(yù)測判據(jù)33-34
• 2.6 數(shù)值模擬軟件的選用34-36
• 2.6.1 ProCAST的簡介34-35
• 2.6.2 ProCAST軟件的模擬流程35-36
• 2.7 本章小結(jié)36-37
• 第三章 鋁合金葉輪熔模鑄造工藝分析及數(shù)值模擬研究37-51
• 3.1 引言37
• 3.2 葉輪結(jié)構(gòu)材料分析37-38
• 3.3 葉輪鑄造工藝方案分析38-39
• 3.3.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計種類38
• 3.3.2 鋁合金葉輪頂注式澆注的模擬與分析38-39
• 3.4 葉輪數(shù)值模擬與前處理參數(shù)設(shè)置39-41
• 3.4.1 材料熱物性參數(shù)設(shè)定39-41
• 3.4.2 邊界條件和初始條件設(shè)置41
• 3.5 初始方案數(shù)值模擬結(jié)果及分析41-45
• 3.5.1 充型過程模擬及分析41-43
• 3.5.2 凝固過程模擬及分析43-45
• 3.5.3 縮松縮孔缺陷和應(yīng)力分析45
• 3.6 改進澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬及結(jié)果分析45-50
• 3.6.1 改進后的澆注系統(tǒng)設(shè)計45-46
• 3.6.2 充型過程模擬及分析46-48
• 3.6.3 凝固過程模擬及分析48-49
• 3.6.4 縮松縮孔模擬及分析49-50
• 3.7 本章小結(jié)50-51
• 第四章 葉輪快速成型51-69
• 4.1 引言51-52
• 4.2 Kossel結(jié)構(gòu)的快速成型機的簡介52-54
• 4.2.1 擠出機構(gòu)52-53
• 4.2.2 效應(yīng)器53-54
• 4.2.3 打印平臺54
• 4.2.4 熱熔絲耗材54
• 4.3 葉輪的快速成型54-58
• 4.4 型殼制作58-59
• 4.5 型殼材料的選擇59-61
• 4.6 硅溶膠型殼的制備61-64
• 4.7 型殼的脫蠟、脫PLA和焙燒64-65
• 4.8 鋁合金的熔煉與澆注及后處理65-68
• 4.8.1 鋁合金的熔煉工藝流程65-66
• 4.8.2 鋁合金液的澆注66
• 4.8.3 鑄件的后期處理66-68
• 4.9 本章小結(jié)68-69
• 第五章 總結(jié)與展望69-71
• 5.1 本文的主要工作總結(jié)69-70
• 5.2 前景展望70-71
• 參考文獻71-75
• 致謝75-76
• 在讀學位期間發(fā)表的論文76

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