螺旋推进—斜坡冷却法制备半固态坯料装置设计及过程模拟

论文摘要

半固态坯料的制备方法有很多种,例如机械搅拌法、应变诱发熔化激活法、喷射沉积法、超声波处理法、粉末冶金法等。但这些传统工艺或者适用合金范围小,或者存在自身难以克服的缺点,且以上传统工艺制备坯料尺寸过小。因此针对这些问题,通过螺旋推进和斜坡控制冷却的双重工艺,来制备较大尺寸的坯料以及实现组织的均匀性。本项目研究的螺旋推进-斜坡控制冷却半固态坯料的制备技术,是一种全新的半固态制坯技术。浆料通过倾斜的机筒,在螺旋推进作用下,在近固相的条件下,快速进入到坯料结晶器,结晶器可实现水冷却,得到均匀、细密的坯料组织。浆料在倾斜管中流动时被迅速冷却,同时受到重力的剪切和螺杆的剪切搅拌作用,形核率非常大,粗大枝晶被打碎,半固态合金逐渐由树枝晶演化为细小的球形晶。本课题主要任务是装置的设计及双螺杆搅拌流场的模拟。这套装置主要包括动力装置,传动装置,工作装置及其它部分的设计和选用,其中重点是机筒及工作主体螺杆的设计。采用组合式机筒,在保证加工工艺和提高工作效率的同时,在机筒中设计冷却室和冷却管来实现对浆料的冷却。螺杆采用自扫型,相互啮合,具有自清洁功能,其螺杆几何学是根据相对运动原理推导出来,是螺杆设计的基础。采用同向旋转螺杆,以提供更大的剪切速率,可以更好的细化晶粒。本文对啮合同向双螺杆挤出机螺纹流道中浆料流动进行了三维非牛顿等温模拟。由双螺杆几何学建立了螺杆的数学模型,应用ANSYS软件进行有限元求解,得到螺纹流道的速度场、压力场、粘度场、剪应力场、浆料流动和不同错列角啮合块的速度场。结果表明螺纹流道在螺杆不同转速下,流场最大速度集中在螺顶区,压力沿轴向逐渐增加,粘度场中粘度随着螺杆转速的增大而变小,剪应力在螺顶区最大且随着螺杆转速的增加而增大,浆料在机筒内作“∞”形流动,错列角30°的啮合块最利于得到性质均匀的浆料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 半固态金属成形技术概述
• 1.1.1 半固态金属成形技术在国内的应用现状
• 1.1.2 半固态金属成形技术在国外的应用现状
• 1.2 半固态坯料制备方法
• 1.3 啮合同向双螺杆挤出机装置介绍
• 1.4 半固态数值模拟
• 1.4.1 流变铸造过程的数值模拟
• 1.4.2 触变铸造过程的数值模拟
• 1.5 课题来源及研究的目的和意义
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第2章 装置设计
• 2.1 螺杆设计
• 2.1.1 螺杆类型的选择
• 2.1.2 双头螺杆的选择
• 2.1.3 自扫型双螺杆的选择
• 2.2 啮合同向自扫型常规螺纹元件几何学
• 2.2.1 啮合原理
• 2.2.2 端面曲面的形成及其数学模型
• 2.2.3 螺杆的数学模型
• 2.2.4 中心距与螺顶角的关系
• 2.2.5 同向啮合双螺杆横截面的曲面形状
• 2.2.6 螺杆设计参数
• 2.3 捏合块设计
• 2.3.1 单个捏合盘
• 2.3.2 捏合块
• 2.4 机筒设计
• 2.4.1 机筒元件结构形式
• 2.4.2 本装置机筒
• 2.5 电机的选用
• 2.6 减速器的设计
• 2.6.1 联轴器的选择
• 2.6.2 轴承的选择
• 2.6.3 装置生产能力的计算
• 2.7 辅助装置的设计
• 2.7.1 工作平台的设计
• 2.7.2 牵引台的设计
• 2.8 本章小结
• 第3章 流场模拟的理论基础及本构方程
• 3.1 数值计算方法介绍
• 3.1.1 有限差分法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 有限体积法
• 3.2 ANSYS软件介绍
• 3.3 半固态数值模拟的基本方程
• 3.4 半固态金属的本构关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 螺纹元件流场分析
• 4.1 流场分析模型的建立
• 4.1.1 实体模型
• 4.1.2 有限元模型
• 4.2 流动特性分析
• 4.2.1 流场粘度和剪应力分析
• 4.2.2 螺纹流道压力场分析
• 4.2.3 浆料流动
• 4.2.4 速度场分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢