铝合金大同步带轮金属型铸造工艺优化

论文摘要

大同步带轮是医用CT机上重要的部件之一，材料为ZL111，目前多采用砂型铸造。由于铝合金熔体具有严重的氧化和吸气倾向，而ZL111为亚共晶铝合金，凝固过程中，缩松倾向性明显，导致铸件极易出现各种缺陷，使合金的力学性能很难达到要求，出现产品合格率低的问题。为了解决大同步带轮铸件成品率低的问题，本课题以大同步带轮为研究对象，采用金属型铸造，设计了铸造工艺方案，并根据金属型铸造充型的流动特点，利用Z-Cast铸造工艺数值模拟软件研究大同步带轮铸造充型及凝固过程，预测了缺陷产生原因，并通过计算机模拟实现了对铸造工艺的优化，达到了提高铸件综合力学性能和合格率的目的。首先，为了保证充型过程平稳进行，防止铝合金产生氧化和夹渣等缺陷，采用底注式浇注系统，分设三个横浇道进行充型。同时，为保证补缩效果，采用缝隙式浇道对铸件本体进行充填。由于铸件上沿处距离缝隙浇道距离远，难以通过浇道补缩，因此，在铸件顶部设置三个补缩冒口。充型凝固模拟结果表明：铸件充型良好，未出现浇不足、缩孔等缺陷，冷却凝固过程缝隙浇道和冒口的补缩效果良好。根据模拟结果，分析了凝固过程缺陷产生原因，提出缺陷的预测方法，从而确定合理的工艺参数：T模=240℃、T砂=25℃、T浇=710℃、t浇=25s。采用本课题优化后的工艺生产了大同步带轮，采用535℃（±5℃）×5h+170℃（±5℃）×6h空冷处理后，ZL111同步带轮的本体极限抗拉强度为295MPa，伸长率为2％，硬度HB86，满足了对力学性能的要求；产品加工后无明显缺陷。说明，本课题模拟优化后的工艺与实际生产相吻合，可以用于指导大型圆环状铝铸件的开发过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 铝合金的应用和发展情况
• 1.3 计算机模拟在铸造中的应用现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 凝固模拟软件的开发应用状况
• 1.4 本课题研究内容
• 第二章 金属型铸造大同步带轮数值模拟基本理论和处理方法
• 2.1 充型过程分析
• 2.1.1 流场分析数学模型
• 2.1.2 模型求解
• 2.1.3 边界条件
• 2.2 凝固过程分析
• 2.2.1 传热问题基本方程
• 2.2.2 传热方程离散化
• 2.3 大同步带轮凝固缩松、缩孔缺陷预测
• 2.3.1 缩松、缩孔的分类及形成机理
• 2.3.2 缩孔、缩松缺陷的主要预测方法
• 第三章 大同步带轮的计算机辅助设计与工艺优化
• 3.1 大同步带轮计算机辅助设计
• 3.1.1 大同步带轮铸造工艺方案一
• 3.1.2 大同步带轮铸造工艺方案二
• 3.1.3 大同步带轮铸造工艺方案三
• 3.2 大同步带轮铸造工艺设计原则
• 3.2.1 浇注系统的设计原则
• 3.2.2 冒口设计的基本原则
• 3.2.3 铸型工艺参数的选择
• 3.2.4 除渣滤网
• 3.3 大同步带轮计算机辅助工程分析
• 3.3.1 前处理功能
• 3.3.2 模拟计算功能
• 第四章 生产验证
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 合金成分
• 4.1.2 熔配合金用原材料及熔炼工艺
• 4.1.3 金属型铸造工艺方案
• 4.1.4 大同步带轮的生产过程
• 4.1.5 性能检测
• 4.2 生产试验结果及分析
• 4.2.1 试棒的力学性能
• 4.2.2 大同步带轮的宏观形貌
• 4.2.3 大同步带轮的微观组织
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢