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典型铸钢件的数值模拟分析与工艺改进

作　者: 史东丽
导　师: 王皓；徐贵宝
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械工程
关键词: 铸件凝固过程数值模拟螺旋钻轧臼壁
分类号: TG260
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

凝固是决定铸件质量的关键过程,各种铸造缺陷如缩孔、缩松、变形等产生于这一过程或与之密切相关。液态金属进入型腔之后,温度如何变化,凝固如何进行,缺陷如何形成等,这些对铸造工作者来说均为不可视的过程。如何通过科学计算和形象的描绘,优化最佳方案并形成工艺文件,尽可能以比较少的人力物力生产出优质铸件,是铸造凝固过程数值模拟的主要任务。本文基于数值模拟方法进行典型铸钢件质量预测的研究,利用计算机数值模拟技术,预测典型铸钢件生产中经常出现的缩松,缩孔等铸造缺陷。进而改进工艺,降低铸造成本。通过对选取的典型的2个铸钢件的模拟分析和试验检测,使铸造数值模拟更符合实际生产。螺旋钻铸钢件是河北某大型铸钢厂正在为某煤矿设备企业生产的螺旋钻采煤机所开发的关键零部件。螺旋钻采煤机的使用环境非常恶劣,螺旋钻铸件经常与岩石等介质作用。为了避免在使用过程中出现输送卡煤,刁钻干的现象,螺旋钻铸钢件的铸造内部质量就显得异常重要。提高螺旋钻铸件的内部质量就意味着提高开采效率和提高输送生产率。该厂技术人员对螺旋钻铸钢件设定了原始的铸造工艺。运用数值模拟的方法对原始铸造工艺进行了模拟分析,预测出了可能存在的缩松、缩孔等内部缺陷存在的位置及大小。根据模拟分析预测出来的结果,改进了工艺。同时,对改进后的工艺进行了数值模拟,结果显示基本不存在内部缺陷。按照改进后的工艺进行了样品的浇铸并对浇铸出来的样品进行了X射线检测、超声波探伤检测、解剖检测,经检测,样品基本没有发现缩孔缺陷,满足客户的要求。圆锥破碎机广泛应用在冶金工业、建材工业、筑路工业、化学工业与硅酸工业中,适用于破碎中等和中等以上硬度的各种矿石和岩石。其主要的工作部件就是铸造高锰钢轧臼壁。由于轧臼壁的表面直接接触各种矿石和岩石,承受着高强度的凿削和挤压,因此圆锥破碎机的轧臼壁既要求有高硬度和冲击性能,又要有良好的铸件内部组织。曾发现许多由于轧臼壁铸件的内部质量不好而导致提前更换破碎机内的轧臼壁。这样既导致了极大的浪费,又降低了破碎机的工作效率。对轧臼壁铸件的原始铸造工艺进行了数值模拟分析,预测出按照这样的工艺可能存在多处缩孔缺陷。根据模拟分析预测出来的结果,改进了工艺。同样对改进后的工艺进行了数值模拟,结果显示基本不存在内部缺陷。按照改进后的工艺进行了样品的浇铸并对浇铸出来的样品进行了解剖检测,样品没有发现缩孔缺陷。这样不仅提高了工艺设计的准确性,而且为企业节省了成本,避免了多次实浇造成的损失。通过对上面典型铸钢件工艺凝固过程的数值模拟,实现了数值模拟技术在生产中的实际应用,避免了工艺设计的盲目性,缩短了新工艺的设计周期和设计成本。利用计算机的预生产,提高了工艺的准确性,对提高企业的经济效益、增强企业的竞争力,具有重要的现实意义。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-23
  1.1 课题背景和意义  11-14
  1.2 铸造凝固过程数值模拟的意义  14-16
  1.3 凝固过程数值模拟国内外研究状况  16-21
    1.3.1 国内外凝固模拟技术的研究历史  16-17
    1.3.2 凝固模拟技术的研究对象尺度  17-18
    1.3.3 铸造模拟技术的发展趋势  18-19
    1.3.4 国内外主流模拟软件介绍  19-21
  1.4 本论文的研究内容  21-23
第二章铸件凝固过程数值模拟理论基础  23-32
  2.1 铸件凝固过程的热传分析  23-24
    2.1.1 传导传热  23-24
    2.1.2 对流传热  24
  2.2 导热微分方程的求解  24-27
    2.2.1 铸造过程的有限元分析  25-27
    2.2.2 导热微分方程的变分  27
  2.3 凝固过程数值方程参数的处理  27-29
    2.3.1 初始条件的处理  27
    2.3.2 边界条件的处理  27-28
    2.3.3 热物性参数的处理  28
    2.3.4 潜热的处理  28-29
  2.4 缩孔缩松缺陷判据方法  29-30
  2.5 PROCAST 软件数值模拟原理  30-31
    2.5.1 ProCAST 可以导入的文件类型  30
    2.5.2 Pro/E 有限元网格  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第三章螺旋钻铸件的模拟分析及工艺改进  32-51
  3.1 螺旋钻铸件铸造工艺介绍  32-33
  3.2 螺旋钻铸件铸造数值模拟过程  33-38
    3.2.1 模型的转换及网格划分  33
    3.2.2 热物性参数的设置  33-38
  3.3 铸造充型凝固过程数值模拟  38-42
    3.3.1 充型凝固过程的数值模拟  38-41
    3.3.2 数值模拟结果分析  41-42
  3.4 充型凝固工艺改进  42-45
    3.4.1 工艺改进后的数值模拟  42-45
    3.4.2 数值模拟结果分析  45
  3.5 螺旋钻铸件铸造试验验证  45-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章圆锥破碎机轧臼壁铸件的模拟分析及工艺改进  51-68
  4.1 圆锥破碎机轧臼壁铸件铸造工艺介绍  51-53
  4.2 圆锥破碎机轧臼壁铸件铸造数值模拟过程  53-58
    4.2.1 模型转换及网格划分  53-54
    4.2.2 热物性参数的设置  54-58
  4.3 铸造充型凝固过程数值模拟  58-61
    4.3.1 充型凝固过程的数值模拟  58-59
    4.3.2 数值模拟结果分析  59-61
  4.4 充型凝固工艺改进  61-66
    4.4.1 工艺改进后的数值模拟  63-65
    4.4.2 数值模拟结果分析  65-66
  4.5 圆锥破碎机轧臼壁铸件试验验证  66
  4.6 本章小结  66-68
第五章总结与展望  68-70
  5.1 全文的工作总结  68-69
  5.2 论文存在的不足和今后的工作方向  69-70
参考文献  70-72
致谢  72-73
攻读硕士期间发表的学术论文  73-75

典型铸钢件的数值模拟分析与工艺改进

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