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曲轴铁型覆砂铸造温度场模拟及其生产线自动控制的研究

作　者: 李涛
导　师: 马晓春；潘东杰
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 曲轴铁型覆砂温度场模拟自动化生产线冷却器
分类号: TG242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

曲轴是发动机上一个很重要的零部件,开发制造高质量的曲轴对于提高发动机性能有着很重要的意义。选用铁型覆砂铸造工艺虽然可以满足它的要求,但是目前该工艺及其生产线还存在一些问题,因此本文对其进行了如下研究及改进:利用ANSYS分析软件对该凝固过程的温度场进行了数值模拟,分析铸件、覆砂层以及铁型在不同时段的温度场分布和冷却曲线,确定了开箱的最佳时间以及覆砂层和铁型的厚度,为优化铸造工艺提供了科学依据。研究并设计曲轴铁型覆砂铸造生产线及其自动控制系统,重点分析了该生产线的生产要求、工艺流程、主要装备功能及工作流程和生产线的布置。在此基础上,设计并实现了基于现场总线的自动控制系统,主要包括控制系统总体设计、硬件选型、系统软件和上位监控的设计。针对生产线铁型冷却控制较难和电动小车定位不够精准的问题,本文分别对其进行了改进:设计了冷却器的PLC自动控制系统,通过ANSYS软件分析铁型冷却温度场,PLC根据曲线拟合得到的铁型温度与冷却时间的关系式对冷却器的喷水时间进行自动控制;设计了基于PLC的步进电机精确定位闭环控制系统,利用PLC、驱动器、步进电机以及编码器组成的闭环控制系统对电动小车的运动进行精确控制,提高其工作效率。铁型覆砂铸造工艺可以提高铸件质量及生产效率,降低综合成本。其市场前景广阔,经济效益显著,因此研究开发铁型覆砂制造装备及自动化生产线对于促进铸造行业的发展具有重大意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 课题项目背景  11
  1.2 曲轴生产背景  11-12
  1.3 曲轴生产方法现状  12-13
  1.4 铁型覆砂铸造原理  13-16
    1.4.1 热交换原理  13-15
    1.4.2 工艺比较  15-16
  1.5 铁型覆砂铸造的发展及其应用  16-18
  1.6 铁型覆砂铸造生产线存在的问题  18
  1.7 本文研究目的及主要内容  18-20
第2章基于ANSYS 的曲轴铁型覆砂铸造温度场模拟的研究  20-38
  2.1 引言  20
  2.2 铁型覆砂铸造凝固冷却过程传热模型的建立  20-21
    2.2.1 传热的基本方式  20-21
    2.2.2 铸件凝固过程传热模型  21
  2.3 初始条件和换热系数  21-23
    2.3.1 初始条件  22
    2.3.2 铁型覆砂铸造换热系数的计算  22-23
  2.4 ANSYS 软件分析  23-27
    2.4.1 单元选择  24
    2.4.2 几何建模  24-26
    2.4.3 网格的划分  26-27
  2.5 求解及结果分析  27-36
    2.5.1 求解方法  27
    2.5.2 计算结果  27
    2.5.3 结果分析  27-36
  2.6 本章小结  36-38
第3章铁型覆砂铸造生产线工艺流程及装备设计  38-47
  3.1 引言  38
  3.2 曲轴铁型覆砂铸造生产线要求  38-39
    3.2.1 生产线环境条件  38-39
    3.2.2 生产线基本要求  39
  3.3 铁型覆砂铸造生产线工艺流程  39-40
  3.4 生产线主要装备设计  40-45
  3.5 生产线布置  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章铁型覆砂铸造生产线综合自动控制系统的设计  47-67
  4.1 引言  47
  4.2 生产线控制总体设计  47-48
  4.3 控制系统硬件选型  48-55
    4.3.1 上位机  48-49
    4.3.2 主站控制器  49-50
    4.3.3 主站控制柜  50-51
    4.3.4 变频调速器  51-53
    4.3.5 传感器  53-55
  4.4 系统软件设计  55-60
    4.4.1 STEP7 简述  55
    4.4.2 程序设计  55-59
    4.4.3 组态设计  59-60
  4.5 系统监控设计  60-65
    4.5.1 组态王6.5 介绍  60-61
    4.5.2 通讯方式  61
    4.5.3 软件设计  61-65
  4.6 本章小结  65-67
第5章铁型冷却分析及冷却器的自动控制设计  67-80
  5.1 引言  67
  5.2 总体设计思路  67-68
  5.3 铁型水冷分析方法  68-69
  5.4 ANSYS 模拟水冷及空冷温度场  69-73
    5.4.1 单元选择  69
    5.4.2 模型建立  69
    5.4.3 网格划分  69-70
    5.4.4 初始条件及边界条件  70-71
    5.4.5 分析与讨论  71-73
  5.5 曲线拟合  73-76
  5.6 水冷自动控制系统的设计  76-79
    5.6.1 系统的整体设计方案  76-77
    5.6.2 冷却器自控系统软件设计  77-79
  5.7 本章小结  79-80
第6章基于PLC 的步进电机精确定位闭环自动控制系统的设计  80-89
  6.1 引言  80
  6.2 电动小车的工作流程  80-81
  6.3 总体控制方案设计  81
  6.4 主要硬件设计及选型  81-84
    6.4.1 可编程控制器 PLC  81-82
    6.4.2 驱动器  82-83
    6.4.3 步进电机  83
    6.4.4 编码器  83-84
  6.5 程序设计  84-88
    6.5.1 程序设计流程图  84-85
    6.5.2 控制程序主要组件信息  85-86
    6.5.3 控制系统部分程序梯形图  86-88
  6.6 本章小结  88-89
第7章结论与展望  89-91
  7.1 结论  89-90
  7.2 展望  90-91
参考文献  91-94
致谢  94-95
攻读学位期间参加的可研项目和成果  95

曲轴铁型覆砂铸造温度场模拟及其生产线自动控制的研究

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