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大高径比ZA27合金铸件挤压铸造过程数值模拟

侯君  
【摘要】:挤压铸造又称液态模锻,是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺,兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造的特点是金属在压力下充型和凝固,因而挤压铸件的晶粒细小、组织致密、具有很低的缩孔和缩松倾向,可以达到与锻件媲美的力学性能;铸件与模具表面接触紧密因而表面质量好、精度高、机械加工余量小。高铝锌基合金具有优良的力学性能、耐摩性能、机加工性能、以及密度小、熔点低、原材料来源丰富和成本低等优点。但是高铝锌基合金具有结晶温度范围宽,锌铝密度差异大等特点,在通常的铸造条件下易出现缩松、偏析等缺陷,导致力学性能特别是塑性和韧性降低,从而限制了其应用。锌铝合金挤压铸造结合了挤压铸造和锌铝合金的优点,在当今对铸件质量要求越来越高的形势下,具有广阔的发展前景。但是,到目前为止,国内外的研究工作集中在高径比小于3.0的铸件上,为了扩大挤压铸造的适用范围,对大高径比挤压铸件的研究就显得尤为重要。 本文利用大型有限元模拟软件ANSYS对大高径比柱形挤压铸件的温度场和应力场进行了数值模拟。在温度场的模拟过程中,把整个过程分为自由凝固和冲头加压凝固两个阶段。在对结晶潜热处理的过程中,充分考虑了ZA27合金宽结晶温度范围特点,采用热焓法处理。在挤压铸造过程中,挤压变形时的变形速率对铸件的应力场影响较小,而对挤压铸件应力分布起决定作用的是外层已凝固高温金属和模具之间的摩擦力和高温固相金属的力学性能。因此,综合考虑挤压铸造应力场模拟的特点,本文采用弹塑性力学模型对挤压铸件进行了应力场热力耦合模拟,将不同时刻铸件的温度场作为载荷施加到应力场的模拟过程中,模拟大高径比挤压铸件内部比压的分布。同时通过改变铸件与模具之间的摩擦系数、高径比等工艺参数对大高径比挤压铸件的压力损失规律进行了讨论与分析,对扩大挤压铸造的应用范围和大高径比挤压铸件的实际生产具有一定的指导作用。最后,以高脚杯形挤压铸件作为大高径比挤压铸件的实例,对其挤压铸造过程中的温度场和应力场进行了模拟和分析。


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