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Al-4.5%Cu合金离心铸造工艺实验研究及有限元分析

周同金  
【摘要】: 离心铸造在精密铸件成形方面具有独特的优势,深入揭示离心力场下的合金缺陷形成和组织的变化规律,对制备优质铸件,缩短生产周期都具有重要的理论意义和应用价值。因此本文采用实验研究和模拟分析相结合的方法,深入分析了凝固成形过程中的合金液的流动行为和显微组织的变化规律。 本文利用实验室自行设计研制成功的离心浇注系统进行离心浇注实验,采用在非真空条件下离心铸造的Al-4.5%Cu合金作为研究对象分析铝合金在浇注过程中的充型行为,并结合铸造模拟软件ProCAST进行模拟对比。通过这些研究给出了减小或防止铝合金离心铸造缺陷的措施。本论文完成了具体以下内容:研究了不同离心转速下Al-4.5%Cu合金充型与凝固行为,对合金液的充型凝固过程进行了测温,进而确立了铸型及铸件温度随时间的变化规律,确定了凝固组织,包括宏观晶粒组织和微观的枝晶间距与冷却速度、离心转速及铸件模数等工艺参数之间的变化规律;应用先进的有限元模拟软件及理论建模方法,分析合金熔体在离心力场及重力场条件下金属与铸型之间界面换热系数,同时应用先进的ProCAST有限元模拟软件进行铸件的浇注过程中速度与压力耦合与不耦合的模拟比较,在精确度与时间方面进行了对比,进行了相关分析,为工艺过程进行了优化,对铸件质量有了有效控制。 研究结果表明:在本文浇注实验条件下,离心充型能力比重力充型能力明显提高,当离心转速由200rpm提高到300rpm时,其充型能力增加有限。重力实验和离心浇注实验的二次枝晶间距随模数的增大而增大。重力实验得到的平均晶粒尺寸随模数的增大而增大,而在离心力场下,平均晶粒尺寸随模数的增大而降低。重力浇注过程模拟中,在充型和凝固方面,速度与压力耦合与不耦合的结果基本相似,所花费时间和精度方面并无太大差别。离心浇注凝固过程中,耦合的算法要明显精确于不耦合的算法。


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