大型铝合金支架间接挤压铸造的工艺设计、试制与应用分析

摘要

挤压铸造是一种净精确材料成形方法。其优点是：金属液充型比较平稳，铸件在压力下结晶凝固补缩效果好，得到的铸件致密度高、晶粒细化、力学性能优良、尺寸精度高。 本文结合大型复杂支架零件的“以铝代铁”攻关和轻量化升级换代，针对该支架零件间接挤压铸造成形的研究，利用了基于有限差分法的数值模拟软件AnyCasting，初选四组不同的浇注温度和压射速度，对大型铝合金支架间接挤压铸造充型过程进行了数值模拟，分析了内浇口速度及可能发生的气体和氧化膜卷入，根据充型过程的温度变化，讨论了充型过程液态金属可能发生的凝固，以此选定了铝合金支架间接挤压铸造的合理浇注温度和压射速度分别为700℃和0.03m／s。然后对选定的工艺参数进行了间接挤压铸造充型和凝固过程的数值模拟，模拟结果表明，该工艺条件下内浇口最大充填速度约为0.22m／s，可以避免和减少紊流的产生，铝合金液的流动状态和充型顺序合理；充型结束后的凝固过程温度场分布表明，铸件在充型结束后从边缘向中心依次凝固，保证了挤压压力能够从“挤压料饼—支架中心—支架边缘”的有效传递，从而使铸件各部分都能在压力下凝固，得到健全的挤压铸造组织，以抑制缩孔和缩松等缺陷的产生。通过对模拟结果中充型过程金属液流动状态的分析，确定了支架间接挤压铸造模具溢流槽和排气孔的分布与位置，并进一步设计了模具结构，在数控加工中心，采用H13热作模具钢制作了支架间接挤压铸造模具。 在支架间接挤压铸造的试制过程中，分析了试制铸件的气孔和氧化夹渣缺陷产生的原因，通过调整脱模剂的配方、适当减少脱模剂的喷涂、加快试制过程节奏缩短挤压铸造循环时间等方法控制和改进工艺参数，最终获得了质量和性能良好的支架铸件。对T5热处理后支架铸件本体取样进行了力学性能测试试验，测得铝合金支架中心部位平均抗拉强度和延伸率分别达到350.6Mpa和7.4％，边缘部分平均抗拉强度和延伸率分别达到399.2Mpa和9.2％。对支架铸件的本体取样进行了金相组织观察，结果表明，其组织致密、未见明显孔洞；晶粒细化，组织晶粒度在0.02-0.08mm之间。该结果表明，基于数值模拟分析的模具结构和工艺参数设计的合理性和准确性，有效地缩短了项目的试制周期和节约了攻关成本。 利用有限元分析软件ANSYS对球墨铸铁和铝合金支架零件的使用，进行了结构静力学分析，包括：三维建模、网格划分、定义载荷和约束、求解等。得出了两者的应力和应变分布图、最大应力和应变，铝合金支架在工作负荷下的最大位移量为0.28mm，最大应力463Mpa，最大应力主要表现为压应力。根据铝合金支架的力学性能检测结果，铝合金支架零件可以满足实际使用的要求，为确保铝合金支架实现“轻量化”升级换代提供了理论计算依据。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章支架挤压铸造数值模拟与工艺设计

第三章支架挤压铸造试制与分析

第四章支架结构静力有限元分析

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢