某微型涡轮发动机涡轮熔模铸造数值模拟及工艺优化

发布时间：2017-09-16 06:15

  本文关键词：某微型涡轮发动机涡轮熔模铸造数值模拟及工艺优化

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【摘要】：微型涡轮发动机具有尺寸小、推重比大及转速高的优点,在无人机领域得到广泛应用。其涡轮动力系统在水利发电方面的研究开发成为目前新兴能源领域的热点,所以微型涡轮转子的制造是重中之重。由于微型涡轮叶片型面构造复杂,叶间间隙小,传统机械加工制造十分困难,采用熔模铸造方法能够完成微型涡轮整体成型。而且熔模铸造在零件精度、表面粗糙度上优于其他铸造方法,但是熔模铸造工艺过程十分复杂,工艺参数较多,在生产薄壁复杂件方面,产品缺陷较高。本文以某微型涡轮发动机涡轮为研究对象,针对微型涡轮复杂的薄壁叶形结构,采取熔模精密铸造方式。目的在于提高涡轮铸件表面质量,减少涡轮铸件内部缩松、缩孔及浇不足的缺陷。主要开展如下内容:完成了涡轮铸件的三维构造图,确定涡轮铸件的加工余量及涡轮铸件图,进行了涡轮铸件的模具设计及优化,采取左右开模,设计活块进行涡轮叶片成型。根据微型涡轮的结构特点,设计涡轮浇注系统及工艺参数。采用Pro CAST对铸件进行充型-凝固数值模拟分析,利用温度场、速度场及固相分数的分析结果,判断铸件可能产生缩松、缩孔及浇不足等缺陷。对其浇注系统进行优化,采取添加4组拔模角度为-8°的对称内浇道进行涡轮铸件补缩。对模壳预热温度、浇注速度及浇注温度等浇注工艺参数进行优化,其浇注温度为1480℃~1500℃、浇注速度为40mm/s~50mm/s及模壳预热温度为950℃~1050℃。进行微型涡轮熔模铸造工艺过程的方案设计,主要针对压制蜡模和制作型壳工艺进行了设计及优化。采取中温蜡制作蜡模,型壳采用硅溶胶粘结剂,面层材料选用锆石粉,背层材料选用高岭石熟料,优化了制壳参数,确定壳型的脱蜡和焙烧方式,优化了熔模铸造工艺过程。最终通过数值模拟优化的浇注工艺参数以及优化的熔模铸造工艺过程,提高了微型涡轮的质量,获得了一套完整的熔模铸造某微型涡轮发动机涡轮铸造工艺设计。
【关键词】：熔模铸造 涡轮 工艺优化 数值模拟
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK406;TG249.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题目的及意义10-11
• 1.2 熔模铸造概述11-12
• 1.3 熔模铸造的发展概况12-14
• 1.3.1 国内熔模铸造发展概况12-13
• 1.3.2 国外熔模铸造发展概况13-14
• 1.4 熔模铸造数值模拟技术14-18
• 1.4.1 熔模铸造数值模拟仿真技术应用14-15
• 1.4.2 熔模铸造数值模拟软件的功能和应用15-17
• 1.4.3 熔模铸造数值模拟的发展前景17-18
• 1.5 课题的研究内容18-19
• 1.5.1 课题的研究内容18-19
• 2 涡轮铸件的模具设计及浇注系统设计19-29
• 2.1 涡轮几何模型建立19-20
• 2.2 涡轮铸件的模具设计20-25
• 2.2.1 模具设计原则20
• 2.2.2 涡轮铸件模具设计20-25
• 2.3 涡轮铸件浇注系统设计25-27
• 2.3.1 涡轮铸件浇注系统尺寸确定26-27
• 2.4 涡轮铸件浇注工艺参数初步确定27-29
• 2.4.1 涡轮铸件模壳预热温度初步确定27-28
• 2.4.2 涡轮铸件浇注温度初步确定28
• 2.4.3 涡轮铸件浇注速度初步确定28-29
• 2.5 本章小结29
• 3 涡轮铸件充型-凝固的数值模拟29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 熔模铸造对充型-凝固过程数值模拟的特殊要求29-30
• 3.3 数值模拟数学模型的建立30-32
• 3.3.1 充型过程数学模型31-32
• 3.3.2 凝固过程数学模型32
• 3.3.3 结晶潜热32
• 3.4 针对初步工艺的数值模拟32-42
• 3.4.1 有限元网格划分33
• 3.4.2 材料成分及热物性参数33-35
• 3.4.3 边界及初始条件设置35
• 3.4.4 运行条件设置35-38
• 3.4.5 初步工艺数值模拟结果分析38-42
• 3.5 工艺方案改进42-46
• 3.5.1 优化浇注系统三维建模及前处理42-43
• 3.5.2 优化浇注系统模拟结果分析43-45
• 3.5.3 优化浇注工艺参数模拟结果分析45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 4 涡轮铸件应力场数值模拟分析47-59
• 4.1 引言47-48
• 4.2 应力场数学模型48
• 4.3 涡轮铸件热应力数值模拟48-57
• 4.3.1 热应力数值模拟前处理48-49
• 4.3.2 涡轮铸件应力场模拟及分析49-52
• 4.3.3 涡轮铸件变形模拟及分析52-53
• 4.3.4 不同工艺条件下涡轮铸件应力分析53-57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 涡轮铸件的熔模铸造工艺方案设计59-70
• 5.1 熔模铸造工艺概述59-61
• 5.2 压制蜡模61-63
• 5.3 制备涂料及模壳63-66
• 5.4 壳型干燥66
• 5.5 脱蜡与焙烧66-67
• 5.6 熔炼与浇注工艺67-68
• 5.7 熔模铸件的修补和精整68
• 5.8 本章小结68-70
• 总结70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间发表的学位论文及研究成果78

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本文编号：861348