叶轮快速成型及熔模铸造过程仿真研究

发布时间：2021-04-26 22:19

　　作为动力设备中的典型透平件,叶轮不仅应用在汽车、船舶和电力等行业,也广泛的应用在航空、航天等高端领域中。传统的叶轮制造多采用机加工和铸造方式,但由于叶轮的叶片为复杂空间曲面,加工时间较长且成本高昂。考虑到熔模铸造技术制造复杂薄壁铸件的精度较高,本文将其作为叶轮的制造方法。针对传统的熔模铸造工艺流程较长的问题,本文结合熔融沉积快速成型技术制造叶轮及浇注系统的树脂熔模,替代传统熔模铸造工艺中的蜡模。并针对传统熔模铸造的结果随机性较大的问题,使用铸造仿真模拟技术对叶轮铸造过程进行仿真和工艺优化,以提升铸造的成功率。整个研究过程内容可以概括为:首先将一种已有的结构优良的叶轮作为原型件,运用逆向扫描技术获得点云数据,并采用Imageware软件对点云进行处理,重建叶轮模型。随后在FDM快速成型叶轮环节,分析优化了影响叶轮树脂件成型精度的典型参数,获得成型质量较好的叶轮件。其次针对叶轮特点设计初始浇注系统,通过铸造过程数值模拟技术进行模拟仿真及优化,采用优化后的浇注系统和浇注工艺参数指导实际铸造过程。最后实验验证环节,通过制壳,浇注和后处理等环节,获得成型完整、表面粗糙度低于4.10μm的叶轮铸件... 

【文章来源】：西安工业大学陕西省

【文章页数】：96 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外熔模铸造研究现状
        1.2.2 铸造过程数值模拟技术的国外研究现状
        1.2.3 我国熔模铸造的研究现状
        1.2.4 铸造过程数值模拟技术国内研究现状
    1.3 研究目的及意义
        1.3.1 研究目的
        1.3.2 研究的意义
    1.4 研究工作的主要内容
        1.4.1 叶轮树脂熔模快速制造研究
        1.4.2 基于叶轮熔模精铸充型与凝固过程的模拟仿真研究
        1.4.3 基于熔模精铸工艺的铝合金叶轮铸造
    1.5 本论文的结构规划
2 叶轮的逆向重建与误差分析
    2.1 逆向建模技术概述
    2.2 本文使用的扫描设备及原理
    2.3 叶轮逆向扫描过程
        2.3.1 系统标定
        2.3.2 扫描准备
        2.3.3 开始扫描
    2.4 叶轮点云数据处理及模型重建过程
        2.4.1 叶轮点云数据的处理过程
        2.4.2 逆向重建叶轮模型过程的误差分析
    本章小结
3 叶轮熔模成型精度分析和实验验证
    3.1 FDM快速成型技术的原理概述
    3.2 FDM快速成型前处理过程误差分析
        3.2.1 模型的收缩误差分析
        3.2.2 模型文件格式转化误差分析
    3.3 成型工艺参数对成型质量的影响分析
        3.3.1 分层厚度与成型方向对成型质量的影响分析
        3.3.2 挤出速度与填充速度对成型质量的影响分析
        3.3.3 喷头温度与环境温度对成型质量的影响分析
        3.3.4 理想轮廓线补偿量对成型尺寸精度的影响分析
        3.3.5 快速成型过程翘曲变形的形成机理及控制
    3.4 叶轮快速成型的试验验证
        3.4.1 叶轮的快速成型试验
        3.4.2 叶轮件的成型质量检测
    本章小结
4 叶轮熔模铸造数值模拟仿真分析
    4.1 叶轮初始浇注系统设计
        4.1.1 浇注系统的设计原则
        4.1.2 初步浇注系统的选型
        4.1.3 初始浇注系统结构尺寸计算
    4.2 叶轮熔模铸造数值模拟过程
        4.2.1 铸造过程数值模拟技术概述
    4.3 铸造充型凝固过程的数学模型
        4.3.1 充型过程的数学模型
        4.3.2 凝固过程的数学模型
        4.3.3 缩松缩孔判据
    4.4 叶轮熔模铸造数值模拟仿真的前处理
        4.4.1 浇注系统网格划分及型壳参数设置
        4.4.2 熔模浇注系统的材料添加和属性设置
        4.4.3 界面类型确定及换热系数的设置
        4.4.4 过程参数（Process condition）的确定
    4.5 初始浇注系统设计的模拟结果
        4.5.1 充型过程的模拟结果分析
        4.5.2 凝固过程的模拟结果分析
        4.5.3 铸造缺陷预测结果分析
    4.6 仿真结果分析及初始浇注系统结构优化
        4.6.1 浇注系统结构优化设计
    4.7 结构优化后的模拟仿真
        4.7.1 充型过程模拟仿真结果分析
        4.7.2 凝固过程模拟仿真结果分析
        4.7.3 应力场及位移模拟仿真结果分析
        4.7.4 缩松缩孔缺陷预测结果及分析
    本章小结
5 浇注工艺参数优化及铸造实验验证
    5.1 铸造过程的工艺参数优化
        5.1.1 正交试验设计
        5.1.2 正交试验结果分析
        5.1.3 试验参数优化后的模拟结果
    5.2 叶轮熔模铸造的实验验证
        5.2.1 熔模铸造型壳选材
        5.2.2 型壳浆料的制备
        5.2.3 涂挂浆料及撒砂
        5.2.4 型壳的干燥过程控制
        5.2.5 型壳脱模及焙烧
    5.3 浇注与铸件后处理
        5.3.1 铝合金的熔炼
        5.3.2 浇注后处理
        5.3.3 叶轮铸件表面粗糙度测量
        5.3.4 叶轮铝合金铸件尺寸偏差检测
        5.3.5 叶轮铝合金铸件的荧光检测
    本章小结
6 总结和展望
    6.1 研究课题总结
    6.2 对叶轮熔模铸造未来研究的展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文与知识产权
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ProCAST的薄壁叶片熔模精铸过程模拟[J]. 曹岩,张浩,石亚茹,黄亮.  特种铸造及有色合金. 2018(11)
[2]DLP光固化快速成型设备技术分析[J]. 廖钊华,邓君.  机电工程技术. 2018(09)
[3]开拓增材制造的无限可能[J]. DMG MORI;.  金属加工(冷加工). 2018(09)
[4]加热方式对FDM工艺制品拉伸性能的影响[J]. 杨勇,马昊鹏,焦志伟,何雪涛,党开放.  工程塑料应用. 2018(08)
[5]浅析熔模铸造工艺设计中工艺补偿的应用[J]. 张之卫.  金属加工(热加工). 2018(08)
[6]选择性激光烧结制件翘曲变形研究现状与模型改进[J]. 郭长城,张国祥.  内燃机与配件. 2018(07)
[7]熔模铸造用型壳材料的优选[J]. 李爱农,潘宇飞,何博,李蓓.  热加工工艺. 2018(05)
[8]熔模铸造钛合金直齿面齿轮快速成形工艺[J]. 张浩,白瑀,黄亮.  特种铸造及有色合金. 2018(02)
[9]Impact of Impeller Stagger Angles on Pressure Fluctuation for a Double-Suction Centrifugal Pump[J]. Da-Chun Fu,Fu-Jun Wang,Pei-Jian Zhou,Ruo-Fu Xiao,Zhi-Feng Yao.  Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(01)
[10]非接触式三维扫描仪的设计[J]. 齐建家,吴东奇,杨洋.  价值工程. 2018(07)

博士论文
[1]机器视觉测量方法及曲面重构技术研究[D]. 赵萍.沈阳农业大学 2011

硕士论文
[1]叶片熔模精铸虚拟仿真与快速成型技术研究[D]. 王永明.西安工业大学 2018
[2]基于快速成型的带气膜孔叶片熔模精铸研究[D]. 石亚茹.西安工业大学 2018
[3]铝合金浇注系统及补缩系统设计与软件开发[D]. 郭潇群.中北大学 2018
[4]无机粘结剂砂在汽车铸件高效制芯工艺中的研究[D]. 于志勇.大连交通大学 2017
[5]单晶定向凝固用复合改性型壳的工艺优化与性能研究[D]. 孟祥锋.江苏大学 2017
[6]冰模快速成型微滴喷射关键技术研究[D]. 魏振先.山东理工大学 2017
[7]PLA熔融沉积成型工艺的优化研究[D]. 李强.合肥工业大学 2017
[8]直齿面齿轮电解加工技术研究[D]. 黄亮.西安工业大学 2017
[9]叶轮快速成型件的熔模铸造工艺与数值模拟研究[D]. 张逢骏.江苏大学 2016
[10]导流叶轮熔模铸造数值模拟和工艺优化[D]. 奚磊.江苏大学 2016



本文编号：3162220