涡轮增压器热铸成型关键技术研究

发布时间：2017-08-26 14:03

  本文关键词：涡轮增压器热铸成型关键技术研究

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【摘要】：涡轮增压器压壳形状复杂,曲面多,在铸造过程中工艺控制困难,容易产生各种铸造缺陷。本文主要针对其铸造缺陷中的飞边和缩孔缩松问题,结合数值仿真模拟和实验验证的方法进行了涡轮增压器压壳铸造过程研究、缺陷预测、缺陷补偿和工艺参数优化。首先对铸造过程热变形理论进行了探究,建立了求解热变形问题的方程组,结合初始条件和边界条件,从理论上解决热变形问题;在热变形理论的支持下,通过Abaqus软件对模具的热变形过程进行了数值模拟,排除了设备等的影响,确定了压壳铸件产生飞边缺陷的原因是由于模具在铸造成型过程中受热变形不协调,引起分型面上产生附加间隙,熔融金属液进入模具间隙,冷却后成为飞边。然后在模拟的基础上,测算了飞边产生的位置及大小,在模具结构上进行补偿,使得模具热变形后分型面成为一个平面,不再有间隙的存在,消除了铸造飞边。随后进行预热合模实验,验证了模具修正方法对消除铸造飞边的可行性,通过实际制造模具并进行压壳件试生产,得到了符合要求没有飞边的压壳铸件,证明了模具热变形补偿方法的有效性。其次先运用控制变量法从理论上探究了预热温度和平衡温度对金属液和铸型两者接触界面平衡温度的影响,得出结论:当浇注温度和金属液/模具型腔质量比bM一定时,平衡温度与预热温度呈正相关关系,最终将趋于某一值;当预热温度和bM一定时,平衡温度与浇注温度呈正相关;在预热温度和浇注温度都一定的情况下,当0bM?时,平衡温度近似于预热温度,且随着bM增大,平衡温度也增大,当bM增大到一定范围后,平衡温度趋向于浇注温度。再对模具温度场进行分析,探究模具预热温度和金属液浇注温度对模具热变形的影响,得出结论:一定情况下,预热温度越高,飞边越大;浇注温度越高,飞边越小,因此,在合适的范围内,预热温度尽量取小,浇注温度尽量取大,才可以减小飞边量。随后对铸件充型及凝固理论进行了研究,建立了压壳充型及凝固的数学模型,采用有限差分法,从理论上实现了对充型凝固过程的求解。在理论的支持下,基于参数化建模,建立压壳的三维模型,对涡轮增压器压壳进行铸造过程模拟,得到了金属液充型凝固过程的温度场和流场分布规律,基于Porosity判据和Niyama判据预测了铸造过程中的缩孔缩松缺陷。依据浇冒口设计原理和铸件补缩原理,根据缩孔缩松缺陷的分布规律,提出了对应的浇冒口设计方案及工艺改进方案,并进行铸件试制,通过孔隙率金相检测验证了方案的有效性。最后基于控制变量法,探究了预热温度和浇注温度对铸件质量的影响规律,得出结论:在合适的浇注温度范围内,浇注温度的增加有利于铸件充型,有利于冒口对铸件的补缩;在合适的预热温度范围内,预热温度越高,铸件温度分布越合理,越有利于浇冒口对铸件的补缩。随后进行铸造实验,通过孔隙率金相检测,验证了规律的正确性。
【关键词】：涡轮增压器压壳 飞边 热变形补偿 工艺优化 温度场
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG24;U466
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景和意义9-11
• 1.2 涡轮增压器压壳热铸成型模拟技术简介11
• 1.3 国内外研究状态及发展趋势11-14
• 1.3.1 国外铸造成型数值模拟研究状况11-12
• 1.3.2 国内铸造成型数值模拟研究状况12-13
• 1.3.3 铸造成型数值模拟技术在飞边去除上的应用13-14
• 1.4 课题研究的主要内容14-15
• 第二章 涡轮增压器飞边形成及解决措施15-34
• 2.1 热传导理论基础及分析15-21
• 2.1.1 热传导的概念15-19
• 2.1.2 温度场的边值条件19
• 2.1.3 温度场的求解19-21
• 2.2 热弹性理论及其解法21-23
• 2.2.1 弹性力学基本方程21-22
• 2.2.2 热弹性力学基本方程22-23
• 2.3 涡轮增压器热铸过程模拟仿真23-29
• 2.3.1 飞边产生的影响因素分析23-24
• 2.3.2 模型建立及简化24-25
• 2.3.3 模具的预处理及求解25-26
• 2.3.4 模拟结果研究及飞边的预判26-29
• 2.4 飞边修正方法29-30
• 2.5 实验验证30-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 温度场对压壳模具热变形的影响分析34-53
• 3.1 金属液和铸型接触界面平衡温度场分析34-40
• 3.1.1 预热温度对铝液—型腔界面平衡温度Tb的影响35-38
• 3.1.2 浇注温度对铝液—型腔界面平衡温度Tb的影响38-40
• 3.2 试验方案设计40-41
• 3.3 预热温度对模具热变形的影响41-47
• 3.3.1 预热温度对节点位移的影响41-44
• 3.3.2 预热温度对压壳飞边的影响44-47
• 3.3.3 结论47
• 3.4 浇注温度对模具热变形的影响47-52
• 3.4.1 浇注温度对节点位移的影响48-50
• 3.4.2 浇注温度对压壳飞边的影响50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 涡轮增压器压壳充型及凝固过程数值模拟53-74
• 4.1 充型过程数值模拟理论54-59
• 4.1.1 充型过程数值模拟的基本方法54-55
• 4.1.2 充型过程数值模拟的数学模型55-57
• 4.1.3 紊流模型57-59
• 4.2 凝固过程数值模拟理论59-62
• 4.2.1 凝固过程数值模拟的基本方法59
• 4.2.2 凝固过程数值模拟的数学模型59-61
• 4.2.3 缩孔缩松和热裂缺陷的预测61-62
• 4.3 数值模拟压壳材料的热物性参数62-64
• 4.4 涡轮增压器压壳数值模拟前处理64-69
• 4.4.1 涡轮增压器压壳参数化建模64-66
• 4.4.2 设置示踪粒子66
• 4.4.3 涡轮增压器压壳网格剖分66
• 4.4.4 数值模拟初始条件确定66-67
• 4.4.5 热量传递问题的确定与物性参数的选择67-69
• 4.5 涡轮增压器压壳数值模拟结果查看69-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第五章 涡轮增压器压壳铸造工艺及温度场研究74-102
• 5.1 涡轮增压器压壳铸造过程浇注系统设计74-80
• 5.1.1 浇冒口补缩原理及其设计的原则74-76
• 5.1.2 浇冒口的工艺设计方案76-80
• 5.2 工艺改进方案以及实际效果分析80-82
• 5.2.1 工艺改进方案 180-82
• 5.2.2 工艺改进方案 282
• 5.3 工艺改进后试制效果82-83
• 5.4 浇注温度对铸件质量的影响83-94
• 5.4.1 720℃金属液浇注温度下的铸造过程和缺陷分析83-87
• 5.4.2 700℃金属液浇注温度下的铸造过程和缺陷分析87-91
• 5.4.3 680℃金属液浇注温度下的铸造过程和缺陷分析91-94
• 5.5 预热温度对铸件质量的影响94-100
• 5.5.1 350℃型腔预热温度下的铸造过程和缺陷分析94-98
• 5.5.2 310℃型腔预热温度下的铸造过程和缺陷分析98-100
• 5.6 本章小结100-102
• 第六章 结论与展望102-105
• 6.1 主要结论102-103
• 6.2 创新点103
• 6.3 展望103-105
• 致谢105-106
• 参考文献106-109
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文109

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