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基于数值模拟的杆状钛合金铸件熔模铸造工艺研究
摘要：
杆状钛合金因其优异的力学性能被广泛运用于多种领域，而获得高质量的制品则需要优化的生产工艺。本文通过数值模拟方法，考察了杆状钛合金铸件的熔模铸造工艺。首先，对铸模结构进行优化设计，然后通过数值模拟，分析了铸造过程中的熔体流动、温度场、残余应力等影响因素。本研究的结果表明，合理的熔模铸造工艺能够有效控制铸件质量，并提高生产效率，同时也能进一步加深对杆状钛合金铸造工艺的理解。
关键词：杆状钛合金；熔模铸造；数值模拟
1.引言
杆状钛合金是一种优异的结构材料，由于其高强度、高刚度和耐腐蚀性能，广泛用于航空、航天、汽车和医疗等领域。在这些领域中，制品的质量至关重要，因此熔模铸造工艺的优化和控制非常重要。随着计算机技术的发展，数值模拟已成为熔模铸造工艺优化的重要手段，能够帮助研究人员预测铸造过程中的复杂物理现象，以及优化铸模结构和铸造工艺。
本文旨在通过数值模拟方法，研究杆状钛合金铸件的熔模铸造工艺，优化铸模结构，分析铸造过程中的温度场、熔体流动和残余应力等影响因素，并探讨如何优化工艺流程，提高制品质量。
2.熔模铸造工艺设计
2.1铸模结构设计
杆状钛合金铸件的生产通常采用熔模铸造工艺，因此铸模结构的设计是非常关键的。本研究中，采用了三维建模软件Solidworks进行铸模结构的设计，图1所示是设计的铸模结构示意图。
图1铸模结构示意图
如图1所示，铸模结构主要包括上模板、下模板、定位销、支撑销、导向销等部分。本设计采用上下模框架式结构，便于铸造和取模。同时，增加定位销、支撑销、导向销等辅助组件，有助于提高铸件的精度和一致性。
2.2熔模铸造工艺流程
铸造过程包括熔化钛合金和铸造成型两个步骤。研究中采用燃气加热电弧炉进行钛合金的熔化，并采用真空铸造设备进行铸造成型。
具体工艺流程如下：
（1）杆状钛合金镁合金块经过熔炼加热，成为高温高浓度的合金液态物。
（2）将所得的钛合金液态物倒入处于预设状态下的熔模铸造结构中，使其充满所有部位
（3）等待钛合金液态物逐渐冷却到足够固化时间后，再进行铸造成型的取出操作。
（4）经过放冷再处理等工艺步骤，得到最终的产品。
3.数值模拟分析
熔模铸造过程中涉及众多复杂的物理现象，如熔体流动、温度场分布、残余应力等。本研究中，采用了商业有限元软件ANSYS进行数值模拟分析，建立杆状钛合金铸件的熔模铸造模型，包括铸模结构、杆状钛合金合金熔液、冷却剂等。采用热固定公式对局部温度进行修正，保证数值结果的精确性。
3.1杆状钛合金铸件温度场分析
铸件成型时，高温熔体进入铸模中，经冷却处理后逐渐固化。在固化过程中，由于热传递等因素，铸件内部的温度分布不均，产生残余应力，从而影响制品的性能。因此，分析铸件的温度场分布对提高制品质量至关重要。
图2是杆状钛合金铸件的温度场分布图。从图中可以看出，最高温度出现在铸口处，然后逐渐向下流动。铸件内部温度分布不均，高温区域集中在铸件的中央位置。
图2杆状钛合金铸件温度场分布图
3.2杆状钛合金铸件熔体流动分析
铸件成型时，熔体的流动状态直接影响成品杆状钛合金的质量和性能。本研究利用ANSYS软件对铸件熔体流动进行了数值模拟，并得到了熔体流速、涡旋和涡流等重要参数。
图3是杆状钛合金铸件的熔体流动分析图。从图中可以看出，在铸模流道和浇口处，熔体流速较快，熔体受到的阻力较小；而在铸件内部的缝隙处，熔体流速较慢，熔体受到的阻力较大。此外，在铸模中，熔体流动呈现出旋转和涡流状态，这些都会对铸件的实际性能产生影响。
图3杆状钛合金铸件熔体流动分析图
4.结论
本研究通过数值模拟方法，分析了杆状钛合金铸件的熔模铸造工艺。通过数值模拟，分析了铸造过程中的熔体流动、温度场、残余应力等影响因素。结果表明，合理的熔模铸造工艺能够有效控制铸件质量，并提高生产效率，同时也能进一步加深对杆状钛合金铸造工艺的理解。