金属材料的多维振动铸造理论及技术

Multi-dimensional vibration casting mechine is the key of increasing the quality，mechanical property and casting efficiency of metal material. The project puts forward the application of parallel robot mechanism theory in the design of multi-dimensional vibrational casting mechine， types synthesis of the mechanism of main-exciting mechanism of multi-dimensional vibration casting mechine according to the parallel mechanism topology，optimum seeks good decoupling property practical mechnism，establishs the virtual prototype of multi-dimensional vibration casting mechine and analyzes its kinematics and dynamics performance. By establishing the mathematical model of mold on the multi-dimensional vibrational casting mechine，uses MAGMA SOFT and CASTSOFT to simulate the solidification and filling process of the castings to analyze the influence of mold motion form to casting performance and proves the ideal motion parameters. So the basis of the exciting mechanism design of multi-dimensional vibrational casting mechine has been provided. By combining the casting visualization technology on the basis of X-ray and simulating casting technology, multi-dimensional vibration casting process has been researched. By means of the results of numerical simulation and casting test verification theory, establishs the qulity evaluation standard of vibration casting pieces and designs and trial manufactures the pratical prototype. The project has the important scientific significance of revealing the metal material vibration casting mechnism on the conditions of multi-dimension vibration and the development and research of high-qulity and high-efficiency multi-dimensional casting equipment.

多维振动铸造机是显著提高金属铸件质量、力学性能和铸造效率的关键。项目通过将并联机器人机构理论应用于多维振动铸造机的设计中，根据并联机构拓扑结构学理论对多维振动铸造机的主体激振机构进行型综合，优选解耦性好的实用机构；建立多维振动铸造机的虚拟样机，并对其进行运动学和动力学分析；通过建立铸型在多维振动铸造机上的数学模型，运用 MAGMA SOFT和CASTSOFT等铸造模拟软件对铸件的凝固过程和充型过程进行模拟，分析铸型的运动形式对铸造性能的影响，探明多维振动铸造机的理想运动参数，为铸造机激振机构的设计提供依据；将基于X射线的铸造可视化技术和模拟铸造技术相结合，研究多维振动铸造工艺，通过铸造试验验证理论分析和数值模拟的结果，建立振动铸造件的质量评价标准；对多维振动铸造机实用样机进行设计与试制。本项目对于揭示多维振动条件下金属材料的振动铸造机理，研发高质、高效多维振动铸造设备具有重要的科学意义。

机械振动有利于提高铸件的综合性能，减少铸造缺陷。而现有激振装置只能使铸型实现单自由度振动，对于型腔复杂的铸件性能改善和提高有限，难以满足实际需求，铸造生产的效率提高受到限制。缺乏多维振动铸造指导理论、工艺方法和设备，已成为制约振动铸造工艺实际应用的关键瓶颈。本研究旨在研究多维振动条件下金属材料的振动铸造成型机理，寻求满足振动铸造工艺要求的多维激振机构，为金属材料的多维振动铸造工艺设计及多维振动铸造设备研制提供理论依据和方法指导。主要研究内容可概括为：（1）液态金属在多维振动铸造机上的振动铸造成型规律和铸造性能研究，获取不同振动参数对金属液的充型和凝固的影响规律，试验结果证明多维振动充型过程中不仅充型速度快，且金属液分布较均匀，充型效果好；研究了EPC成型工艺中的多维振动造型过程，总结出振动维数及方向对砂群运动的影响规律。（2）多维振动铸造机主体激振机构研究与运动特性分析。对满足多维振动铸造工艺要求的多维振动铸造机的主体激振机构进行研究，优选出主体激振机构的实用机型，并对其运动学与动力学特性进行分析。（3）半固态金属在液固两相流场中充型和多维振动凝固过程研究。创新运用EDEM-CFD流固耦合功能对液固两相流场中金属液在多维振动条件下的充型及凝固过程进行数值模拟，分析了金属液流场和多维振动铸造机所产生的多维振动对金属铸造性能及铸件质量的影响，并在此基础上完成激振机构的优化设计。（4）多维振动铸造机样机的设计与试制。提出两种多维振动铸造机的设计方案，运用ADAMS、CAE等分析软件对多维振动铸造机的结构和运动性能进行分析研究，完成了铸造机样机及测试系统的设计与制造；在振动铸造机的样机上进行振动铸造性能测试与试验验证。项目研究揭示了多维振动条件下金属材料的振动铸造成型机理，形成了多维振动铸造工艺，降低了铸件的废品率，提高了铸件的质量和生产率。