近净形熔模精铸蜡模变形机制及粘弹性行为研究

It is urgent to master the mechanism of deformation for near net shape casting of large, thin-walled, complex aero engine investment casting. The dimension of casting mostly transmitted from its corresponding wax pattern. The deformation law and mechanism of wax pattern is not clear for large complex thin-walled wax pattern in wax injection molding and storage process. Therefore, this project intends to use the optimization algorithm to get six parameters of the model for corrected residual in mold stress (CRIMS). Then, analysis deviation behavior of complex thin-walled hollow structure in wax injection molding based on the numerical simulation technology. Finally it reveals the deformation mechanism of complex thin-walled hollow in wax injection molding process. At the same time, through the measurement and fitting stress relaxation modulus of wax, the dimension change of wax pattern in storage process by numerical prediction and experimental observation. The viscoelastic deformation mechanism for wax pattern in injection and storage process can be concluded. The study is expected to not only get theoretical breakthrough in rule and mechanism of deformation for wax pattern through the above research, but also provide guidance to control the dimensional accuracy for casting. It has important scientific significance and practical value.

掌握铸件变形规律和变形机制是近净形精铸航空发动机大型复杂薄壁高温合金铸件迫切需要解决的问题。熔模精铸件尺寸精度大部分遗传于其相应蜡模尺寸精度。大型复杂薄壁蜡模的尺寸控制难点在于蜡模注射成型与存放过程中变形规律及变形机制并不清楚。本项目拟用优化算法得到蜡料的修正残余应力收缩模型（CRIMS），利用注蜡成型数值模拟技术，分析复杂空心薄壁结构蜡模注射成型充填与保压过程中尺寸偏差行为，揭示空心薄壁蜡模注射成型中的变形机制。通过测试拟合得到蜡料应力松弛模量，数值预测及实验观察蜡模存放过程的尺寸变化，明确蜡模粘弹性变形规律。通过上述研究不仅有望在精铸蜡模注射成型与存放过程中的变形规律与变形机制方面取得理论突破，还可为数字化智能化控制精铸蜡模变形与尺寸精度提供指导，具有重要科学意义和实际价值。

掌握铸件变形规律和变形机制是近净形精铸航空发动机大型复杂薄壁高温合金铸件迫切需要解决的问题。熔模精铸件尺寸精度大部分遗传于其相应蜡模尺寸精度。大型复杂薄壁蜡模的尺寸控制难点在于蜡模注射成型与存放过程中变形规律及变形机制并不清楚。本项目拟用优化算法得到蜡料的修正残余应力收缩模型（CRIMS），利用注蜡成型数值模拟技术，分析复杂空心薄壁结构蜡模注射成型充填与保压过程中尺寸偏差行为与机制。蜡模流向上的收缩率小于垂直流向的收缩率是因为流动残余应力比热残余应力小一个数量级。数值模拟的预测蜡模高度和直径收缩位移比实测值大0.4%，而预测厚度位移值平均大0.3mm左右。蜡模的尺寸超差主要是由于蜡料的非均匀充填与非均匀冷却造成的。大型复杂薄壁铸件的法兰处界面尺寸突变，预置冷蜡芯减小了界面突变，使得壁厚均匀，蜡模的变形减小。大型蜡模外环薄壁尺寸超差是由于蜡料流动过程中的过保压造成的，外环薄壁已填充区域相当于持续保压，过压区流动与冻结同在，造成该区域过压外环薄壁充填残余应力大，脱模后壁厚增大；减少保压时间可明显减小其壁厚。空心支板壁厚尺寸超差是由于注射成型过程中水溶性型芯偏移所致，型芯偏移的机理是保压过程中型芯两侧产生的压力差，型芯偏移主要发生在保压过程中，而非充填过程。增加固定销和减小保压压力可明显减少型芯偏移尺寸，优化后支板壁厚控制在公差范围内。根据蜡模存放过程中粘弹性变形结果显示，蜡模存放时间从1000s的延长到10000s，其尺寸收缩增大了55.34%，100000s后蜡模尺寸基本趋于稳定。针对传统“经验+实验”的蜡模模具与流道系统设计问题，提出了基于高分子熔体流动与凝固理论的数值模拟方法预测的蜡料流动，并成功优化了特征件与大型铸件蜡模的流道系统与模具设计，该方法有利于在工业生产上推广应用。