摘要
随着科学与技术的飞速发展,对产品尺度微小化的要求不断提高,使得微机械日益成为当今世界的前沿科技。制造微机械需要大量的高度三维复杂形状的金属微构件,但现有的各种微细加工工艺均难以制备出上述微构件。而微铸造成形工艺则可以低成本、大批量地高效制备高度三维复杂形状的金属微构件,与现有微细加工工艺相比,具有十分独特的优点。在微铸造成形过程中,高温液态金属在微尺度的铸型型腔内充型流动,受到铸型的强烈激冷,以及气体反压力和毛细管力的强烈阻碍,充型难度极大,因而液态金属的微流动成为微铸造成形的最大难点,并且对制备高质量的三维复杂微铸件至关重要。因此,本文旨在借助计算机数值模拟,揭示高温液态金属在微尺度铸型型腔内的微流动机理和气孔形成动力学规律,深入研究微流动过程中的微尺度效应,以及金属液温度、铸型温度、充型压力和型腔壁厚对微流动的影响规律。本文应用Fluent软件,针对微管及微齿轮微铸造成形过程中充型微流动进行了计算机数值模拟,深入研究了在充型微流动中的速度场、压力场和温度场的变化规律,以及表面张力和气体反作用力对微流体流动性能的影响;此外,还深入研究了微齿轮的充型微流动过程中,液态金属中气孔的形成机理和动力学规律。研究结果表明,液态金属的微尺度流动规律与宏观尺度下明显不同:在微铸造成形过程中,高温液态金属在微尺度铸型型腔内的微流动体现出诸多传统铸造成形过程中前所未有的显著微尺度效应,诸如微尺度流动下的凸进效应,附面层相对厚度增大效应以及负压力梯度效应等。计算机数值模拟结果与实验结果吻合良好,证明本文所建立的数值模拟数学模型准确可靠,能够正确揭示微尺度空间内液态金属充型微流动的基本规律与机理,从而,为进一步优化液态金属在微尺度铸型的充型流动工艺规范,以及微铸造成形工艺规范提供理论指导和依据。
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