[发明专利]一种基于缩松缺陷预测的回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法

摘要

一种基于缩松缺陷预测的回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法，涉及回转体薄壁铸件砂型铸造技术。本发明是要解决现有方法无法精确设计冒口尺寸的技术问题。本发明采用物理实验的方法确定合金/砂型界面换热系数，同时配合砂型浇注圆圈形状铸件的实验手段对界面换热系数的实用性进行实验验证，基于更为准确的缩松缺陷预测设计冒口。合金/砂型界面换热系数的精确选择和实验验证为缩松缺陷的准确预测以及合理的冒口尺寸设计奠定了坚实的基础，解决了目前缺陷预测和冒口设计过程中涉及大量试算且缺少必要实验验证的问题，提高了冒口设计的准确度，加速了铸造工艺优化进程，缩短产品开发周期，将铸件产品品质提高20～40％。

主权项

一种基于缩松缺陷预测的回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法，其特征在于，所述方法是按以下步骤进行：步骤一、设计物理模拟实验，获得型砂中不同点的升温曲线：进行温度场数值模拟，采用实验所提供的热流密度随时间变化曲线直接确定合金/砂型界面换热系数；步骤一(1)、物理模拟实验中铸件形状和尺寸特征：铸件为长方形板，长方形板的长度用Lplane表示，板的厚度δplane与回转体薄壁铸件最小壁厚δmincasting和最大壁厚δmaxcasting的平均值相等，即δplane＝(δmincasting+δmaxcasting)/2，板的宽度Wplane和板的厚度δplane相等，即Wplane＝δplane；单位均为mm；步骤一(2)、物理模拟实验采用砂型铸造，砂型为长方形，其尺寸特征：长度为Lsand＝[10mm+Lplane/2+Lplane+(20％×dminsand)]，宽度为Wsand＝[Wplane+2×(20％×dminsand)]，厚度为δsand＝[δplane+2×(20％×dminsand)]，其中dminsand为回转体薄壁铸件在砂箱中距离砂型外表面距离的最小值；铸件空腔处于砂型中，距左、右、前、后、上、下砂型外表面距离分别为(10mm+Lplane/2)、(20％×dminsand)、(20％×dminsand)、(20％×dminsand)、(20％×dminsand)、(20％×dminsand)；直浇道尺寸特征：纵向放置圆柱体，直径Dver为Lplane/5，高度Hver为[δplane+(20％×dminsand)]；横浇道尺寸特征：横向放置圆柱体，直径Dhori为δplane/4，单位均为mm；步骤一(3)、物理模拟实验中在距离铸件空腔上表面不同位置处的砂型中放置测温热电偶TC；热电偶的总数量为NT，且3≤NT≤10；每个热电偶TCi距离铸件空腔上表面的距离为xi，i的取值范围1～NT；步骤一(4)、浇注长方形板物理模拟实验铸件，获得型砂中不同点的升温曲线，所述升温曲线为温度随时间变化曲线；步骤一(5)、进行铸件铸造过程三维传热过程的计算机仿真：物理模拟实验所得热流密度作为温度场计算的边界条件，热流密度的单位为J m‑2s‑1，式中t为时间，单位s；ρsand为型砂密度，单位kg m‑3；cpsand为型砂比热，单位J kg‑1K‑1；由升温曲线提供，Δt为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，单位为s；ΔTi为升温曲线中t+Δt时刻温度与t时刻温度的差值，单位K；ΔTi＝Ti(t+Δt)‑Ti(t)；由合金/砂型界面处热流密度Qsimu(t)＝halloy‑sand(Talloy‑Tsand)与Qexp(t)相等，推算平均合金/砂型界面换热系数halloy‑sand(W m‑2K‑1)，其中Talloy为合金/砂型界面处合金液温度，Tsand为合金/砂型界面处型砂温度；步骤二、采用砂型浇注圆圈形状铸件：测量不同浇注温度下铸件长度，针对圆圈形状铸件开展三维传热过程的计算机仿真，合金/砂型界面换热系数来自步骤一获得的平均合金/砂型界面换热系数halloy‑sand，单位为W m‑2K‑1，模拟所得铸件长度与实验测量对比，验证步骤一中所得界面换热系数的实用性：步骤二(1)、铸件型腔为圆圈形，共5圈，进行Npouring次实验，Npouring≥3，获得Npouring个实验铸件，每次实验的浇注温度Tpouring‑i(1≤i≤Npouring)不同；测量实验铸件的长度，即金属液在圆圈形铸件型腔内流经的距离Lexppouring‑i(1≤i≤Npouring)，单位mm；绘制实验铸件长度Lexppouring随浇注温度Tpouring的变化曲线；步骤二(2)、针对圆圈形状铸件开展三维传热过程的计算机仿真，合金/砂型界面换热系数halloy‑sand来自步骤一；采用与实验相同的浇注温度Tpouring‑i(1≤i≤Npouring)，进行Npouring次模拟实验，测量模拟所得铸件的长度，绘制模拟结果中铸件长度Lsimupouring随浇注温度Tpouring的变化曲线；步骤二(3)、模拟所得Lsimupouring‑Tpouring变化曲线与实验所得Lexppouring‑Tpouring曲线进行对比，如果最大差值的绝对值>100mm，则回到步骤一(3)，增加热电偶个数，重复步骤一(4)和步骤一(5)；如果最大差值的绝对值≤100mm，则证明合金/砂型界面换热系数halloy‑sand具有实用性，进入步骤三；步骤三、采用步骤一中所获得的合金/砂型界面换热系数halloy‑sand，针对回转体薄壁铸件砂型铸造过程进行三维传热过程的计算机仿真；采用传统铸造工艺中制定的浇冒口系统，获得缩松缺陷分布特征；等温线闭合区域为缩松缺陷产生区，根据缩松率大于5％即为缩松缺陷的产生标准，显示缩松缺陷在铸件内的分布；步骤四、基于步骤三所获得的传统铸造工艺下回转体薄壁铸件中缩松缺陷分布特点，进行冒口设计和三维传热过程的计算机仿真；在回转体薄壁铸件下部引入偶数个尺寸形同的腰形暗冒口；将缩松缺陷尽可能移置腰形暗冒口内，则完成回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口的设计：步骤四(1)、采用圆环将缩松缺陷包裹，采用热节圆环法计算冒口尺寸；热节圆环的模数Mrejie‑circle＝2πrrejie‑circle，其中，rrejie‑circle为热节圆环半径，单位为mm；腰形暗冒口上限模数Mmaokou‑circle‑max＝1.15Mrejie‑circle；腰形暗冒口上限宽度为单位为mm；腰形暗冒口上限体积Vmaokou‑circle‑max＝3.57(amaokou‑circle‑max)3，单位为mm3；步骤四(2)、腰形暗冒口的个数为Nmaokou‑an，2≤Nmaokou‑an≤8，Nmaokou‑an为偶数；每一个腰形暗冒口具有相同的体积和尺寸；其中Vmaokou‑circle‑i为每一个腰形暗冒口的体积，单位为mm3，1≤i≤Nmaokou‑an；每一个腰形暗冒口的宽度amaokou‑circle‑i＝(Vmaokou‑circle‑i/3.57)1/3，高度为2amaokou‑circle‑i，长度为2amaokou‑circle‑i，圆弧半径为amaokou‑circle‑i/2，单位均为mm。