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。本发明专利技术是要解决现有方法无法精确设计冒口尺寸的技术问题。本发明专利技术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％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法，涉及回转体薄壁铸件砂型铸造技术。
技术介绍
回转体薄壁铸件(例如，汽车发动机罩为缸体薄壁铸件、发电机轮为缸体叶片薄壁件)砂型铸造成型过程中，由于铸件厚度小(薄壁件的特点是最薄处小于50mm)，则糊状同时凝固倾向大，铸件顶部明冒口的补缩通道极易被枝晶骨架所阻断，无法有效地对铸件下方进行补缩，因此凝固结束后在回转体铸件下方易产生缩松缺陷。缩松缺陷是一种重要的铸造缺陷。由于降低了承载载荷面的面积，它的存在会严重消弱铸件的强度和硬度。相对于厚壁铸件而言，薄壁铸件由于厚度小，缩松缺陷表面被氧化的倾向大，提高了后续焊合过程的难度，导致产品废品率增大。回转体薄壁铸件砂型铸造成型过程中引入冒口是消除缩松缺陷的有效手段之一。合理的冒口设计取决于是否对缩松缺陷形成程度和位置有一个清晰明确的判断。采用实验试错法无法有效地对缩松缺陷形成进行预判。大量的实验不但延长了铸造工艺研发周期，同时也浪费了能源、人力、物力和财力，提高了铸件产品的附加值，削弱了中国铸造厂家在国际市场上的竞争力。随着数值计算技术的迅速发展，数值模拟已成为和理论研究和实验技术并行发展的第三种科学研究方法。采用数值模拟技术研究铸件凝固过程中温度场分布特点从而预测缩松缺陷形成已进入实用阶段。国际上开发出很多铸造模拟软件(例如，ProCast,ViewCast,MagamaSoft)，可以实现对铸件凝固过程中缩松缺陷形成进行预测。但是开展准确预测工作的前提是需要提供准确的合金/砂型界面换热系数以及对该界面换热系数的实用性进行实验验证。目前大多数数值预测工作中采用数值试算法确定合金/砂型界面换热系数且实验验证仅局限于冷却曲线的对比研究。数值试算法更注重结果而不注重物理过程的推演，且效率低具有盲目性。同时实验验证数据不应该仅来源于铸件局部(冷却曲线为局部数据)，更应该考虑铸件整体状态。这就要求所开发的一种回转体薄壁铸件砂型铸造过程冒口设计方法从上述两个方面入手，第一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，第二基于整体铸件对合金/砂型界面换热系数的实用性进行实验验证。基于准确的缩松缺陷预测进行冒口设计，加速铸造工艺优化进程，不但可以缩短铸件产品的试制周期，降低成本，节能减排，还符合“高科技引领绿色铸造过程”这样一个科学发展观。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有方法无法精确设计冒口尺寸的技术问题，从而提供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。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：本专利技术的一种回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法是按以下步骤进行：步骤一、设计物理模拟实验，获得砂型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，板的长度Lplane为254mm，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。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(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(单位为Jm-2s-1)作为温度场计算的边界条件，其中t为时间(单位s)，ρsand为型砂密度(单位kgm-3)，cpsand为型砂比热(单位Jkg-1K-1)，由升温曲线提供，Δt(单位s)为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，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(合金和砂型之间)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(Wm-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。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，绘制模拟结果中铸本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，获得砂型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kgm‑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‑2 K‑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‑2 K‑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...
【技术特征摘要】
1.一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，获得砂型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Jm-2s-1，式中t为时间，单位s；ρsand为型砂密度，单位kgm-3；cpsand为型砂比热，单位Jkg-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(Wm-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Wm-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...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东戎，杨智鹏，杨洋，郭二军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。