【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及砂型设计方法中的内管路设计优化领域，尤其是涉及砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法。
技术介绍
1、铸造行业中有80％以上的产品都是通过砂型铸造完成的，砂型铸造应用非常广泛。但是，目前在传统砂型浇注过程中，铸件的冷却过慢，特别是在大型异形铸件的冷却凝固成形过程中，常常出现因凝固顺序错乱导致的铸件组织晶粒粗大、偏析、裂纹，补缩困难等缺陷，复杂铸件精确调控能力弱。
2、为满足汽车船舶、医疗器械、智能制造等领域对高精度、高品质、高复杂度产品不断上升的需求，越来越多的产品被设计成复杂精巧、异形特异的形状以满足各领域的多样化使用需求。这些铸件几何型面复杂，曲率变化较大，冷却不均匀往往导致铸件变形、翘曲、开裂等问题，严重影响铸件的生产质量和生产效率。
3、传统砂型铸造为解决上述难题，通常采用冷铁，铬铁矿砂，以及金属铸型等蓄热能力强的材料和工艺，通过蓄热散热来强化冷却过程。但这样的操作不仅增加了生产的成本及工艺操作的难度，而且采用蓄热材料的方法不能完全满足强化冷却的需求。在砂型铸造中，采用冷却装置在铸型中对特定位置进行散热冷却应用较普遍。
4、传统砂型大多采用直线型冷却通道，主要原因为直线型冷却通道易于成形，可满足简单铸件的冷却要求。传统的冷却管路多以钻孔的方式加工成直线型，水路到型腔距离不一使砂型难以获得均匀的温度分布，从而使得铸件各部位的冷却收缩不一致，导致残余应力的存在，产品发生翘曲变形或开裂等现象。也有工艺利用在铸型中预埋冷却管路的方式作为热交换装置，增强铸件的冷却，但是这种方式
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术公开了砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，弥补铸件在砂型中温度分布不均问题，防止铸件冷却不均匀导致的变形、翘曲、开裂等问题，利用3d打印技术，简化制造工艺，而且使内管路的设计更加随形性，有效地缩短了热交换周期，并提高了产品的成型质量。
2、为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：
3、砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，该方法包括如下步骤：
4、步骤1：确定铸件几何特征，根据三维绘图软件进行相应砂型型腔和型芯区域划分；
5、步骤2：将型腔型芯以砂型型腔和型芯的各个面为划分子单元，根据砂型内管路设计制造准则设计出匹配各子单元的内管路冷却系统；
6、步骤3：将各子区域面的管路进行装配，根据内管路优化准则对组合后的管路进行结构整合调整，得到砂型整体随形内管路的布局；
7、步骤4：通过仿真模流分析后进行结构调整，最终使得砂型的内管路设计达到最佳的布局；
8、步骤5：对设计随形冷却结构进行分层切片，导入数字化砂型3d打印机中，根据每层的砂型截面信息按需铺设型砂，成形内部布置管路的砂型；
9、步骤6：打印成形完后整体砂型对管路通冷却/加热气体介质，调控型腔中铸件温度分布，减少铸造缺陷，方便落砂。
10、进一步地，所述内管路设计准则是通过公式来计算冷却气体流量从而确定管路直径，式中v指所需冷却介质的流量，cp为冷却介质的比热容，ρ为冷却介质的密度，tout为冷却介质的出口处温度，tin为冷却介质的入口处温度；根据所述计算v值，v≤5.0×10-3m3/min时，管路直径设置为小于5mm；v≤15.0×10-3m3/min时，管路直径设置8mm；v＞15.0×10-3m3/min时，管路直径设置12～20mm。
11、进一步地，所述内管路设计准则可通过砂型和型芯表面特征的不同，分为直通式、圆周式、多级式、交叉式、螺旋式、喷射式等多种样式，这些样式互相配合构成砂型内管路回路。
12、进一步地，根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则基于等距截面的随形冷却管路拓扑结构生成方法。通过在相邻截面间生成不同的水道中心线拓扑，如“串联单螺旋”、“串联双螺旋”、“并联阶梯型”等类型，来生成指定区域的随形冷却水道。内管路的直径、相邻管路之间的距离及冷却管路距离与型腔壁表面之间的距离是冷却系统设计的关键因素。所述内管路壁厚为2mm～4mm，所述随形冷却管路布局形成的几何形状与铸件表面的几何形状一致，并始终以一定的距离(5mm～10mm)均匀包络覆盖整个铸件。
13、进一步地，所述内管路设计准则包括一种冷间隙设计方法；所述冷间隙设计方法是指一般砂型在室温或者冷冻砂型在冷态下，砂型与砂型之间或分块坎合的砂块之间，在装配尺寸的设计上留0.5～2mm的间隙，用于补偿内管路通高速压缩气体时产生的膨胀和砂型浇注过程造成的热应力与热变形。
14、进一步地，所述砂型内管路可用于快速冷却和加热。冷却时可通低温气体介质如低温co2、氮气和压缩干燥空气等；加热时可通热水蒸气等。气体介质的压力需≥0.6mpa。加热和冷却管路有两种设置方式，一是分别独立设置即加热时在加热管路内通入加热介质冷却时在冷却管路通入冷却介质；二是共用管路加热和冷却管路为同一组管路。管路入口必须设置在出口上方防止介质残留破坏砂型。
15、进一步地，所述内管路优化准则包括气流脉动优化和内管路结构振动优化标准。所述气流脉动优化是指通过在管路连接处增设孔板来抑制气体介质的脉动，所述孔板即是管路口径变化处，一般为抑制气流脉动，孔板的孔径比设置在0.4～0.6区间，所述d1为沿气流方向孔板上流管路的直径，所述d2为孔板下流管路的直径；所述内管路结构振动优化标准为管路内的压降须小于管线绝对平均压力的0.25％。
16、进一步地，所述仿真模流分析指标包括浇注流动性、传热效果和砂型变形。在moldflow和procast等仿真平台中，铸件体积收缩率≤2％，熔体流动前沿温度差≤15℃，进出口冷却液温差＞20℃，铸铁表面温差＜200℃，铸铝＜100℃，砂型抗拉强度＞1mpa，铸件冷却时间减少超过30％，总变形量减少50％以上，满足以上指标认为内管路设计达到要求。
17、本专利技术的有益效果：
18、1、本专利技术设置随铸件产品轮廓形状变化而变化的砂型内管路，与传统砂型冷却方法相比，随形内管路不止于直线型，内管路与型腔表面距离一致，使砂型型腔温度分布均匀；同时本专利技术砂型内管路可用于快速冷却和加热，灵活适用于不同砂型不同浇注情况。本专利技术可以实现铸件的高效均匀冷却，消除翘曲变形等缺陷，同时缩短铸件的浇注制造周期，提高生产效率，增强企业的竞争力，具有很强的适用性。
19、2、本专利技术采用3d打印技术制造带有内管路砂型。传统机械加工复杂随形冷却通道时往往不能胜任，3d打印对所制造零部件的几何特性不敏感，是制造复杂结构如点阵结构与随形冷却管路的理想选择，不仅可以简化设计与制造工艺，而且使冷却管路的设计更加随形性，且打印完成后无需热处理，直接连通气体介质进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则为通过公式来计算冷却气体流量从而确定管路直径，式中V指所需冷却介质的流量，cp为冷却介质的比热容，ρ为冷却介质的密度，Tout为冷却介质的出口处温度，Tin为冷却介质的入口处温度；根据所述计算V值，V≤5.0×10-3m3/min时，管路直径设置为小于5mm；V≤15.0×10-3m3/min时，管路直径设置8mm；V＞15.0×10-3m3/min时，管路直径设置12～20mm。
3.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则可通过砂型和型芯表面特征的不同，分为直通式、圆周式、多级式、交叉式、螺旋式、喷射式等多种样式，这些样式互相配合构成砂型内管路回路。
4.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则基于等距截面的随形冷却水道拓扑结构生成方法；通过在相邻截面间生成
5.根据权利要求4所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，可以生成串联单螺旋、串联双螺旋、或并联阶梯型等类型，来生成指定区域的随形冷却水道；内管路的直径、相邻管路之间的距离及冷却管路距离与型腔壁表面之间的距离是冷却系统设计的关键因素；所述内管路壁厚为2mm～4mm，所述随形冷却管路布局形成的几何形状与铸件表面的几何形状一致，并始终以一定的距离5mm～10mm均匀包络覆盖整个铸件。
6.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则包括一种冷间隙设计方法；所述冷间隙设计方法是指一般砂型在室温或者冷冻砂型在冷态下，砂型与砂型之间或分块坎合的砂块之间，在装配尺寸的设计上留0.5～2mm的间隙，用于补偿内管路通高速压缩气体时产生的膨胀和砂型浇注过程造成的热应力与热变形。
7.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述砂型内管路可用于快速冷却和加热；气体介质的压力需≥0.6MPa；加热和冷却管路有两种设置方式，一是分别独立设置即加热时在加热管路内通入加热介质冷却时在冷却管路通入冷却介质；二是共用管路加热和冷却管路为同一组管路；管路入口必须设置在出口上方防止介质残留破坏砂型。
8.根据权利要求7所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，冷却时通低温气体介质，采用低温CO2、氮气和压缩干燥空气；加热时可通热水蒸气。
9.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，其中内管路进行优化的准则包括气流脉动优化和内管路结构振动优化标准；所述气流脉动优化是指通过在管路连接处增设孔板来抑制气体介质的脉动，所述孔板即是管路口径变化处，一般为抑制气流脉动，孔板的孔径比设置在0.4～0.6区间，所述D1为沿气流方向孔板上流管路的直径，所述D2为孔板下流管路的直径；所述内管路结构振动优化标准为管路内的压降须小于管线绝对平均压力的0.25％。
10.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述仿真模流分析指标包括浇注流动性、传热效果和砂型变形。在Moldflow和Procast等仿真平台中，铸件体积收缩率≤2％，熔体流动前沿温度差≤15℃，进出口冷却液温差＞20℃，铸铁表面温差＜200℃，铸铝＜100℃，砂型抗拉强度＞1MPa，铸件冷却时间减少超过30％，总变形量减少50％以上，满足以上指标认为内管路设计达到要求。
...【技术特征摘要】
1.砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则为通过公式来计算冷却气体流量从而确定管路直径，式中v指所需冷却介质的流量，cp为冷却介质的比热容，ρ为冷却介质的密度，tout为冷却介质的出口处温度，tin为冷却介质的入口处温度；根据所述计算v值，v≤5.0×10-3m3/min时，管路直径设置为小于5mm；v≤15.0×10-3m3/min时，管路直径设置8mm；v＞15.0×10-3m3/min时，管路直径设置12～20mm。
3.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则可通过砂型和型芯表面特征的不同，分为直通式、圆周式、多级式、交叉式、螺旋式、喷射式等多种样式，这些样式互相配合构成砂型内管路回路。
4.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则基于等距截面的随形冷却水道拓扑结构生成方法；通过在相邻截面间生成不同的水道中心线拓扑。
5.根据权利要求4所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，可以生成串联单螺旋、串联双螺旋、或并联阶梯型等类型，来生成指定区域的随形冷却水道；内管路的直径、相邻管路之间的距离及冷却管路距离与型腔壁表面之间的距离是冷却系统设计的关键因素；所述内管路壁厚为2mm～4mm，所述随形冷却管路布局形成的几何形状与铸件表面的几何形状一致，并始终以一定的距离5mm～10mm均匀包络覆盖整个铸件。
6.根据权利要求1所述的砂型随形冷却结构设计制造准则与优化建模方法，其特征在于，所述内管路设计准则包括一种冷间隙设计方法；所述冷间隙设计方法是指一般砂型...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，刘亲将，闫丹丹，梁校，罗磊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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。