一種基于縮松缺陷預(yù)測(cè)的回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程中冒口設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程中冒口的設(shè)計(jì)方法，涉及回轉(zhuǎn)體薄 壁鑄件砂型鑄造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件(例如，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩為缸體薄壁鑄件、發(fā)電機(jī)輪為缸體葉片薄壁 件)砂型鑄造成型過(guò)程中，由于鑄件厚度小(薄壁件的特點(diǎn)是最薄處小于50_)，則糊狀同時(shí) 凝固傾向大，鑄件頂部明冒口的補(bǔ)縮通道極易被枝晶骨架所阻斷，無(wú)法有效地對(duì)鑄件下方 進(jìn)行補(bǔ)縮，因此凝固結(jié)束后在回轉(zhuǎn)體鑄件下方易產(chǎn)生縮松缺陷?？s松缺陷是一種重要的鑄 造缺陷。由于降低了承載載荷面的面積，它的存在會(huì)嚴(yán)重消弱鑄件的強(qiáng)度和硬度。相對(duì)于厚 壁鑄件而言，薄壁鑄件由于厚度小，縮松缺陷表面被氧化的傾向大，提高了后續(xù)焊合過(guò)程的 難度，導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率增大。
[0003] 回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造成型過(guò)程中引入冒口是消除縮松缺陷的有效手段之一。 合理的冒口設(shè)計(jì)取決于是否對(duì)縮松缺陷形成程度和位置有一個(gè)清晰明確的判斷。采用實(shí)驗(yàn) 試錯(cuò)法無(wú)法有效地對(duì)縮松缺陷形成進(jìn)行預(yù)判。大量的實(shí)驗(yàn)不但延長(zhǎng)了鑄造工藝研發(fā)周期， 同時(shí)也浪費(fèi)了能源、人力、物力和財(cái)力，提高了鑄件產(chǎn)品的附加值，削弱了中國(guó)鑄造廠家在 國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為和理論研究和實(shí)驗(yàn) 技術(shù)并行發(fā)展的第三種科學(xué)研究方法。采用數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)分布 特點(diǎn)從而預(yù)測(cè)縮松缺陷形成已進(jìn)入實(shí)用階段。
[0004] 國(guó)際上開(kāi)發(fā)出很多鑄造模擬軟件(例如，ProCast ,ViewCast ,MagamaSoft)，可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)鑄件凝固過(guò)程中縮松缺陷形成進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是開(kāi)展準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作的前提是需要提供準(zhǔn) 確的合金/砂型界面換熱系數(shù)以及對(duì)該界面換熱系數(shù)的實(shí)用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前大多數(shù) 數(shù)值預(yù)測(cè)工作中采用數(shù)值試算法確定合金/砂型界面換熱系數(shù)且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證僅局限于冷卻曲 線的對(duì)比研究。數(shù)值試算法更注重結(jié)果而不注重物理過(guò)程的推演，且效率低具有盲目性。同 時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)不應(yīng)該僅來(lái)源于鑄件局部(冷卻曲線為局部數(shù)據(jù)），更應(yīng)該考慮鑄件整體狀 態(tài)。這就要求所開(kāi)發(fā)的一種回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程冒口設(shè)計(jì)方法從上述兩個(gè)方面入 手，第一采用實(shí)驗(yàn)所提供的熱流密度隨時(shí)間變化曲線直接確定合金/砂型界面換熱系數(shù)，第 二基于整體鑄件對(duì)合金/砂型界面換熱系數(shù)的實(shí)用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于準(zhǔn)確的縮松缺陷 預(yù)測(cè)進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)，加速鑄造工藝優(yōu)化進(jìn)程，不但可以縮短鑄件產(chǎn)品的試制周期，降低成 本，節(jié)能減排，還符合"高科技引領(lǐng)綠色鑄造過(guò)程"這樣一個(gè)科學(xué)發(fā)展觀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法無(wú)法精確設(shè)計(jì)冒口尺寸的技術(shù)問(wèn)題，從而提供一種基于 縮松缺陷預(yù)測(cè)的回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程中冒口設(shè)計(jì)方法。
[0006 ]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程中冒口設(shè)計(jì)方法是按以下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟一、設(shè)計(jì)物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲得砂型中不同點(diǎn)的升溫曲線。進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模 擬，采用實(shí)驗(yàn)所提供的熱流密度隨時(shí)間變化曲線直接確定合金/砂型界面換熱系數(shù)。
[0009] 步驟一（1)、物理模擬實(shí)驗(yàn)中鑄件形狀和尺寸特征：鑄件為長(zhǎng)方形板，板的長(zhǎng)度 Lpiane為254mm，板的厚度5piane與回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件最小壁厚5min casting和最大壁厚5maxcasting 的平均值相等，即Splane =( Sminc^sting+Smaxrasting) /2，板的寬度Wpiane和板的厚度Splane相等， 即 Wplane - Splane ;單??/·均為皿Π ;
[0010] 步驟一(2)、物理模擬實(shí)驗(yàn)采用砂型鑄造，砂型為長(zhǎng)方形。尺寸特征:長(zhǎng)度為L(zhǎng)sand = [10mm+LPiane/2+LPiane+(20% Xdminsand)]，寬度為Wsand = [Wpiane+2 X (20% Xdminsand)]，厚度 為3sand = [5piane+2 X (20% X dminsand)]，其中dminsand為回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件在砂箱中距離砂型 外表面距離的最小值。鑄件空腔處于砂型中，距左、右、前、后、上、下砂型外表面距離分別為 (10_+L Piane/2)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、 (20 % X Clminsand)。直澆道尺寸特征:縱向放置圓柱體，直徑Dver為L(zhǎng)Pi ane/5，高度Hver為[Splane+ (20 % X dminsand)]。橫饒道尺寸特征:橫向放置圓柱體，直徑Dhori為3piane/4。單位均為mm;
[0011] 步驟一 (3)、物理模擬實(shí)驗(yàn)中在距離鑄件空腔上表面不同位置處的砂型中放置測(cè) 溫?zé)犭娕?TC)。熱電偶的總數(shù)量為NT，且3 < NT < 10。每個(gè)熱電偶TCi距離鑄件空腔上表面的 距離為xi (i的取值范圍1~NT)。
[0012] 步驟一 (4)、澆注長(zhǎng)方形板物理模擬實(shí)驗(yàn)鑄件，獲得型砂中不同點(diǎn)的升溫曲線(溫 度隨時(shí)間變化曲線）。
[0013] 步驟一 (5)、進(jìn)行鑄件鑄造過(guò)稈三維傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真。物理模擬實(shí)驗(yàn)所得熱 流密度
（單位為J Hf2iT1)作為溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件，其 中t為時(shí)間（單位s)，psand為型砂密度(單位kg πΓ3)，cpsand為型砂比熱(單位J kgH，^由 升溫曲線提供，A t(單位s)為升溫曲線中相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，△ T1為升溫曲線中t+ A t時(shí)刻溫度與t時(shí)刻溫度的差值(單位K)，Δ Ti = TiU+Δ t)-Ti(t)。由合金/砂型(合金和砂 型之間）界面處熱流密度Qsimii(t) =hall〇y-sand(Tall〇y-Tsand)與Q exp(t)相等，推算平均合金/砂 型界面換熱系數(shù)匕11。^_<1(1 Hf2IT1),其中TaIiciy為合金/砂型界面處合金液溫度，T sand為合 金/砂型界面處型砂溫度。
[0014] 步驟二、采用砂型澆注圓圈形狀鑄件。測(cè)量不同澆注溫度下鑄件長(zhǎng)度。針對(duì)圓圈形 狀鑄件開(kāi)展三維傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真，合金/砂型界面換熱系數(shù)來(lái)自步驟一。模擬所得鑄 件長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)比，驗(yàn)證步驟一中所得界面換熱系數(shù)的實(shí)用性。
[0015] 步驟二（1 )、鑄件型腔為圓圈形，共5圈。進(jìn)行Npciuring次實(shí)驗(yàn)，Npciuring 2 3，獲得Npciuring 個(gè)實(shí)驗(yàn)鑄件，每次實(shí)驗(yàn)的澆注溫度Tpourma < i SNpciurlng)不同。測(cè)量實(shí)驗(yàn)鑄件的長(zhǎng)度，即 金屬液在圓圈形鑄件型腔內(nèi)流經(jīng)的距離Lexppmjring-i(l < i < Npmjring)，單位mm。繪制實(shí)驗(yàn)鑄 件長(zhǎng)度Lexppciuring隨澆注溫度Tpciuring的變化曲線。
[0016]步驟二(2)、針對(duì)圓圈形狀鑄件開(kāi)展三維傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真，合金/砂型界面 換熱系數(shù)匕11。0-來(lái)自步驟一。采用與實(shí)驗(yàn)相同的澆注溫度Tpcmring-id < i SNpciuring),進(jìn)行 Npciuring次模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)量模擬所得鑄件的長(zhǎng)度，繪制模擬結(jié)果中鑄件長(zhǎng)度Lsimupciuring隨澆注 溫度T pciuring的變化曲線。
[0017] 步驟二（3)、模擬所得LsimUpouring-Tpouring變化曲線與實(shí)驗(yàn)所得Lexppouring-Tpmjring 曲線進(jìn)行對(duì)比，如果最大差值的絕對(duì)值>1〇〇_，則回到步驟一 (3)，增加熱電偶個(gè)數(shù)，重復(fù) 步驟一(4)和步驟一(5)。如果最大差值的絕對(duì)值< 100mm，則證明合金/砂型界面換熱系數(shù) halloy-s-的實(shí)用性，進(jìn)入步驟三。
[0018] 步驟三、采用步驟一中所獲得的合金/砂型界面換熱系數(shù)hallciy-sand，針對(duì)回轉(zhuǎn)體薄 壁鑄件砂型鑄造過(guò)程進(jìn)行三維傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真。采用傳統(tǒng)鑄造工藝中制定的澆冒口 系統(tǒng)，獲得縮松缺陷分布特征。等溫線閉合區(qū)域?yàn)榭s松缺陷產(chǎn)生區(qū)，根據(jù)縮松率大于5%即 為縮松缺陷的產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)，顯;^縮松缺陷在鑄件內(nèi)的分布；
[0019]步驟四、基于步驟三所獲得的傳統(tǒng)鑄造工藝下回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件中縮松缺陷分布特 點(diǎn)，進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)和三維傳熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真。在回轉(zhuǎn)體薄壁件下部引入偶數(shù)個(gè)尺寸形 同的腰形暗冒口。將縮松缺陷盡可能移置暗冒口內(nèi)，則完成回轉(zhuǎn)體薄壁鑄件砂型鑄造過(guò)程 中冒口的設(shè)計(jì)。
[0020]步驟四（1)、采用圓環(huán)將縮松缺陷包裹，采用熱節(jié)圓環(huán)法計(jì)算冒口尺寸。熱節(jié)圓環(huán) 的模數(shù)Mrejie-circle = 2JTrrejie-circle，其中，rrejie-circle為熱節(jié)圓環(huán)半徑，單位為mm ;腰形冒口上 限 數(shù) Mmaokou - circle - max = 1 · 15Mrejie - circke;腰形 _ 口上限寬度為
?.單位為mm;腰形冒口上限體積Vmaokou-circle-max = 3.57 (amaokou-circle-max) y ;
[0021 ] 步驟四（2)、腰形冒口的個(gè)數(shù)為~_15。111,2<仏 3。1{。1^1^8，~_1{。 111為偶數(shù)。每一個(gè) 腰形冒口具有相同的體積和尺寸，
其中為 每一個(gè)冒口的體積，單位為mm3, I < i < Nmaokmj-an。每一個(gè)腰形暗冒口的寬度amaokmj-c