一種基于縮松缺陷預測的回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程中冒口設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程中冒口的設計方法，涉及回轉體薄 壁鑄件砂型鑄造技術。
【背景技術】
[0002] 回轉體薄壁鑄件(例如，汽車發動機罩為缸體薄壁鑄件、發電機輪為缸體葉片薄壁 件)砂型鑄造成型過程中，由于鑄件厚度小(薄壁件的特點是最薄處小于50_)，則糊狀同時 凝固傾向大，鑄件頂部明冒口的補縮通道極易被枝晶骨架所阻斷，無法有效地對鑄件下方 進行補縮，因此凝固結束后在回轉體鑄件下方易產生縮松缺陷。縮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，它的存在會嚴重消弱鑄件的強度和硬度。相對于厚 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，提高了后續焊合過程的 難度，導致產品廢品率增大。
[0003] 回轉體薄壁鑄件砂型鑄造成型過程中引入冒口是消除縮松缺陷的有效手段之一。 合理的冒口設計取決于是否對縮松缺陷形成程度和位置有一個清晰明確的判斷。采用實驗 試錯法無法有效地對縮松缺陷形成進行預判。大量的實驗不但延長了鑄造工藝研發周期， 同時也浪費了能源、人力、物力和財力，提高了鑄件產品的附加值，削弱了中國鑄造廠家在 國際市場上的競爭力。隨著數值計算技術的迅速發展，數值模擬已成為和理論研究和實驗 技術并行發展的第三種科學研究方法。采用數值模擬技術研究鑄件凝固過程中溫度場分布 特點從而預測縮松缺陷形成已進入實用階段。
[0004] 國際上開發出很多鑄造模擬軟件(例如，ProCast ,ViewCast ,MagamaSoft)，可以實 現對鑄件凝固過程中縮松缺陷形成進行預測。但是開展準確預測工作的前提是需要提供準 確的合金/砂型界面換熱系數以及對該界面換熱系數的實用性進行實驗驗證。目前大多數 數值預測工作中采用數值試算法確定合金/砂型界面換熱系數且實驗驗證僅局限于冷卻曲 線的對比研究。數值試算法更注重結果而不注重物理過程的推演，且效率低具有盲目性。同 時實驗驗證數據不應該僅來源于鑄件局部(冷卻曲線為局部數據），更應該考慮鑄件整體狀 態。這就要求所開發的一種回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程冒口設計方法從上述兩個方面入 手，第一采用實驗所提供的熱流密度隨時間變化曲線直接確定合金/砂型界面換熱系數，第 二基于整體鑄件對合金/砂型界面換熱系數的實用性進行實驗驗證。基于準確的縮松缺陷 預測進行冒口設計，加速鑄造工藝優化進程，不但可以縮短鑄件產品的試制周期，降低成 本，節能減排，還符合"高科技引領綠色鑄造過程"這樣一個科學發展觀。
【發明內容】
[0005] 本發明是要解決現有方法無法精確設計冒口尺寸的技術問題，從而提供一種基于 縮松缺陷預測的回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程中冒口設計方法。
[0006 ]本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：
[0007] 本發明的一種回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程中冒口設計方法是按以下步驟進行：
[0008] 步驟一、設計物理模擬實驗，獲得砂型中不同點的升溫曲線。進行溫度場數值模 擬，采用實驗所提供的熱流密度隨時間變化曲線直接確定合金/砂型界面換熱系數。
[0009] 步驟一（1)、物理模擬實驗中鑄件形狀和尺寸特征：鑄件為長方形板，板的長度 Lpiane為254mm，板的厚度5piane與回轉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)、物理模擬實驗采用砂型鑄造，砂型為長方形。尺寸特征:長度為Lsand = [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LPi 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)、物理模擬實驗中在距離鑄件空腔上表面不同位置處的砂型中放置測 溫熱電偶(TC)。熱電偶的總數量為NT，且3 < NT < 10。每個熱電偶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)、澆注長方形板物理模擬實驗鑄件，獲得型砂中不同點的升溫曲線(溫 度隨時間變化曲線）。
[0013] 步驟一 (5)、進行鑄件鑄造過稈三維傳熱過程的計算機仿真。物理模擬實驗所得熱 流密度
（單位為J Hf2iT1)作為溫度場計算的邊界條件，其 中t為時間（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之間的時間間隔，△ T1為升溫曲線中t+ A t時刻溫度與t時刻溫度的差值(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。測量不同澆注溫度下鑄件長度。針對圓圈形 狀鑄件開展三維傳熱過程的計算機仿真，合金/砂型界面換熱系數來自步驟一。模擬所得鑄 件長度與實驗測量對比，驗證步驟一中所得界面換熱系數的實用性。
[0015] 步驟二（1 )、鑄件型腔為圓圈形，共5圈。進行Npciuring次實驗，Npciuring 2 3，獲得Npciuring 個實驗鑄件，每次實驗的澆注溫度Tpourma < i SNpciurlng)不同。測量實驗鑄件的長度，即 金屬液在圓圈形鑄件型腔內流經的距離Lexppmjring-i(l < i < Npmjring)，單位mm。繪制實驗鑄 件長度Lexppciuring隨澆注溫度Tpciuring的變化曲線。
[0016]步驟二(2)、針對圓圈形狀鑄件開展三維傳熱過程的計算機仿真，合金/砂型界面 換熱系數匕11。0-來自步驟一。采用與實驗相同的澆注溫度Tpcmring-id < i SNpciuring),進行 Npciuring次模擬實驗，測量模擬所得鑄件的長度，繪制模擬結果中鑄件長度Lsimupciuring隨澆注 溫度T pciuring的變化曲線。
[0017] 步驟二（3)、模擬所得LsimUpouring-Tpouring變化曲線與實驗所得Lexppouring-Tpmjring 曲線進行對比，如果最大差值的絕對值>1〇〇_，則回到步驟一 (3)，增加熱電偶個數，重復 步驟一(4)和步驟一(5)。如果最大差值的絕對值< 100mm，則證明合金/砂型界面換熱系數 halloy-s-的實用性，進入步驟三。
[0018] 步驟三、采用步驟一中所獲得的合金/砂型界面換熱系數hallciy-sand，針對回轉體薄 壁鑄件砂型鑄造過程進行三維傳熱過程的計算機仿真。采用傳統鑄造工藝中制定的澆冒口 系統，獲得縮松缺陷分布特征。等溫線閉合區域為縮松缺陷產生區，根據縮松率大于5%即 為縮松缺陷的產生標準，顯;^縮松缺陷在鑄件內的分布；
[0019]步驟四、基于步驟三所獲得的傳統鑄造工藝下回轉體薄壁鑄件中縮松缺陷分布特 點，進行冒口設計和三維傳熱過程的計算機仿真。在回轉體薄壁件下部引入偶數個尺寸形 同的腰形暗冒口。將縮松缺陷盡可能移置暗冒口內，則完成回轉體薄壁鑄件砂型鑄造過程 中冒口的設計。
[0020]步驟四（1)、采用圓環將縮松缺陷包裹，采用熱節圓環法計算冒口尺寸。熱節圓環 的模數Mrejie-circle = 2JTrrejie-circle，其中，rrejie-circle為熱節圓環半徑，單位為mm ;腰形冒口上 限 數 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)、腰形冒口的個數為~_15。111,2<仏 3。1{。1^1^8，~_1{。 111為偶數。每一個 腰形冒口具有相同的體積和尺寸，
其中為 每一個冒口的體積，單位為mm3, I < i < Nmaokmj-an。每一個腰形暗冒口的寬度amaokmj-c