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
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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50_)，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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 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，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。
[0006 ]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] 本发明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：
[0008] 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。
[0009] 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 Lpiane为254mm，板的厚度5piane与回转体薄壁铸件最小壁厚5min casting和最大壁厚5maxcasting 的平均值相等，即Splane =( Sminc^sting+Smaxrasting) /2，板的宽度Wpiane和板的厚度Splane相等， 即 Wplane - Splane ;单??/·均为皿Π ;
[0010] 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+LPiane/2+LPiane+(20% Xdminsand)]，宽度为Wsand = [Wpiane+2 X (20% Xdminsand)]，厚度 为3sand = [5piane+2 X (20% X 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 (10_+L Piane/2)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、（20% Xdminsand)、 (20 % X Clminsand)。直浇道尺寸特征:纵向放置圆柱体，直径Dver为LPi ane/5，高度Hver为[Splane+ (20 % X dminsand)]。横饶道尺寸特征:横向放置圆柱体，直径Dhori为3piane/4。单位均为mm;
[0011] 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)。
[0012] 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）。
[0013] 步骤一 (5)、进行铸件铸造过稈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J Hf2iT1)作为温度场计算的边界条件，其 中t为时间（单位s)，psand为型砂密度(单位kg πΓ3)，cpsand为型砂比热(单位J kgH，^由 升温曲线提供，A t(单位s)为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，△ T1为升温曲线中t+ A t时刻温度与t时刻温度的差值(单位K)，Δ Ti = TiU+Δ t)-Ti(t)。由合金/砂型(合金和砂 型之间）界面处热流密度Qsimii(t) =hall〇y-sand(Tall〇y-Tsand)与Q exp(t)相等，推算平均合金/砂 型界面换热系数匕11。^_<1(1 Hf2IT1),其中TaIiciy为合金/砂型界面处合金液温度，T sand为合 金/砂型界面处型砂温度。
[0014] 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。
[0015] 步骤二（1 )、铸件型腔为圆圈形，共5圈。进行Npciuring次实验，Npciuring 2 3，获得Npciuring 个实验铸件，每次实验的浇注温度Tpourma < i SNpciurlng)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Lexppmjring-i(l < i < Npmjring)，单位mm。绘制实验铸 件长度Lexppciuring随浇注温度Tpciuring的变化曲线。
[0016]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 换热系数匕11。0-来自步骤一。采用与实验相同的浇注温度Tpcmring-id < i SNpciuring),进行 Npciuring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Lsimupciuring随浇注 温度T pciuring的变化曲线。
[0017] 步骤二（3)、模拟所得LsimUpouring-Tpouring变化曲线与实验所得Lexppouring-Tpmjring 曲线进行对比，如果最大差值的绝对值>1〇〇_，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-s-的实用性，进入步骤三。
[0018] 步骤三、采用步骤一中所获得的合金/砂型界面换热系数hallciy-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;^缩松缺陷在铸件内的分布；
[0019]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。
[0020]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 = 2JTrrejie-circle，其中，rrejie-circle为热节圆环半径，单位为mm ;腰形冒口上 限 数 Mmaokou - circle - max = 1 · 15Mrejie - circke;腰形 _ 口上限宽度为
?.单位为mm;腰形冒口上限体积Vmaokou-circle-max = 3.57 (amaokou-circle-max) y ;
[0021 ] 步骤四（2)、腰形冒口的个数为~_15。111,2<仏 3。1{。1^1^8，~_1{。 111为偶数。每一个 腰形冒口具有相同的体积和尺寸，
其中为 每一个冒口的体积，单位为mm3, I < i < Nmaokmj-an。每一个腰形暗冒口的宽度amaokmj-c