一种非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法
【专利摘要】一种非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法，涉及一种砂型铸造过程中冒口的设计方法。本发明的方法为：一、得到缩松缺陷分布特征；二、对于聚集分布、处于下部砂型中的缩松缺陷采用单一冒口；三、对于离散分布、处于下部砂型中的缩松缺陷的冒口尺寸的计算；四、对于集中分布、处于上部砂型中的缩松缺陷采用单一冒口；五、对于离散分布、处于上部砂型中的缩松缺陷的冒口尺寸的计算；六、根据由下向上顺序冷却方式，将内浇口进行适当移动，内浇口位置设计在非轴对称复杂铸件质量均分处，即完成非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计。本发明应用于砂型铸造领域。
【专利说明】一种非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种砂型铸造过程中冒口的设计方法。
【背景技术】
[0002] 非轴对称复杂铸件（例如，汽车发动机、火车用车钩、船用气缸）砂型铸造成形过 程中，及易产生缩松缺陷。缩松对铸件的力学性能影响很大。若关键承载面出现一定体积 分数的缩松，将直接导致铸件报废。由于铸件形状复杂，产生缩松的位置非常零散，铸造工 艺开发人员很难对缩松可能出现的位置有一个清晰明确的判断，因此在工艺设计时存在盲 点。
[0003] 采用实验试错法分析并控制非轴对称复杂铸件铸造过程中缩松缺陷形成，造成了 极大的人力、物力、财力和能源的浪费，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。
[0004]随着计算机仿真技术和现代铸造理论的发展，铸造数值模拟技术在仿真研究铸造 过程中流场分布和温度场分布从而预测缩松形成位置方面已经进入实用阶段。国际上开发 出很多铸造模拟软件（例如，ProCast，ViewCast，MagmaSoft)已经商业化。根据采用传统 铸造工艺计算机仿真得到的缩松缺陷产生位置，对铸造系统进行修正，利用数值仿真技术 指导铸造过程，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。
[0005]目前广泛被采用的消除缩松缺陷的方法为：冷铁激冷法、浇注工艺调整法和冒口 补缩法。冷铁激冷法不适合非轴对称复杂铸件的生产，因为制造贴合复杂曲面的冷铁难度 大、机加成本高、浪费工时。浇注工艺调整法即提高浇注温度，该方法对浇注设备要求高，合 金浇注温度高，容易产生吸气问题，提高了产生气孔缺陷的风险。冒口法是广泛被采用的 方法，该方法不但可以控制缩松产生区域（将缩松缺陷移离铸件关键工作面），还有排气集 渣的作用。但冒口法使用过程中存在的问题是：冒口尺寸设计过大会浪费金属材料，从而 增加生产成本；冒口尺寸设计过小，不能进行有效补缩，无法控制缩松缺陷；冒口尺寸设计 过大，还会增加局部凝固时间，造成局部凝固组织粗大，降低铸件力学性能以及铸件可加工 性。
【发明内容】
[0006] 本发明是要解决现有冒口法无法精确设计冒口尺寸的技术问题，从而提供一种非 轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法。
[0007] 本发明的一种非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法是按以下步骤 进行：
[0008] -、得到缩松缺陷分布特征：采用传统铸造工艺中制定的冒口尺寸、个数和位置， 进行铸件铸造过程三维充型过程和三维传热过程的计算机仿真，由等温线闭合区域为缩松 产生区，同时根据缩松率大于0. 7%即为缩松缺陷的标准，显示缩松缺陷在铸件内的分布；
[0009] 二、对于聚集分布、处于下部砂型中的缩松缺陷采用单一冒口
[0010] (1)当缩松缺陷所处空间所对应铸件外表面为规则面时，采用外切圆柱将缩松缺 陷包裹，采用热节圆柱法计算冒口尺寸；
[0011] 热节圆柱的模数
【权利要求】
1. 一种非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法，其特征在于非轴对称复杂 铸件砂型铸造过程中冒口的设计方法是按以下步骤进行： 一、得到缩松缺陷分布特征：采用传统铸造工艺中制定的冒口尺寸、个数和位置，进行 铸件铸造过程三维充型过程和三维传热过程的计算机仿真，由等温线闭合区域为缩松产生 区，同时根据缩松率大于0. 7%即为缩松缺陷的标准，显示缩松缺陷在铸件内的分布； 二、 对于聚集分布、处于下部砂型中的缩松缺陷采用单一冒口 (1) 当缩松缺陷所处空间所对应铸件外表面为规则面时，采用外切圆柱将缩松缺陷包 裹，采用热节圆柱法计算冒口尺寸； 热节圆柱的模数M_e_cylinder = ,其中，w为热 节圆柱底面半径，hwmindCT为热节圆柱高，单位均为米；冒口上限模数IatjkwIlindmrax =I.IMrejiW;冒口上限直@d_kou-max_1 :气普色―; 热节圆柱的体积Vr_e-Cy丨in€jer - 右小于 5X105m3，米 用补缩液量法计算冒口下限尺寸，冒口下限直径CiniaetoImil^1=PvMtaMs崎/3, 其中，η为凝固收缩率，η 其中，Ps为固相密度，P1为液相密度；冒口直径 dmaokou^= 壶.―爲靈α和β为大于i的整数且β>α ;冒口高度 hmaokou-1 1· 2dma〇k〇u-ι;右大于5X 10 in '目口直1"工dma〇k〇u-I d ma〇k〇u-max-1?目口1"?hma〇k〇u-1 1·SdnmOkou-1? (2) 当缩松缺陷所处空间所对应铸件外表面为非规则面时，采用外切球将缩松缺陷包 裹，采用热节球法计算冒口尺寸； 热节球的模数Mrejie^gphere =气趕其中，为热节球半 径，单位均为米；冒口上限模数 Mmaokou-sphere-max1·^-^rejie-sphere?冒口上限直径 i_^maokou-sphere-max 魏=......................................................................〇:17g....................................................................... : 热节球的体积Vrejie_sphere=^j〇feiie_sphere?若小于5Xl(T5m3，米用补缩液 量法计算冒口下限尺寸，冒口下限直径d_k_min_2 = 其 中η为凝固收缩率，η= 其中，Ps为固相密度，P1为液相密度；冒口直径 d_k〇u_2=α和β为大于1的整数且β>α;冒口高度 hmaokou-2 I. 2(ImaoJi.〇u_2;若大于5Xl(T5m3,冒口直径d_ kou-2 dmaokou-max-2 ? 冒口高度匕^^ = I.2dma〇k〇u-2; 三、 对于离散分布、处于下部砂型中的缩松缺陷的冒口尺寸的计算 当所处空间所对应铸件外表面为规则面的缩松缺陷，共NI个缩松缺陷，对于每一个缩 松缺陷，采用步骤二（1)中所述方法计算冒口模数、冒口直径 和冒口高度i取值1?Nl;当所处空间所对应铸件外表面为非规则面的 缩松缺陷，共N2个缩松缺陷，对于每一个缩松缺陷，采用步骤二（2)中所述方法计算冒 口 MmaOkou-sphere-3-j、目口4工dmaQk〇u-sphere-3-j和目 口 hmaokou-sphere-3-j?j取值1?N2; 若相邻冒口之间最短距离小于〇. 〇lm，将这些冒口合并为一个整体冒口。整体冒口模数 ^iiiaokou-all-3 一(Σ?=ιMnia〇k〇u__Cy"ncjer-3-i+Σ| =ιMma〇k〇u-sphere-3-j)，整体目口直 4工 ，整体冒口高度hmaokou-all-3 I. 2dma〇^〇u_a^^_3； 四、对于集中分布、处于上部砂型中的缩松缺陷采用单一冒口 (1) 当缩松缺陷所处空间所对应铸件外表面为规则面时，采用外切圆柱将缩松缺陷包 裹，采用热节圆柱法计算冒口尺寸； 热节圆柱的模数M-，= 其中， -^rejie-cylinder-up为热节圆柱底面半径， hrejie-cylinder-up为热节圆柱高，单位 均为米；冒口上限模数 Mmaokou-cylinder-up-max 1· ^-^rejie-cylinder-up? 冒口上限直径 j - ^maokou-cylinder-up-max amaokou-max-4 = 1〇 1785 热T1 0 柱的体积 %rrejje_ey-er-itphj'ejie-cyiinder-iip，右小 于5X10 5m3,米用补缩液量法计算冒口下限尺寸，冒口下限直径dmaokou_min_4 = ρ?Μ?￡23ΜΞ^?1/3,其中Ii为凝固收缩率，η 其中，Ps为固相密度，P1为液相 密度；冒 口直径dmactou-4 = α和β为大于 1 的整数且β 〉α，目口 度hma〇k〇u-4I· 2dma〇k〇u-4;右大于 5X10m' 目口J=L1"工dma〇k〇u-4dma〇k〇u-max-4' 目 口高度h_k()U_4=I. 2d_tou_4 ;冒口的顶端面应与上部砂箱的顶端面平齐，所以设计延伸高度h_k(^yansk4，若添加延伸高度h_kw_yanshm_4前后，冒口与铸件交接面处最长凝固时间相差不 超过100s，则最终g口商度为冒口商度h_k()U_4和延伸商度h_k()U_yanshen_4之和；否 贝IJ,最终冒口高度hLa〇k〇u-4为冒口高度h_kw_4; (2) 当缩松缺陷所处空间所对应铸件外表面为非规则面时，采用外切球将缩松缺陷包 裹，利用热节球法计算冒口尺寸； 热节球的I旲数Mrejie-sphere-up='' | ^其中，rrejie-E；phe:re-up为热节球半 径，单位均为米；冒口上限模数 Mmaokou-sphere-up-max 丄· ^-^rejie-sphere~up;冒口上限直径 I _ ^maokou-sphere-up-max Qmaokoii-max-S- 〇^78 * 热T1 球的体积Vrejie"Sphere"Up- ^7crrejie_Sphere_Up，右小于 5X10m，米用补 缩液量法计算冒口下限尺寸，冒口下限直径dmat)k_"rain"5 = ^￡￡Μ^ρΗ^1/3， 其中，η为凝固收缩率，η=s^a5其中Ps为固相密度，P1为液相密度；冒口直径 dma〇kou-5 =-歷^我α和β为大于1的整数且β>α，冒口高度 h-maokou-5I.SdmaoJiou^ ;右大于 5X10ΓΠ' 目 口直 1"工dmaQkQU-5dmaQkQU-max-5，目口 度I. 2d_k()U_5 ;冒口的顶端面应与上部砂箱的顶端面平齐，所以设计延伸高度h_k()U_yanshen_5，若 添加延伸高度h_k()U_yanshen_5前后，冒口与铸件交接面处最长凝固时间相差不超过100s，则最 终冃口尚度hma〇k〇u_5 为冒口高度h_kw_5和延伸高度h_k()U_yanshm_5之和；否则，最终冒口高 度hmaokou-S为目口冋度hma〇k〇u-5 ; 五、 对于离散分布、处于上部砂型中的缩松缺陷的冒口尺寸的计算 当所处空间所对应铸件外表面为规则面的缩松缺陷，共N3个缩松缺陷，对于每一个缩 松缺陷，采用步骤二（1)中所述方法计算冒口模数冒口直径CU^ylindwIk 和冒口高度11_1;。11_。011(^_6_ 1;，1^取值1?吧；当所处空间所对应铸件外表面为非规则面的 缩松缺陷，共M个缩松缺陷，对于每一个缩松缺陷，采用步骤二（2)中所述方法计算冒 口 ^maokou-sphere-6-t、目口 4工dma〇k〇u-sphere-6-t矛口目口 " hmaokou-sphere-6-1?t取值1?M; 若相邻冒口之间最短距离小于0.01m，将这些冒口合并为一个整体冒口，整体冒口模数 !?/2 ^maokou-all-6 = (Sk=T^maokou-cylinder-6-kSt=I^maokou-sphere-6-t) ，整体目 口 直径dma〇k〇l卜aI丨-6 - ........k3 整体冒 口尚度hmaQkQU-all-6 =I. 2d_kQU-all-6 ;冒口的 顶端面最好应与上部砂箱的顶端面平齐，所以设计延伸高，若添加延伸高 度h_k()U_yanshen_6前后，冒口与铸件交接面处最长凝固时间相差不超过100s，则最终冒口 ^度6 为冃口 ^度hmaQkou-all-6 和延伸高度h_tou_yanshen_6之和；否则，最终冒口高度 hmaokou-all-6 为目 口冋度hmaokou-all-6 ? 六、 根据由下向上顺序冷却方式，将内浇口进行适当移动，内浇口位置设计在非轴对称 复杂铸件质量均分处，即完成非轴对称复杂铸件砂型铸造过程中冒口的设计。
【文档编号】B22C9/08GK104439086SQ201410746834
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】王丽萍, 刘东戎, 杨智鹏, 马宝霞, 曹国剑, 冯义成, 康福伟, 郭二军 申请人:哈尔滨理工大学