一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法与流程

本发明属于金属铸造成形工艺领域，具体为一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法。

背景技术：

关于铸件和铸型界面换热系数的确定方法有很多，目前采用较为广泛的是反算法。其中一种应用原理是假定一段时间内铸件和铸型换热界面的热流为常数，计算该段时间内铸件或者铸型内的温度场，再根据实测的铸件或者铸型内某些位置点的温度曲线，迭代修正界面热流，进而求解铸件和铸型之间的界面换热系数。想要获取铸件或者铸型内某些位置的温度曲线，需要在铸件和铸型内不同位置处布置相应的热电偶采集温度数据。

砂型与金属型相比较，具有较好的透气性，但其导热性能较差，且凝固过程中砂型具有退让性。砂型中热电偶的定位与固定需要考虑砂型的成形特点。如粘土砂型成形主要依靠人为夯实操作确保型砂具有一定的强度和硬度，而树脂砂型则依靠自身的固化成形。在开展铝合金或镁合金在砂型中的浇注实验时，仅依靠热电偶自身实现在铸件或砂型中的定位与固定很难。如粘土砂型浇注实验中，若在粘土砂造型前固定热电偶，则在人工夯实粘土砂过程中，热电偶会移动，测温点定位不准；若在粘土砂造型完成后固定热电偶，因夯实后的粘土砂具有一定强度和硬度，热电偶很难穿插固定，且无法获取热电偶测温点的位置。而在树脂砂型浇注实验中，热电偶的定位与固定则必须在树脂砂固化反应完成前实现，否则树脂砂固化后热电偶无法在砂型中穿插并定位。

专利201310462506.x^[1]公开了一种平板镁合金砂型铸造中砂型温度场的测量方法，提出了采用金属模具提前制备砂块，将用于测温的热电偶固定于砂块中。该方法针对具有固化效果的砂型较为可行，而对于粘土砂型这类需经人工夯实操作成形的砂型材料不太合适，因为砂块置入后，在后续人工夯实的过程中，粘土砂块易破碎，导致热电偶的定位失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法，可以确保热电偶测温点的准确定位和固定，便于采集铸件和砂型内的温度曲线。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法，包括具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法和不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法；

所述具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，包括如下步骤：

1)制作制备砂块和固定热电偶的木模，该木模包括均为“回”字形的相同尺寸的上模和下模；在与铸件和砂型换热界面平行的下模的两个侧面对应位置开有一个或多个贯穿性定位直槽，使得一个或多个贯穿性定位直槽垂直于铸件和砂型换热界面，用于放置测量铸件内温度曲线的热电偶；在与铸件和砂型换热界面垂直的下模的一侧面开多个定位盲槽，作为测量砂型内温度曲线的热电偶的测温点定位，另一侧面与盲槽对应位置处开有贯穿性定位直槽，用于放置测量砂型内温度曲线的热电偶的后端，使得贯穿性定位直槽平行于铸件和砂型换热界面；

2)将木模的下模放置在水平面上，将需要布置于铸件内的热电偶平躺在下模的与铸件和砂型的换热界面垂直的贯穿性定位直槽中；将需要布置于砂型中的热电偶的测温点固定在定位盲槽中，而热电偶的后端平躺在与铸件和砂型的换热界面平行的贯穿性定位直槽中，这样布置使得位于铸件和砂型内部的热电偶位置交叉，降低热电偶位置变动的可能性；

3)将木模的上模与下模合模，并且将木模固定在水平面上，防止在填砂过程中，热电偶位置发生变动；

4)将具有自身固化成形特点的砂型材料填入木模中，等该砂型材料固化形成砂块后，进行砂块的脱模；

5)在整体砂型造型时，将置于铸件中的热电偶前端弯折，并将砂块表面与铸件木模表面紧密贴合，然后在砂箱内进行填砂操作，等具有自身固化成形特点的砂型材料的砂型整体固化完成后，将铸件的木模从砂型中脱出，将置于铸件中的热电偶的测温点进行位置调整；

6)将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集设备相连接，设定采集频率，先采集温度再实施浇注实验，根据实验需求选择温度采集的总时长；

所述不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，包括如下步骤：

1)制作制备砂块和固定热电偶的金属薄片，选择导热性能好，且厚度小于2mm的金属薄片，选取金属薄片的某一边作为紧贴铸件和砂型换热界面的边，称为定位边，在金属薄片上距离定位边预设距离的平行线上制作规律分布的孔；

2)将布置于砂型及铸件内的热电偶沿相互垂直的方向以“s”型的方式通过金属薄片的孔穿插固定；

3)在不具有自身固化成形特点的砂型材料的砂型造型过程中，在砂箱中填入砂型材料，并进行人工夯实操作，然后取出靠近铸件木模表面附近的已经夯实的部分砂型材料，以便有足够的空间布置金属薄片；将金属薄片的定位边紧贴铸件木模表面，并且将金属薄片后端即远离布置于砂型中热电偶测温点的部分弯折，插入到不具有自身固化成形特点的砂型材料中，尽可能确保热电偶不会发生水平方向上位置的漂移；然后向之前为布置金属薄片而预留的空间内填入砂型材料；

4)不具有自身固化成形特点的砂型材料的砂型整体造型完成后，将铸件的木模脱出，并将置于铸件中的热电偶的测温点进行位置调整；

5)将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集设备相连接，设定采集频率，先采集温度再实施浇注实验，根据实验需求选择温度采集的总时长。

优选的，所述具有自身固化成形特点的砂型材料为树脂砂，不具有自身固化成形特点的砂型材料为粘土砂。

优选的，便于砂块脱模，所述上模和下模包括形状和尺寸相同的左右两部分或上模和下模除了与铸件和砂型换热界面接触的内表面外，其余内表面均进行处理。

进一步优选的，所述其余内表面进行处理的方法为：在内表面设置倒模角，使得垂直于水平方向的上下模截面均成直角梯形，且上下模合模处的边为梯形平行边中较短的一边。

优选的，所述具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法中，槽的深度大于热电偶直径0.5mm。

优选的，所述具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法中，用于固定砂型中热电偶测温点的定位盲槽的长度为1～2mm，且布置于砂型中的热电偶测温点对应的定位盲槽长度需保持一致，目的是确保砂型中热电偶的多个测温点过同一条垂直换热界面的直线。

本发明具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，该方法具有以下特点：1、使用木制模具制备固定热电偶的砂块，模具材料易获得，成本低，且木模的加工方式简单，可针对木模设计特殊处理便于热电偶定位及砂块的脱模；2、热电偶的测温点位置可控，可以根据需求设计热电偶测温点到铸件和砂型换热界面的距离，且砂块具有一定的强度和硬度，可以确保热电偶在后续填砂及砂型成形过程中，热电偶测温点位置不变；3、砂块材料与砂型材料相同，不影响砂型自身的传热；4、采用砂块木模制备出的砂块形状为块状，通过设计木模的尺寸可以调控用于固定热电偶的砂块尺寸。

本发明不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，该方法是通过带孔的金属薄片实现热电偶的定位与固定，在砂型整体造型过程中，将已经固定好热电偶的金属薄片置于砂型中，将热电偶与多通道温度采集设备相连接，在砂型中浇注金属液，测量凝固过程中铸件和砂型内指定位置处的温度数据。

本发明不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，该方法具有如下特点：1、固定装置用金属材料易得，成本较低，可操作性高；2、热电偶的测温点位置可控，可以根据需求设计热电偶测温点到铸件和砂型换热界面的距离；3、固定装置材料具有较好的机械性能，避免在人工压实粘土砂的过程遭受物理损伤而出现热电偶位置的移动，且在较高温环境中材料不会出现明显的软化现象，能在较高温环境下有效固定热电偶；4、固定装置自身导热性能好，对砂型自身传热影响较小；5、固定装置可多次重复使用。

综上所述，本发明提出了一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法，本发明与传统的直接使用热电偶测量铸件及砂型中的测温技术相比，热电偶在砂型中的固定效果更好且定位更加准确；并且在浇注实验中，可有效采集铸件和砂型内指定位置处的温度曲线，为反算铸件和砂型界面换热系数提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法中木模及木模中放置热电偶示意图。

图2为在上模和下模内表面设置倒模角示意图。

图3为热电偶布置示意图。

图4为本发明不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法中金属薄片及金属薄中放置热电偶示意图。

图5为合金砂型铸造过程中铸件及铸型内的温度曲线，其中图5a为树脂砂砂型铸造过程中铸件及铸型内的温度曲线，图5b为粘土砂砂型铸造过程中铸件及铸型内的温度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明一种砂型铸造铸型内部测温热电偶的定位与固定方法，包括具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法和不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法。

如图1所示，具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，包括如下步骤：

1、制作制备砂块和固定热电偶的木模，该木模包括均为“回”字形的相同尺寸的上模和下模，上模和下模除了与铸件和砂型换热界面接触的内表面外，其余内表面均进行处理，便于砂块脱模，具体处理方法如图2所示，在内表面设置倒模角，使得垂直于水平方向的上下模截面均成直角梯形，且上下模合模处的边为梯形平行边中较短的一边；在与铸件和砂型换热界面平行的下模的两个侧面对应位置开有一个或多个贯穿性定位直槽，使得一个或多个贯穿性定位直槽垂直于铸件和砂型换热界面，用于放置测量铸件内温度曲线的热电偶；在与铸件和砂型换热界面垂直的下模的一侧面开多个定位盲槽，作为测量砂型内温度曲线的热电偶的测温点定位，另一侧面与盲槽对应位置处开有贯穿性定位直槽，用于放置测量砂型内温度曲线的热电偶的后端，使得贯穿性定位直槽平行于铸件和砂型换热界面；

2、将木模的下模放置在水平桌面上，将需要布置于铸件内的热电偶平躺在下模的与铸件和砂型的换热界面垂直的贯穿性定位直槽中；将需要布置于砂型中的热电偶的测温点固定在定位盲槽中，而热电偶的后端平躺在与铸件和砂型的换热界面平行的贯穿性定位直槽中，这样布置使得位于铸件和砂型内部的热电偶位置交叉，降低热电偶位置变动的可能性；

3、将木模的上模与下模合模，并且使用夹子将木模固定在水平桌面上，防止在填砂过程中，热电偶位置发生变动；

4、将具有自身固化成形特点的砂型材料(树脂砂)填入木模中，等砂型材料固化形成砂块后，进行砂块的脱模；

5、在整体砂型造型时，将置于铸件中的热电偶前端弯折，并将砂块表面与铸件木模表面紧密贴合，然后在砂箱内进行填砂操作，等砂型整体固化完成后，将铸件的木模从砂型中脱出，将置于铸件中的热电偶的测温点进行位置调整；

6、将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集设备相连接，设定采集频率，先启动软件采集温度再实施浇注实验，根据实验需求选择温度采集的总时长。

如图4所示，不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法，包括如下步骤：

1、取厚度小于2mm的金属薄片，选取金属薄片的某一边作为紧贴铸件和砂型换热界面的边(称为定位边)，在金属薄片上距离定位边预设距离的平行线上制作规律分布的孔。

2、将布置于砂型及铸件内的热电偶沿相互垂直的方向以“s”型的方式通过金属薄片的孔穿插固定；

3、在不具有自身固化成形特点的砂型材料的砂型造型过程中，在砂箱中填入砂型材料，并进行人工夯实操作，然后取出靠近铸件木模表面附近的已经夯实的部分砂型材料，以便有足够的空间布置金属薄片；将金属薄片的定位边紧贴铸件木模表面，并且将金属薄片后端(远离布置于砂型中热电偶测温点的部分)弯折，插入到粘土砂中，尽可能确保热电偶不会发生水平方向上位置的漂移；然后向之前为布置金属薄片而预留的空间内填入砂型材料；

4、不具有自身固化成形特点的砂型材料的砂型整体造型完成后，将铸件的木模脱出，并将置于铸件中的热电偶的测温点进行位置调整；

5、将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集设备相连接，设定采集频率，先启动软件采集温度再实施浇注实验，根据实验需求选择温度采集的总时长。

实施例

如图1所示，具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法具体操作步骤：

1、准备好树脂砂材料、铸件模具和砂块木模，其中铸件模具与铸件的形状、大小相同，形状为板状，且长宽高分别为100mm、100mm、30mm。

2、将砂块木模的下模放置在水平桌面上，将需要布置于砂型中的三根热电偶及布置于铸件内的一根热电偶(直径均为1mm)通过深度为1.5mm的贯穿性定位直槽固定在木模的下模中，其中用于固定置于砂型中热电偶测温点的定位盲槽长度为1mm，如图3所示，置于砂型中的热电偶的测温点到铸件和砂型的换热界面的距离分别为2mm、5mm和10mm。使用固定夹将合模后的木模固定在水平桌面上，确保热电偶的测温点不发生变化；

3、将树脂砂型材料填充至砂块木模中，待木模中的树脂砂型材料固化完成后，将用于固定木模的夹具卸去，轻敲木模边缘即可完成砂块的脱模；

4、将铸件模具布置于砂型中，将砂块表面紧贴铸件模具的表面，进行树脂砂的填充；

5、整体砂型造型完成后，将铸件木模从砂型中脱出，将布置于铸件中的热电偶的测温点的位置进行调整；

6、将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集仪连接，开启采集仪，确认热电偶采集温度情况；

7、实施浇注及测温实验，测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶温度采集时间根据需求进行选择。

如图4所示，不具有自身固化成形特点的砂型材料的定位与固定方法具体操作步骤：

1、准备好粘土砂型材料、铸件模具和固定装置用金属薄片材料，其中铸件模具与铸件的形状、大小相同，长宽高分别为100mm、100mm和30mm，金属薄片厚度为1mm，长度为80mm，宽度为40mm，金属薄片上圆孔直径为1.5mm；

2、将布置于砂型中的三根热电偶和布置于铸件内的一根热电偶(直径均为1mm)通过金属薄片上规律分布的孔固定于金属薄片上，置于砂型中的热电偶的测温点到铸件和砂型的换热界面的距离分别为2mm、6mm和10mm；

3、将铸件模具布置于砂型中，在砂箱内填砂，对粘土砂进行夯实操作，将金属薄片的定位边紧贴铸件模具表面，同时将弯折好的长度为30mm的金属薄片尾端(远离布置于砂型中热电偶测温点的部分)，插入到砂型中，防止热电偶在砂型夯实过程中出现位置变化；然后向之前为布置金属薄片而预留的空间内填入砂型材料；

4、整体砂型造型完成后，将铸件木模从砂型中脱出，将布置于铸件中的热电偶的测温点的位置进行调整；

5、将测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶与多通道温度采集仪连接，开启采集仪，确认热电偶采集温度情况；

6、实施浇注及测温实验，测量铸件内温度曲线的热电偶和测量砂型内温度曲线的热电偶温度采集时间根据需求进行选择。

树脂砂浇注实验及粘土砂浇注实验中铸件及砂型内部温度变化如图5中图5a和图5b所示。