一种模拟铝合金砂型铸造过程的缩孔缺陷预测方法与流程

本发明涉及一种模拟铝合金砂型铸造过程的缩孔缺陷预测方法，属于铝合金砂型铸造工艺优化及计算的技术领域。

背景技术：

铝合金砂型铸造是铝合金金属液流入铸型凝固后获得预期形状、尺寸和性能零件的一种铸造方法；工艺过程是：铝合金金属液通过浇口先后经过直浇道、横浇道、内浇道流入型腔，充满整个型腔，直到铸件完全冷却凝固后得到预期铸件。

铝合金金属液凝固时由于其收缩过程中补缩不足会产生缩孔，缩孔的形成造成铸件缺陷，严重影响铸件的质量；铝合金金属液凝固过程中缩孔的形成是一个复杂的过程，需要用数值模拟仿真的方法展现其形成的整个过程，精确预测铝合金金属液凝固过程形成缩孔的分布和尺寸，为优化工艺、模具设计和预防、减少铸件缺陷提供理论依据。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对铝合金砂型铸造过程存在的缩孔缺陷，根据铝合金砂型铸造凝固过程特点，通过建立数学模型和程序计算，展现缩孔的形成过程，对铝合金哑铃状铸件在凝固过程中形成缩孔的分布和尺寸进行预测，为优化工艺、模具设计、预防和减少铸件缺陷提供理论依据。

技术方案

(1)获得铝合金哑铃状铸件

①预制砂型铸造模具

制备哑铃状木模并成型；用砂纸打磨木模表面，使表面光洁；以哑铃状木模为成型模型，用呋喃树脂砂制作砂型模具，并在砂型模具浇口设置氧化锆滤网浇口，备用；

①熔炼铝合金熔液

称取铝合金5kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至720℃±2℃，并对熔液进行搅拌，采用六氯乙烷除气，随后除渣，静置5min；铝合金熔液温度降至690℃±2℃，待用；

③砂型铸造

将铝合金熔液注入砂型模具浇口，金属液进入模具型腔并充满型腔；

④冷却及取出铸件

浇铸后，将模具及其内的铸件置于自然空气中冷却至25℃；冷却后开模，取出哑铃状铸件；

⑤清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面、用机械切除铸件余头、用砂纸打磨铸件表面，使表面清洁，哑铃状铸件成型；

(2)建立缩孔缺陷预测模型

①建立三维模型、粒子离散及初始化

首先利用建模软件建立三维实体，然后对铸型、型腔内铝合金熔液进行粒子离散，设置粒子的初始属性，具体步骤如下：

1)三维实体的建立

用三维建模软件建立铸型、型腔内的铝合金熔液的三维模型；

2)粒子离散及设置粒子的初始参数

三维建模软件导出三维实体，经过粒子离散，确定粒子初始位置；根据粒子类型不同，设置不同属性粒子的初始压力、密度、粘度、初始温度、导热系数、比热容；并确定时间步长和初始光滑长度值，并规定每5000个时间步长为一个计算阶段；铸型粒子为固壁边界粒子，采用排斥力法处理边界；

②建立链表搜索方法

通过将问题域划分为小的区域确定影响域内相互作用的粒子，实现粒子配对、存储粒子对信息，具体步骤如下：

1)将问题域划分区域

根据粒子初始位置将所有粒子划分区域，每个粒子都属于其特定的区域，划分区域之后，在粒子搜索的过程中只搜索粒子所在区域及其周围区域内的粒子；

2)粒子搜索、配对及存储粒子对信息

在只搜索粒子所在区域及其周围区域内的粒子的条件下，以粒子i所在的位置为圆心，2倍的光滑长度为半径的球形区域表示粒子i的影响域；当粒子i与粒子j间距rij的数值小于或等于2倍的光滑长度时，则可以认为粒子i与粒子j匹配，在后续计算中将考虑粒子j对粒子i的影响；在满足匹配条件下，为了避免重复配对，只有搜索到的j粒子编号小于i粒子编号时才完成配对并存储该粒子对信息；

在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子的区域划分、搜索、配对、存储粒子对信息；

③计算粒子温度和加速度

铝合金金属液粒子温度降低，温度变化会对金属液粒子的物性参数产生影响，基于该情况实现物性参数处理；除了考虑温度变化之外，凝固过程中结晶潜热处理也是关键，具体步骤如下：

1)温度的计算及物性参数处理；

粒子温度的计算及物性参数处理具体步骤如下：

对所有粒子进行温度变化计算，具体表达式如下：

式中：表示i粒子温度随时间的变化率，ci表示i粒子比热容，ρi表示i粒子密度，表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，n表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，ρj表示j粒子的密度，λi表示i粒子的导热系数，λj表示j粒子的导热系数，ti表示i粒子的温度值，tj表示j粒子的温度值，rij表示i粒子和j粒子之间的距离，表示表示光滑函数梯度，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向；

对于型腔内粒子，计算过程中粘度、导热系数和密度随温度的变化而变化，具体表达式如下：

粘度随温度的变化，具体关系式如下：

当粒子温度在536℃-574℃时，η＝0.024t²-28t+8164.656，η单位为pa·s；当粒子温度在574℃-576℃时，η＝11.56-0.02t，η单位为pa·s；当粒子温度在576℃-589℃时，η＝1.013-0.00169t，η单位为pa·s；当粒子温度在589℃-720℃时，η＝0.0118，η单位为pa·s；η表示粒子粘度，t表示粒子温度，单位℃；

导热系数随温度的变化，具体关系式如下：

当粒子温度小于536℃，λ＝170，λ单位为w/(m·℃)；当粒子温度在536℃-589℃时，λ＝1081.2-1.7t，λ单位为w/(m·℃)；当粒子温度在589℃-720℃时，λ＝80，λ单位为w/(m·℃)；

不同计算阶段之间，密度随温度的变化，具体关系式如下：

当粒子温度小于536℃，ρ＝2702，ρ单位为kg/m³；当粒子温度在536℃-589℃时，ρ＝4336.8-3.05t，ρ单位为kg/m³；当粒子温度在589℃-720℃时，ρ＝2540，ρ单位为kg/m³；

2)金属液粒子加速度的计算；

式中：w表示光滑函数，αd为常数取值表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，n表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，pi表示粒子i的压力值，pj表示粒子j的压力值，ρi表示粒子i的密度,ρj表示粒子j的密度，g表示粒子的重力加速度,ηi和ηj分别表示粒子i和粒子j动力粘性系数，表示粒子i和粒子j的速度差，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向，r表示粒子间距和光滑长度的比值；

上式的计算需要计算粒子压力值p，压力值p计算表达式如下：

式中：p0表示压力初始值，ρ0表示粒子初始密度，γ为常数，g表示重力加速度，h表示铸件高度；

在同一计算阶段内，密度变化率由下式求得，具体表达式如下：

式中：表示粒子i密度随时间的变化率，表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，n表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，表示粒子i与粒子j的速度差，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向；

3)潜热处理

潜热处理是凝固过程中必须要考虑的一个因素，采用修正比热容值的方法体现潜热释放对温度计算的影响，当金属液粒子温度值处于液相线和固相线之间时，修正后的比热容ce计算公式如下：

式中：ce表示修正后比热容，cp表示原比热容，lf表示金属液的凝固潜热，ts表示固相线温度，tl表示液相线温度；

原比热容cp随温度的变化，具体关系式如下：

当粒子温度小于等于536℃时，cp＝0.0006t+0.82，cp单位kj/(kg·℃)；当粒子温度在536℃-720℃时，cp＝1.14，cp单位为kj/(kg·℃)；t表示粒子温度，单位℃；

④经过一个时间步长，对粒子的温度、速度、位置进行更新，具体步骤如下：

1)粒子在当前时刻的温度值等于其上一时刻的温度值加上温度随时间的变化率乘以时间步长；

2)金属液粒子速度和位置更新如下：

金属液粒子在当前时刻的速度值等于其上一时刻的速度值加上加速度乘时间步长；金属液粒子在当前时刻的位置值等于其上一时刻的位置值加上加速度乘以时间步长的平方再乘以

一个时间步长计算完成后，重新进行粒子的区域划分、搜索、配对和粒子温度、速度、位置和物性参数的计算，直到计算结束；

铝合金砂型铸造过程的缩孔缺陷预测方法由计算机程序完成，以vc++为开发平台进行程序编写，计算程序如下：

(3)预测结果

计算中粒子总数为144000个，数值模拟结果表明哑铃状铸件出现了缩孔，数值模拟结果与实测结果吻合。

有益效果：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝合金砂型铸造过程中存在的缩孔缺陷现象，在实际铸造之前进行模拟预测，有利于在实际铸造中减少铸

造缺陷；以vc++为开发平台编写程序，进行计算机运行，得出预测结果，显示铝合金铸件砂型铸造中缩孔缺陷的分布情况、尺寸；此预测方法使用设备少，计算方法通用、合理，计算速度快，模拟结果准确，适合铝合金铸件砂型铸造下缩孔缺陷预测，此预测方法也可用于其他黑色金属的砂型铸造缺陷预测，为优化铸造工艺，避免、减少铸件缩孔缺陷提供指导依据。

附图说明

图1、铝合金哑铃状铸件主视图

图2、铝合金哑铃状铸件俯视图

图3、铝合金哑铃状铸件侧视图

图4、铝合金哑铃铸件砂型铸造状态图

图中所示，附图标记清单如下：

1、上哑铃，2、下哑铃，3、颈部，4、钢模套，5、砂型模具，6、上哑铃型腔，7、下哑铃型腔，8、颈部型腔，9、氧化锆浇口，10、铝合金液，11、第一开合架，12、第二开合架，13、第三开合架，14、第四开合架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1、2、3所示，为铝合金哑铃铸件结构图，铝合金哑铃上部为上哑铃1、下部为下哑铃2、中间由颈部3连接为一体，呈哑铃状。

图4所示，为铝合金哑铃状铸件砂型铸造状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固；砂型铸造使用的砂型模具5外部由钢模套4固定，钢模套4由第一开合架11、第二开合架12、第三开合架13、第四开合架14连接并固定；钢模套4上部设有氧化锆浇口9；在砂型模具5内上部为上哑铃型腔6，上哑铃型腔6下部连接颈部型腔8，颈部型腔8下部连接下哑铃型腔7；上哑铃型腔6上部与氧化锆浇口9连接；上哑铃型腔6、颈部型腔8、下哑铃型腔7内为铝合金液10。