CN105598379A - 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 - Google Patents

Abstract

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，涉及回转体薄壁铸件砂型铸造技术。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。本发明采用物理实验的方法确定合金/砂型界面换热系数，同时配合砂型浇注圆圈形状铸件的实验手段对界面换热系数的实用性进行实验验证，基于更为准确的缩松缺陷预测设计冒口。合金/砂型界面换热系数的精确选择和实验验证为缩松缺陷的准确预测以及合理的冒口尺寸设计奠定了坚实的基础，解决了目前缺陷预测和冒口设计过程中涉及大量试算且缺少必要实验验证的问题，提高了冒口设计的准确度，加速了铸造工艺优化进程，缩短产品开发周期，将铸件产品品质提高20～40％。

Description

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

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

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50mm)，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。

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。

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

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。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

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：

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。

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L_plane为254mm，板的厚度δ_plane与回转体薄壁铸件最小壁厚δmin_casting和最大壁厚δmax_casting的平均值相等，即δ_plane＝(δmin_casting+δmax_casting)/2，板的宽度W_plane和板的厚度δ_plane相等,即W_plane＝δ_plane；单位均为mm；

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L_sand＝[10mm+L_plane/2+L_plane+(20％×dmin_sand)]，宽度为W_sand＝[W_plane+2×(20％×dmin_sand)]，厚度为δ_sand＝[δ_plane+2×(20％×dmin_sand)]，其中dmin_sand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(10mm+L_plane/2)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)。直浇道尺寸特征：纵向放置圆柱体，直径D_ver为L_plane/5，高度H_ver为[δ_plane+(20％×dmin_sand)]。横浇道尺寸特征：横向放置圆柱体，直径D_hori为δ_plane/4。单位均为mm；

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x_i(i的取值范围1～NT)。

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)。

步骤一(5)、进行铸件铸造过程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Jm^-2s^-1)作为温度场计算的边界条件，其中t为时间(单位s)，ρ_sand为型砂密度(单位kgm^-3)，cp_sand为型砂比热(单位Jkg^-1K^-1)，由升温曲线提供，Δt(单位s)为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，ΔT_i为升温曲线中t+Δt时刻温度与t时刻温度的差值(单位K)，ΔT_i＝T_i(t+Δt)-T_i(t)。由合金/砂型(合金和砂型之间)界面处热流密度Q_simu(t)＝h_alloy-sand(T_alloy-T_sand)与Q_exp(t)相等，推算平均合金/砂型界面换热系数h_alloy-sand(Wm^-2K^-1)，其中T_alloy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。

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。

步骤二(1)、铸件型腔为圆圈形，共5圈。进行N_pouring次实验，N_pouring≥3，获得N_pouring个实验铸件，每次实验的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)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Lexp_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，单位mm。绘制实验铸件长度Lexp_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线。

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h_alloy-sand来自步骤一。采用与实验相同的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，进行N_pouring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Lsimu_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线。

步骤二(3)、模拟所得Lsimu_pouring-T_pouring变化曲线与实验所得Lexp_pouring-T_pouring曲线进行对比，如果最大差值的绝对值＞100mm，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h_alloy-sand的实用性，进入步骤三。

步骤三、采用步骤一中所获得的合金/砂型界面换热系数h_alloy-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，显示缩松缺陷在铸件内的分布；

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。

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M_rejie-circle＝2πr_rejie-circle，其中，r_rejie-circle为热节圆环半径，单位为mm；腰形冒口上限模数M_{maokou-circle-max}＝1.15M_rejie-circke；腰形冒口上限宽度为单位为mm；腰形冒口上限体积V_{maokou-circle-max}＝3.57(a_{maokou-circle-max})³，单位为mm³；

步骤四(2)、腰形冒口的个数为N_maokou-an，2≤N_maokou-an≤8，N_maokou-an为偶数。每一个腰形冒口具有相同的体积和尺寸。其中V_{maokou-circle-i}为每一个冒口的体积，单位为mm³，1≤i≤N_maokou-an。每一个腰形暗冒口的宽度a_{maokou-circle-i}＝(V_{maokou-circle-i}/3.57)^1/3，高度为2a_{maokou-circle-i}，长度为2a_{maokou-circle-i}，圆弧半径为a_{maokou-circle-i}/2，单位均为mm。

本发明包括以下有益效果：

本发明设计了一种回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计方法，采用物理实验的方法确定合金/砂型界面换热系数，同时配合砂型浇注圆圈形状铸件的实验手段对界面换热系数的实用性进行实验验证，基于更为准确的缩松缺陷预测设计冒口。合金/砂型界面换热系数的精确选择和实验验证为缩松缺陷的准确预测以及合理的冒口尺寸设计奠定了坚实的基础，解决了目前缺陷预测和冒口设计过程中涉及大量试算且缺少必要实验验证的问题，提高了冒口设计的准确度，加速了铸造工艺优化进程，缩短产品开发周期，将铸件产品品质提高20～40％。

本发明适用于回转体薄壁铸件砂型铸造过程。利用本发明可以更为准确的预测缩松缺陷形成位置，为冒口设计提供准确的参数指导，从多个方面辅助铸造工艺开发和优化，具有巨大市场应用潜力，广泛采用本发明方法进行回转体薄壁铸件砂型铸造过程中冒口设计，能够制造高达数亿元的产值。

附图说明

图1为本发明涉及的缸体叶片铸件三维实体图，其中，a为主视图，b为俯视图，c为立体图；

图2为本发明实施例1中物理模拟实验铸造系统示意图，其中，a为三维实体图，b为主视图，c为俯视图；

图3为本发明实施例1中物理模拟实验所得铸件；

图4为本发明实施例1中物理模拟实验所得3个热电偶处的升温曲线，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示温度；

图5为本发明实施例1中实验所得热流密度Q_exp(t)随时间变化曲线；

图6为本发明实施例1中的各参数变化曲线图，图中：

a为合金/砂型(合金和砂型之间)界面处合金液温度T_alloy随时间变化曲线、b为合金/砂型(合金和砂型之间)界面处型砂温度T_sand随时间变化曲线、c为合金/砂型(合金和砂型之间)界面换热系数为810Wm^-2K^-1时模拟所得热流密度Q_simu(t)随时间变化曲线；

图7为本发明实施例1中圆圈形状铸件三维实体图，图中：a为正视图，b为俯视图；

图8为本发明实施例1中4个不同浇注温度1486℃、1514℃、1555℃和1588℃下实验所得铸件，图中，a为浇注温度1486℃下实验所得铸件、b为浇注温度1514℃下实验所得铸件、c为浇注温度1555℃下实验所得铸件、d为浇注温度1588℃下实验所得铸件；

图9为本发明实施例1中4个不同浇注温度1486℃、1514℃、1555℃和1588℃下模拟所得铸件内温度场分布；

a为浇注温度1486℃下模拟所得铸件内温度场分布、b为浇注温度1514℃下模拟所得铸件内温度场分布、c为浇注温度1555℃下模拟所得铸件内温度场分布、d为浇注温度1588℃下模拟所得铸件内温度场分布；

图10为本发明实施例1中圆圈形状铸件长度模拟和实验测量对比；

图11为本发明实施例1中传统铸造工艺冒口和浇道位置，图中，a为主视图，b为俯视图；

图12为本发明实施例1中传统铸造工艺下缩松缺陷分布预测图；图中，浅灰色区域为无缩松缺陷形成区；深灰色区域为缩松缺陷形成区；

图13为本发明实施例1中腰形冒口尺寸示意图；

图14为本发明实施例1中优化工艺中腰形暗冒口尺寸示意图，a为主视图，b为俯视图；从图中可见共8个腰形暗冒口，标号分为1，2，3，4，5，6，7和8；

图15为本发明实施例1中添加腰形暗冒口后缩松缺陷分布预测图，浅灰色区域为无缩松缺陷形成区；深灰色区域为缩松缺陷形成区。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的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，是按以下步骤进行：

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(合金和砂型之间)界面换热系数；

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，长方形板的长度用L_plane表示，板的厚度δ_plane与回转体薄壁铸件最小壁厚δmin_casting和最大壁厚δmax_casting的平均值相等，即δ_plane＝(δmin_casting+δmax_casting)/2，板的宽度W_plane和板的厚度δ_plane相等，即W_plane＝δ_plane；单位均为mm；

步骤一(2)、物理模拟实验采用砂型铸造，砂型为长方形，其尺寸特征：长度为L_sand＝[10mm+L_plane/2+L_plane+(20％×dmin_sand)]，宽度为W_sand＝[W_plane+2×(20％×dmin_sand)]，厚度为δ_sand＝[δ_plane+2×(20％×dmin_sand)]，其中dmin_sand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(10mm+L_plane/2)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)；直浇道尺寸特征：纵向放置圆柱体，直径D_ver为L_plane/5，高度H_ver为[δ_plane+(20％×dmin_sand)]；横浇道尺寸特征：横向放置圆柱体，直径D_hori为δ_plane/4，单位均为mm；

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x_i，i的取值范围1～NT；(这里的i也指TCi中i)；

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，所述升温曲线为温度随时间变化曲线；

步骤一(5)、进行铸件铸造过程三维传热过程的计算机仿真：物理模拟实验所得热流密度作为温度场计算的边界条件，热流密度的单位为Jm^-2s^-1，式中t为时间，单位s；ρ_sand为型砂密度，单位kgm^-3；cp_sand为型砂比热，单位Jkg^-1K^-1；由升温曲线提供，Δt为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，单位为s；ΔT_i为升温曲线中t+Δt时刻温度与t时刻温度的差值，单位K；ΔT_i＝T_i(t+Δt)-T_i(t)；由合金/砂型(合金和砂型之间)界面处热流密度Q_simu(t)＝h_alloy-sand(T_alloy-T_sand)与Q_exp(t)相等，推算平均合金/砂型界面换热系数h_alloy-sand(Wm^-2K^-1)，其中T_alloy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；

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获得的平均合金/砂型界面换热系数h_alloy-sand(Wm^-2K^-1)，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：

步骤二(1)、铸件型腔为圆圈形，共5圈，进行N_pouring次实验，N_pouring≥3，获得N_pouring个实验铸件，每次实验的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)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Lexp_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，单位mm；绘制实验铸件长度Lexp_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线；

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h_alloy-sand来自步骤一；采用与实验相同的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，进行N_pouring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Lsimu_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线；

步骤二(3)、模拟所得Lsimu_pouring-T_pouring变化曲线与实验所得Lexp_pouring-T_pouring曲线进行对比，如果最大差值的绝对值＞100mm，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h_alloy-sand具有实用性，进入步骤三；

步骤三、采用步骤一中所获得的合金/砂型界面换热系数h_alloy-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，显示缩松缺陷在铸件内的分布；

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：

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M_rejie-circle＝2πr_ejie-circle，其中，r_rejie-circle为热节圆环半径，单位为mm；腰形冒口上限模数M_{maokou-circle-max}＝1.15M_rejie-circke；腰形冒口上限宽度为单位为mm；腰形冒口上限体积V_{maokou-circle-max}＝3.57(a_{maokou-circle-max})³，单位为mm³；

步骤四(2)、腰形冒口的个数为N_maokou-an，2≤N_maokou-an≤8，N_maokou-an为偶数；每一个腰形冒口具有相同的体积和尺寸；其中V_{maokou-circle-i}为每一个冒口的体积，单位为mm³，1≤i≤N_maokou-an；每一个腰形暗冒口的宽度a_{maokou-circle-i}＝(V_{maokou-circle-i}/3.57)^1/3，高度为2a_{maokou-circle-i}，长度为2a_{maokou-circle-i}，圆弧半径为a_{maokou-circle-i}/2，单位均为mm。

具体实施方式二：本实施方式所述在步骤一(1)中，长方形板的长度L_plane为254mm。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式在步骤一中，

所述回转体薄壁铸件选择缸体叶片铸件，该缸体叶片铸件采用双相不锈钢制造，双相不锈钢材质为：C:0.02wt％,Si:0.58wt％,Mn:0.88wt％,S:0.04wt％,P:0.04wt％，Ni:5.00wt％,Mo:3.00wt％，Cu:0.60wt％,N:0.25wt％,Cr:22.00wt％，余量为Fe。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式在步骤一中，砂型材质为树脂砂，密度ρ_sand为1520.0kgm^-3，比热cp_sand为740Jkg^-1K^-1。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述缸体叶片铸件的最小壁厚δmin_casting＝35mm，最大壁厚δmax_casting＝85mm。其它步骤与具体实施方式一、二、三或四相同。

实施例1：

本试验所选回转体薄壁铸件为缸体叶片铸件，该缸体叶片铸件采用双相不锈钢制造，材质为C:0.02wt％,Si:0.58wt％,Mn:0.88wt％,S:0.04wt％,P:0.04wt％，Ni:5.00wt％,Mo:3.00wt％,Cu:0.60wt％,N:0.25wt％,Cr:22.00wt％。砂型材质为树脂砂，密度ρ_sand为1520.0kgm^-3，比热cp_sand为740Jkg^-1K^-1。

如图1为缸体叶片铸件三维实体。该铸件最小壁厚δmin_casting＝35mm，最大壁厚δmax_casting＝85mm。

如图2为物理模拟实验铸造系统示意图。物理模拟实验铸件材质为双相不锈钢：C:0.02wt％,Si:0.58wt％,Mn:0.88wt％,S:0.04wt％,P:0.04wt％，Ni:5.00wt％,Mo:3.00wt％,Cu:0.60wt％,N:0.25wt％,Cr:22.00wt％。砂型材质为树脂砂，密度ρ_sand为1520.0kgm^-3，比热cp_sand为740Jkg^-1K^-1。实验件为长方形板，厚度δ_plane与缸体叶片铸件最小壁厚δmin_casting和最大壁厚δmax_casting的平均值相等，即δ_plane＝(δmin_casting+δmax_casting)/2＝60mm。板的宽度W_plane和板的厚度δ_plane相等,即W_plane＝δ_plane＝60mm。缸体叶片铸件在砂箱中距离砂型外表面距离的最小值dmin_sand＝300mm。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L_sand＝[10mm+L_plane/2+L_plane+(20％×dmin_sand)]＝451mm，宽度为W_sand＝[W_plane+2×(20％×dmin_sand)]＝180mm，厚度为δ_sand＝[δ_plane+2×(20％×dmin_sand)]＝180mm。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(10mm+L_plane/2)＝137mm、(20％×dmin_sand)＝60mm、(20％×dmin_sand)＝60mm、(20％×dmin_sand)＝60mm、(20％×dmin_sand)＝60mm、(20％×dmin_sand)＝60mm。直浇道尺寸特征：纵向放置圆柱体，直径D_ver为L_plane/5约为51mm，高度H_ver为[δ_plane+(20％×dmin_sand)]＝120mm。横浇道尺寸特征：横向放置圆柱体，直径D_hori为δ_plane/4＝15mm。

图3为物理模拟实验所得实际铸件。图2中物理模拟实验选取三个热电偶，TC1、TC2和TC3，热电偶距离合金/砂型界面的距离分别为x₁＝10mm、x₂＝5mm和x₃＝10mm。图4为实验中热电偶测温结果，温度曲线为升温曲线。

图5为物理模拟实验所得热流密度Q_exp(t)随时间变化曲线。图6为合金/砂型界面换热系数为810Wm^-2K^-1时模拟所得热流密度随时间变化曲线。合金/砂型界面处合金液温度T_alloy和合金/砂型界面处型砂温度T_sand由铸造模拟软件给出，根据Q_simu(t)＝h_alloy-sand(T_alloy-T_sand)＝Q_exp(t)推算平均合金/砂型界面换热系数为810Wm^-2K^-1。

为验证界面换热系数的实用性，采用砂型铸造圆圈形状铸件，图7为圆圈形状铸件三维实体图，该圆圈形状铸件共5圈。圆圈形状铸件材质为双相不锈钢：C:0.02wt％,Si:0.58wt％,Mn:0.88wt％,S:0.04wt％,P:0.04wt％，Ni:5.00wt％,Mo:3.00wt％,Cu:0.60wt％,N:0.25wt％,Cr:22.00wt％。砂型材质为树脂砂，密度ρ_sand为1520.0kgm^-3，比热cp_sand为740Jkg^-1K^-1。

图8为四个不同浇注温度下(1486℃、1514℃、1555℃和1588℃)实验所得铸件的实物图。变化趋势为：随着浇注温度的升高，所得铸件长度增加。

图9为四个不同浇注温度下(1486℃、1514℃、1555℃和1588℃)模拟所得铸件内温度场分布。灰色区域为铸件型腔没有被金属液填充，所以没有进行三维传热计算。变化趋势为：随着浇注温度的升高，金属液填充铸件型腔距离增加。

图10为模拟所得铸件长度和实验测量对比。模拟计算和实验测量的最大差值的绝对值为73mm,小于100mm。

图11为缸体叶片传统铸造工艺中冒口和浇道位置。图12为传统铸造工艺下缩松缺陷分布预测结果，缸体铸件中存在缩松缺陷。

对传统工艺进行优化，引入腰形冒口。图13为腰形冒口尺寸特征示意图。在缸体叶片底部引入8个腰形暗冒口。热节圆环的半径r_rejie-circle由铸造模拟软件测出，其中r_rejie-circle＝9.8mm。热节圆环的模数M_rejie-circle＝2πr_rejie-circle＝61.6。腰形暗冒口上限模数M_{maokou-circle-max}＝1.15M_rejie-circle＝71.0mm,腰形暗冒口上限宽度为腰形暗冒口上限体积为V_{maokou-circle-max}＝3.57(a_{maokou-circle-max})³＝9.6×10⁷mm³。每一个腰形暗冒口具有相同的体积和尺寸，每一个腰形暗冒口的宽度a_{maokou-circle-i}＝(V_{maokou-circle-i}/3.57)^1/3＝1.2×10⁷/3.57)^1/3＝150mm，高度为2a_{maokou-circle-i}＝300mm，长度为2a_{maokou-circle-i}＝300mm，圆弧半径为a_{maokou-circle-i}/2＝75mm。图14为缸体叶片铸件中腰形暗冒口添加位置图。由图15可见，添加腰形暗冒口后缩松缺陷分布在浇道和冒口中，被移出铸件，确保了铸件质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一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，其特征在于，所述方法是按以下步骤进行：

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；

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，长方形板的长度用L_plane表示，板的厚度δ_plane与回转体薄壁铸件最小壁厚δmin_casting和最大壁厚δmax_casting的平均值相等，即δ_plane＝(δmin_casting+δmax_casting)/2，板的宽度W_plane和板的厚度δ_plane相等，即W_plane＝δ_plane；单位均为mm；

步骤一(2)、物理模拟实验采用砂型铸造，砂型为长方形，其尺寸特征：长度为L_sand[10mm+L_plane/2+L_plane+(20％×dmin_sand)]，宽度为W_sand＝[W_plane+2×(20％×dmin_sand)]，厚度为δ_sand＝[δ_plane+2×(20％×dmin_sand)]，其中dmin_sand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(10mm+L_plane/2)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)、(20％×dmin_sand)；直浇道尺寸特征：纵向放置圆柱体，直径D_ver为L_plane/5，高度H_ver为[δ_plane+(20％×dmin_sand)]；横浇道尺寸特征：横向放置圆柱体，直径D_hori为δ_plane/4，单位均为mm；

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x_i，i的取值范围1～NT；

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，所述升温曲线为温度随时间变化曲线；

步骤一(5)、进行铸件铸造过程三维传热过程的计算机仿真：物理模拟实验所得热流密度作为温度场计算的边界条件，热流密度的单位为Jm^{- 2}s^-1，式中t为时间，单位s；ρ_sand为型砂密度，单位kgm^-3；cp_sand为型砂比热，单位Jkg^-1K^-1；由升温曲线提供，Δt为升温曲线中相邻两点之间的时间间隔，单位为s；ΔT_i为升温曲线中t+Δt时刻温度与t时刻温度的差值，单位K；ΔT_i＝T_i(t+Δt)-T_i(t)；由合金/砂型界面处热流密度Q_simu(t)＝h_alloy-sand(T_alloy-T_sand)与Q_exp(t)相等，推算平均合金/砂型界面换热系数h_alloy-sand(Wm^-2K^-1)，其中T_alloy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；

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获得的平均合金/砂型界面换热系数h_alloy-sand，单位为Wm^-2K^-1，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：

步骤二(1)、铸件型腔为圆圈形，共5圈，进行N_pouring次实验，N_pouring≥3，获得N_pouring个实验铸件，每次实验的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)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Lexp_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，单位mm；绘制实验铸件长度Lexp_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线；

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h_alloy-sand来自步骤一；采用与实验相同的浇注温度T_pouring-i(1≤i≤N_pouring)，进行N_pouring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Lsimu_pouring随浇注温度T_pouring的变化曲线；

步骤二(3)、模拟所得Lsimu_pouring-T_pouring变化曲线与实验所得Lexp_pouring-T_pouring曲线进行对比，如果最大差值的绝对值＞100mm，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h_alloy-sand具有实用性，进入步骤三；

步骤三、采用步骤一中所获得的合金/砂型界面换热系数h_alloy-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，显示缩松缺陷在铸件内的分布；

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：

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M_rejie-circle＝2πr_rejie-circle，其中，r_rejie-circle为热节圆环半径，单位为mm；腰形冒口上限模数M_{maokou-circle-max}＝1.15M_rejie-circle；腰形冒口上限宽度为单位为mm；腰形冒口上限体积V_{maokou-circle-max}＝3.57(a_{maokou-circle-max})³，单位为mm³；

步骤四(2)、腰形冒口的个数为N_maokou-an，2≤N_maokou-an≤8，N_maokou-an为偶数；每一个腰形冒口具有相同的体积和尺寸；其中V_{maokou-circle-i}为每一个冒口的体积，单位为mm³，1≤i≤N_maokou-an；每一个腰形暗冒口的宽度a_{maokou-circle-i}＝(V_{maokou-circle-i}/3.57)^1/3，高度为2a_{maokou-circle-i}，长度为2a_{maokou-circle-i}，圆弧半径为a_{maokou-circle-i}/2，单位均为mm。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，在步骤一(1)中，长方形板的长度L_plane为254mm。

3.根据权利要求1或2所述的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，步骤一中，

所述回转体薄壁铸件选择缸体叶片铸件，该缸体叶片铸件采用双相不锈钢制造，双相不锈钢材质为：C：0.02wt％，Si：0.58wt％，Mn：0.88wt％，S：0.04wt％，P：0.04wt％，Ni：5.00wt％，Mo：3.00wt％，Cu：0.60wt％，N：0.25wt％，Cr：22.00wt％，余量为Fe。

4.根据权利要求3所述的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，步骤一中，砂型材质为树脂砂，密度ρ_sand为1520.0kgm^-3，比热cp_sand为740Jkg^{- 1}K^-1。

5.根据权利要求4所述的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，所述缸体叶片铸件的最小壁厚δmin_casting＝35mm，最大壁厚δmax_casting＝85mm。