CN110044507A - 基于测温单元定位的砂型铸造精确测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于测温单元定位的砂型铸造测温方法。该方法包括：(1)利用限位块、热电偶和型砂制作测温单元：(1‑1)限位块包括定位槽，通过将热电偶插入定位槽，并利用型砂在限位块外表面进行填砂造型，以便在限位块的外表面上形成砂块；使型砂硬化，得到测温单元前体；(1‑2)将限位块从测温单元前体中取出，在原限位块位置填入型砂，以便形成测温面；使型砂硬化，得到测温单元；(2)利用测温单元和型砂制作铸型；(3)利用铸型进行砂型铸造，在砂型铸造进行的过程中，利用热电偶对待测温界面进行测温。该方法借助限位块和砂块制作测温单元，可对型砂中的测温热电偶进行精确定位，从而实现砂型铸造过程中温度场变化的精确测定。

Description

基于测温单元定位的砂型铸造精确测温方法

技术领域

本发明涉及砂型铸造工艺领域，具体而言，本发明涉及基于测温单元定位的砂型铸造精确测温方法。

背景技术

在铸造过程中，高温金属液充填型腔，在铸型的冷却作用下逐渐凝固，形成实际应用的零件。铸件在凝固过程中可能会形成缩孔、缩松、偏析等各种缺陷，这些缺陷的产生很大程度上取决于铸件和铸型之间的换热行为。确定铸件-铸型界面的换热行为，获得界面换热系数随时间的变化规律，可以预测铸件的整个凝固过程，从而预测缺陷产生、指导工艺优化、提高铸件质量。

为了精确确定铸件-铸型界面的换热行为，获得铸件和铸型内部的温度场分布和演化是首要条件。砂型铸造由于存在型砂易流动、会溃散等问题，热电偶不易精确定位。砂型铸造过程中如何精确地安置热电偶一直是技术难点，尤其是对于形状复杂的铸件。已有研究表明，热电偶定位位置的微小变化造成的测温误差会对界面系数的确定带来较大影响，甚至影响了铸件最终温度场预测的可靠性。由于砂型铸造过程中热电偶精确定位的困难，当前的研究中，特别是在计算机辅助制造等技术中，大多是假设界面换热系数为常数，这种近似忽略了金属液充填过程中造成的水汽蒸发，以及凝固过程中由于温度变化造成的铸件、铸型材料热物性参数随温度变化所带来的影响，降低了研究结果的准确性。因此，只有精确地测定砂型铸造过程中的温度场变化，获得界面换热系数随温度的变化规律，才能实现高精度的凝固过程数值模拟。然而，现有的对砂型铸造测温方法仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出基于测温单元定位的砂型铸造测温方法。该方法借助限位块和砂块制作测温单元，可对型砂中的测温热电偶进行精确定位，从而实现砂型铸造过程中温度场变化的精确测定。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种基于测温单元定位的砂型铸造测温方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)利用限位块、热电偶和型砂制作测温单元：

(1-1)所述限位块包括定位槽，通过将所述热电偶插入所述定位槽，并利用所述型砂在所述限位块外表面进行填砂造型，以便在所述限位块的外表面上形成砂块；使所述型砂硬化，得到测温单元前体；

(1-2)将所述限位块从所述测温单元前体中取出，在原所述限位块位置填入所述型砂，以便形成测温面；使所述型砂硬化，得到所述测温单元；

(2)利用所述测温单元和所述型砂制作铸型；

(3)利用所述铸型进行砂型铸造，在所述砂型铸造进行的过程中，所述测温面与待测温界面相接触，利用所述热电偶对所述待测温界面进行测温。

根据本发明实施例的基于测温单元定位的砂型铸造测温方法，首先将热电偶插入限位块的定位槽中，再通过对限位块外表面进行填砂造型，型砂硬化后所形成的砂块可将热电偶的位置固定，从而避免测温过程中热电偶位置发生变化。后续从砂块中取出限位块，并在原限位块位置填入型砂形成测温面，型砂硬化后得到测温单元。进而将测温单元放入型砂中与铸型一起制作，使测温单元的测温面紧贴木模(填砂造型过程中木模位置即为型腔)，铸型制作完成后，测温单元也定位完成。此时，热电偶测温端点与测温单元测温面的距离即为测温端点到待测温界面(铸件-铸型界面)的距离，即实现了热电偶的精确定位。进一步地，在砂型铸造进行的过程中，利用位于精确位置的热电偶采集并记录相应位置的温度变化，可进一步提高铸件温度场预测的可靠性。

另外，根据本发明上述实施例的基于测温单元定位的砂型铸造测温方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述定位槽包括多个。

在本发明的一些实施例中，所述定位槽的深度根据所述热电偶相距所述待测温界面的距离确定。

在本发明的一些实施例中，所述定位槽的内径大于所述热电偶的直径0.5～1.5mm。

在本发明的一些实施例中，所述测温单元中的测温面与所述待测温界面贴合。

在本发明的一些实施例中，所述限位块的正面设有所述定位槽，所述限位块的背面还设有螺纹孔。

在本发明的一些实施例中，所述螺纹孔包括多个。

在本发明的一些实施例中，所述螺纹孔为M4螺纹孔。

在本发明的一些实施例中，所述型砂与所述铸型的材质相同。

在本发明的一些实施例中，所述热电偶包括测温端点和延伸段，所述测温端点位于所述延伸段的一端，所述延伸段包括至少一个弯折部。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的限位块的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的限位块的剖面结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的测温单元的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的测温单元相对铸件的位置示意图；

图5是根据本发明一个实施例的测温单元相对铸件另一视角的位置示意图；

图6是实施例1中所采用的限位块的尺寸示意图；

图7是实施例1中所采用的限位块的剖面尺寸示意图；

图8显示了实施例1中的温度采集结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

发明人在对砂型铸造工艺中砂型温度场测量方法的研究中发现，砂型铸造由于存在型砂易流动、会溃散等问题，热电偶不易精确定位。砂型铸造过程中如何精确地安置热电偶一直是技术难点，尤其是对于形状复杂的铸件。已有研究表明，热电偶定位位置的微小变化造成的测温误差会对界面系数的确定带来较大影响，甚至影响了铸件最终温度场预测的可靠性。由于砂型铸造过程中热电偶精确定位的困难，当前的研究中，特别是在计算机辅助制造等技术中，大多是假设界面换热系数为常数，这种近似忽略了金属液充填过程中造成的水汽蒸发，以及凝固过程中由于温度变化造成的铸件、铸型材料热物性参数随温度变化所带来的影响，降低了研究结果的准确性。

在砂型铸造过程中，热电偶的精确定位是指热电偶导线的测温端点距铸件-铸型界面的距离始终保持不变，热电偶测温端点采集的温度能实时反映该位置的温度变化。具体包含两方面内容，第一要保证热电偶的初始定位准确可靠，第二要保证热电偶的初始定位完成后，热电偶不会在后期因型砂紧实、硬化以及在砂箱的移动过程中发生错位。目前，关于如何精确地安置砂型铸造过程中热电偶位置的研究还不是很完善。

为此，本发明提出了一种借助测温单元定位的砂型铸造过程中温度场的测定方法，将通过该测定方法获得的温度场用于求解界面换热系数，准确程度可得到保证。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种基于测温单元定位的砂型铸造测温方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)利用限位块、热电偶和型砂制作测温单元：

(1-1)所述限位块包括定位槽，通过将所述热电偶插入所述定位槽，并利用所述型砂在所述限位块外表面进行填砂造型，以便在所述限位块的外表面上形成砂块；使所述型砂硬化，得到测温单元前体；

(1-2)将所述限位块从所述测温单元前体中取出，在原所述限位块位置填入所述型砂，以便形成测温面；使所述型砂硬化，得到所述测温单元；

(2)利用所述测温单元和所述型砂制作铸型；

(3)利用所述铸型进行砂型铸造，在所述砂型铸造进行的过程中，所述测温面与待测温界面相接触，利用所述热电偶对所述待测温界面进行测温。

根据本发明实施例的基于测温单元定位的砂型铸造测温方法，首先将热电偶插入限位块的定位槽中，再通过在限位块外表面进行填砂造型，型砂硬化后所形成的砂块可将热电偶的位置固定，从而避免测温过程中热电偶位置发生变化。后续从砂块中取出限位块，并在原限位块位置填入型砂形成测温面，型砂硬化后得到测温单元。进而将测温单元放入型砂中与铸型一起制作，使测温单元的测温面紧贴木模(填砂造型过程中木模位置即为型腔)，铸型制作完成后，测温单元也定位完成。此时，热电偶测温端点与测温单元测温面的距离即为测温端点到待测温界面(铸件-铸型界面)的距离，即实现了热电偶的精确定位。进一步地，在砂型铸造进行的过程中，利用位于精确位置的热电偶采集并记录相应位置的温度变化，可进一步提高铸件温度场预测的可靠性。

下面参考图1～5进一步对根据本发明实施例的基于测温单元定位的砂型铸造测温方法进行详细描述。

参考图1和2，根据本发明的实施例，限位块100上设有定位槽110，用于在砂块中定位热电偶，定位完成后从砂块中取出。限位块的具体材质并不受特别限制，根据本发明的具体示例，限位块可由铝合金、铁合金等合金加工而成。另外，为方便将限位块从砂块中取出，限位块侧面可加工出一定斜度。

根据本发明的一些实施例，定位槽110可包括多个。由此，可在一个测温单元中定位多个热电偶，以便测定砂型铸造过程中多个位置的温度变化。

根据本发明的一些实施例，定位槽110的深度可根据热电偶相距待测温界面的距离确定。例如，设限位块100的厚度为20mm，当需要测量距待测温界面3mm处的温度变化时，则可将定位槽110的深度加工为17mm。由此，向定位槽110中插入热电偶后，热电偶测温端点相距待测温界面的距离即为3mm。

根据本发明的一些实施例，定位槽110的内径可根据所采用的热电偶直径来确定。优选的，定位槽110的内径大于热电偶的直径0.5～1.5mm。在一些实施例中，定位槽110的内径为2mm，比热电偶直径大1mm。由此，定位槽的尺寸适宜，避免因尺寸过大而造成热电偶在定位槽中发生位移，影响热电偶定位的准确性。

根据本发明的一些实施例，定位槽的截面可以为圆形，当采用多个定位槽定位多个热电偶时，相邻两个定位槽的截面圆心间距为5～8mm，例如5mm、6mm、7mm或8mm。由此，可以有效避免相邻的热电偶之间相互干扰。

根据本发明的一些实施例，测温单元中的测温面与待测温界面贴合。具体的，根据本发明一个实施例的测温单元的结构与图3所示，需要说明的是，测温面是指在砂型铸造过程中测温单元与铸件接触的表面，测温面可通过在将限位块取出后，在原限位块位置填入型砂并硬化得到。参考图3，制作完成的测温单元包括砂块200、测温面210和热电偶300。通过将测温单元中的测温面加工为与待测温界面贴合，可以进一步提高热电偶定位的准确性，从而确保铸件温度场测量的准确性。砂型铸造过程中测温单元相对铸件的位置如图4和5所示。需要说明的是，在实际的砂型铸造过程中，测温单元400中不包括限位块100。在图4和5中，100：限位块；200：砂块：300：热电偶；400：测温单元；510：铸型；520：铸件；530：铸件-铸型界面；540：铸件中央平面。

根据本发明的一些实施例，参考图2，限位块100的正面设有定位槽110，限位块100的背面还可设有螺纹孔120。由此，在将限位块从砂块中取出的过程中，可先向螺纹孔内装入螺丝，再借助螺丝将限位块取出。根据本发明的一些实施例，螺纹孔120可包括多个，例如两个、三个等。由此，可更便于将限位块从砂块中取出。

根据本发明的实施例，螺纹孔120的具体孔径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。根据本发明的优选实施例，螺纹孔120可采用M4螺纹孔，相应地，在将限位块从砂块中取出的过程中，向螺纹孔内装入M4螺丝。由此，可以进一步便于将限位块从砂块中取出。

根据本发明的一些实施例，上述用于制作砂块的型砂与铸型的材质相同。由此，可以有效避免砂块与铸型不同材料对温度场造成的扰动，从而进一步提高对铸件温度场预测的准确性。

根据本发明的一些实施例，参考图3，热电偶300包括测温端点310和延伸段320，测温端点310位于延伸段320的一端，延伸段320包括至少一个弯折部330。通过将热电偶的延伸段弯折，可以进一步加强热电偶的定位效果。延伸段的具体弯折位置并不受特别限制，只要在测温单元的制作过程中不影响热电偶测温端点插入限位块定位槽即可。

综上可知，根据本发明实施例的基于测温单元定位的砂型铸造测温方法，采用测温单元定位热电偶，解决了砂型铸造过程中热电偶不易定位的困难。热电偶在测温单元中的位置通过限位块确定，并通过折弯加强定位，当作为测温单元主体的砂块硬化后，才将其和铸型一起制作。此时，热电偶已经精确地固定在测温单元中，热电偶测温端点距测温单元测温面的距离即为测温端点到铸件-铸型界面的距离；而且热电偶不会因型砂紧实、溃散等外在原因发生错位，保证了温度测量的准确性；同时，砂块和铸型的材质相同，避免了因引入其他材质造成的温度干扰。与其它温度测量方法相比，该方法简单易行，成本低，测温单元可以批量制作，并可以根据铸件表面形状调整测温单元测温面形状，实现对复杂铸件的铸型温度场测定。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

铝合金砂型铸造过程中温度场的精确测定步骤如下：

1.设计测温单元。测温单元包括砂块、限位块和热电偶三部分。砂块是测温单元的主体，采用和型砂相同的材料制作，以避免不同材料对温度场造成的扰动。限位块用于在砂块中定位热电偶，起定位作用，可采用铝、铁等合金加工，定位完成后将会从测温单元中取出。实验测试用铸件采用200mm×200mm×20mm的平板铸件，砂块的形状根据铸件表面的形状进行设计，保证其能与铸件表面贴合。限位块中加工出相应的定位槽。本发明以测量距平板铸件-铸型界面3mm、8mm、13mm处的温度变化为例，其它定位距离方法类似。限位块的尺寸示意图如图6和7所示(图6和7中，数字表示长度，单位为mm)，限位块尺寸为40mm×30mm×20mm，定位槽的深度依次加工为17mm、12mm、7mm，为方便限位块从砂块中取出，在限位块侧面加工出一定斜度，并在背面加工出两个M4螺纹孔。

2.制作测温单元。选用K型铠装热电偶(实验测试前通过沸水测试保证热电偶能正常工作)，将热电偶折弯，测温端点插入限位块中，然后将热电偶和限位块整体放入砂盒中，填砂造型制作砂块。砂块的形状，尤其是与铸件接合面的形状，需与铸件的形状保持一致。以平板状铸件为例，与铸件表面接触的砂块表面(即测温面)也应为平面。当砂块硬化后，取出限位块，然后在原来放限位块的位置放入新的型砂，紧实硬化，以砂块为主体的测温单元制作完成。

3.定位测温单元。测温单元制作完成后，在砂型铸造的铸型制作过程中，将测温单元放入型砂中和铸型一起制作。测温单元需紧贴木模(填砂造型过程中木模位置即为型腔)表面。铸型制作完成后，测温单元也定位完成。此时，热电偶测温端点距测温单元测温面的距离即为测温端点到铸件-铸型界面的距离。

4.温度测量。将热电偶和温度采集仪相连，浇入金属液进行低压砂型铸造，温度采集仪的采样频率设为5Hz，记录温度变化。铝合金低压砂型铸造过程中的工艺参数如表1所示，温度采集结果如图8所示。

表1铝合金低压砂型铸造过程中的工艺参数

参数	数值	参数	数值
				升液速度(atm/s)	0.012	升液时间(s)	10
充型速度(atm/s)	0.013	充型时间(s)	10
				结壳增压(atm)	0.03	结壳增压时间(s)	4
结壳时间(s)	10	增压(atm)	0.07
				增压时间(s)	4	保压时间(s)	300

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于测温单元定位的砂型铸造测温方法，其特征在于，包括：

(1)利用限位块、热电偶和型砂制作测温单元：

(1-1)所述限位块包括定位槽，通过将所述热电偶插入所述定位槽，并利用所述型砂在所述限位块外表面进行填砂造型，以便在所述限位块的外表面上形成砂块；使所述型砂硬化，得到测温单元前体；

(1-2)将所述限位块从所述测温单元前体中取出，在原所述限位块位置填入所述型砂，以便形成测温面；使所述型砂硬化，得到所述测温单元；

(2)利用所述测温单元和所述型砂制作铸型；

(3)利用所述铸型进行砂型铸造，在所述砂型铸造进行的过程中，所述测温面与待测温界面相接触，利用所述热电偶对所述待测温界面进行测温。

2.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述定位槽包括多个。

3.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述定位槽的深度根据所述热电偶相距所述待测温界面的距离确定。

4.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述定位槽的内径大于所述热电偶的直径0.5～1.5mm。

5.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述测温单元中的测温面与所述待测温界面贴合。

6.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述限位块的正面设有所述定位槽，所述限位块的背面还设有螺纹孔。

7.根据权利要求6所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述螺纹孔包括多个。

8.根据权利要求6所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述螺纹孔为M4螺纹孔。

9.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述型砂与所述铸型的材质相同。

10.根据权利要求1所述的砂型铸造测温方法，其特征在于，所述热电偶包括测温端点和延伸段，所述测温端位于所述延伸段的一端，所述延伸段包括至少一个弯折部。