CN1108209C - 用于生砂铸模的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供借助计算机操作生砂铸模机的方法和装置。系统包括一个生砂铸模机和包括一个输入界面，一个计算单元，和一个输出界面的计算机系统。输入界面接收一个用于生砂铸模机的包括给定的生砂铸模工艺，模型板的设计条件，生砂的物理特性，和挤压压力的用户输入数据。在铸型被实际生产之前计算单元基于使用者从输入界面输入的输入数据通过分析生砂铸模工艺计算生砂中生砂的装料量。输出界面向生砂铸模机提供计算单元的计算结果以便在实际铸模期间使用于铸模机的控制量跟随在实际铸模期间由生砂铸模机执行的计算结果。

Description

用于生砂铸模的方法和装置

本发明涉及一种生砂铸模工艺。特别是，本发明涉及用于操作生产具有所需生砂装料的铸型(mold)的一种生砂铸模机的方法和装置。

一般来说，在生砂铸模工艺中，例如，一个生砂铸模机带有一个砂箱，砂箱中不足量的装料生砂在铸型被实际生产后才测定。这样，为了改变或是改进它的容积密度，用于铸模的许多重复试验不得不做。同时，如模型板的外形数据，铸模的条件(例如，挤压压力)，和生砂的物理性能也不得不被改变。一个特殊模型板或它的变形通常被使用，在一定程度上带有它们的试验累计数据，这样才能制成最佳的铸型。

然而，试验累计数据没有进行新的应用，例如是用于形状与普通模板截然不同的新的模型板，或一种新的铸模工艺，或是一种与普通的生砂具有不同物理性能的新生砂。因此，为了获得一个新应用的最佳条件，必须对铸模进行多次试验，而这要花费很多小时的时间。进一步，当铸型产生时，必须要考虑到膨润土(bentonite)或鲕状岩(oolite)的影响，而这种影响并不能从生砂颗粒的正常装料中预测。

本发明的实施例将指导解答上述问题。

本发明的目的之一是提供一种借助计算机来操作给定的生砂铸模机的方法，所生产的铸型具有所需的生砂装料量，并且不需要对实际生产的铸型检测其生砂装料量。

发明的另一个目的是提供一种用于生砂铸模工艺的装置，在实际生产铸型之前就可以确定在铸模过程中所需要的生砂装料量。

在本发明中，在生砂铸模机中使用的生砂铸模工艺的类型包括带有一个固体材料(例如，一个挤压板)的被称作“振实挤压(jolt squeczing)”的铸模工艺，压缩空气或空气冲击，和这些工艺的组合。

在本发明中，生砂铸模机中术语“模型板设计条件”包括的项目如孔塞的位置，孔塞的数量，和槽的形状和高度。

在本发明中，术语“生砂铸型”通常意指硅石砂等如集料和粘合剂组成和生砂铸型，例如，使用膨润土或鲕状岩。

本发明中，包括在生砂铸模机中的生砂术语“生砂物理特性”意指水含量，压强，和渗透率。

本发明中，术语“挤压压力”通常意指生砂铸模机把生砂压入砂箱中的压力。挤压压力通常起因于固体材料。然而，应当注意的是挤压压力还包括一个由空气例如压缩空气的冲击波或爆炸气浪所产生的压力。既然是这样，“压缩空气应用”或“吹气”型的铸模工艺就被使用。

本发明中，分析生砂铸模过程包括一个限定成分方法，一个限定体积方法，微分计算，和分散成分的方法。

图1是分析本发明的铸模工艺步骤的流程图。

图2是本发明系统的示意图。

图3是作为分析使用在本发明中的一个金属砂箱的模型，模板，和孔塞。

图4是砂粒模型，用于获得颗粒之间的接触力。

图5表示在第一实施例中空气流动应用型铸模工艺期间生砂层上端压力预期变化的模拟分析图。

图6表示沿着第一实施例上轴线的生砂铸型强度的预期分布模拟分析图。

图7表示在第一实施例中空气流动应用型铸模过程期间作用在生砂模板正面部分上的预期压力模拟分析图。

图8表示在第二实施例中沿着轴线用于吹气型铸模过程的生砂强度的预定分布模拟分析图。

图1表示发明的第一实施例用于借助于计算机获得操作生砂铸模机的最佳条件的方法步骤的流程图。图2表示一个系统，通常用10表示，发明的第一实施例实现在图1的流程图中。系统10包括一个生砂铸模机1和一个通常用20表示的计算机系统。

计算机系统20包括一个输入界面2，一个计算单元或主要单元3，和一个输出界面4。输入界面2与一个外部输入设备(未示出)相连，操作者可以通过该输入设备输入用于模压机1的包括生砂铸模工艺类型，模型板的设计条件，生砂的物理特性和挤压压力的输入数据。外部输入装置可以包括一个键盘和一个鼠标器。

计算单元3包括(没有图示)一个微型计算机(MPU)，和一个由操作员用于储存输入数据的存储器。计算单元3耦合到输入界面2用于接收输入数据和用于计算以接收的输入数据为基础由生砂铸模分析工艺铸模的铸型强度。

输出界面4被耦合到计算单元3，用于接收计算单元的计算结果。输出界面4可以被耦合到外部输出装置(没有图示)，例如一个显示器，用于显示输入数据和从计算单元获得的输入数据的其它信息。输出界面4也耦合到铸模机1上。由输出界面4接收的计算结果被提供到铸模机上以控制它。

图3表示提供一个由铸模机1装生砂的模型30的例子。模型有一个金属砂箱11，一个或更多的模型板12固定到金属砂箱11上，而一个或更多的孔塞13装配到模型板12上。

在这个实施例中，铸模机1(图2)由装加带有生砂的模型30(图3)铸模一个生砂模板，并由吹动压缩空气贯穿砂来装料生砂。

现在根据图1的流程图解释实施例。应当注意的是，下列步骤中的方程式被储存在计算机系统20(图2)的计算单元3的存储器中。

在第一步骤S1中，操作员通过输入装置向计算机系统20的输入界面2输入要在铸模机上设置的数据。操作员由输入装置输入的输入数据包括生砂铸模工艺的类型(它被指定为在第一实施例中的压缩空气应用型)，模板的设计条件，生砂的物理特性，和挤压压力。

输入界面将操作员的输入数据提供给计算机系统20的计算单元3(图2)。计算单元3根据所需的分析(步骤S2)准确度决定要素的数量。

在此例中，金属砂箱11的外廓尺寸是250×110×110(mm)，而模板12的外廓尺寸是100×35×110(mm)。对于生砂的物理特性，颗粒单元的直径是2.29×10^-4m，密度是2,500kg/m³，摩擦系数是0.731，附着力是3.56×10^-2m/s²，回弹系数是0.228，而形状因数是0.861。

在第二步骤(S2)中，被分析硅砂的直径被确定即保持用于产生一个铸型的硅砂的整体体积。在此例中，如果被使用铸型的硅砂完整体积是被分成1000个颗粒单元(particleelement)，而如果每个单元有相同的直径，相同的直径可以假定是每一个颗粒单元的直径，则被分成1000个单元的体积相当于用来产生铸型的相同硅砂体积。

同样地，也要确定在分析中使用的鲕状岩和膨润土层的厚度。在这个实施例中，使用分立单元的方法。这个方法给出了一个比其它方法更高的精确度以用于预测。

然后，网眼被产生用于孔隙率和流动空气的分析。术语“网眼(mesh)”指的是一个需要用作计算的栅板。在栅板部位的孔隙率和速率的值被计算。这些网眼也被用于分析流动空气。

第三步骤S3是分析孔隙率。在这个步骤S3中，在每个网眼中生砂的体积和每个网眼的孔隙率都被计算。

第四步骤S4是分析流动空气。在这个步骤S4中，由压缩空气吹进金属铸箱的流动空气速率是从考虑到它的压力损失的方程式的数量分析中获得的。

第五步骤S5是分析接触力。这个分析计算两个颗粒i，j(没有图示)的距离和确定它们是否相互接触。如果它们接触，两个向量被限定。一个是法线向量(没有图示)，从颗粒i的中心开始朝着颗粒j的中心方向，另一个向量是一个切线向量，从法线向量被逆时针转动90度。

正如图4所示，通过提供在和切线方向带有虚拟弹簧和减振器的两个接触颗粒(性质不同的元素)i，j，获得颗粒i和j之间的接触力。获得的接触力为接触力法线和切线方向的分力的合力。

在第五步骤中，首先，法线接触力被获得。颗粒i和j在极短时间内的相对位移通过使用弹簧力的增量和与相对位移成正比的弹性系数(弹簧系数)由方程式(1)给出。

Δe_n＝k_nΔx_n

(1)

其中，

ΔX_n：颗粒i，j瞬间的相对位移

Δe_n：弹簧力的增量

K_n：弹性弹力系数(弹簧系数)，它与相对位移成正比：

此外，缓冲力由使用一个与相对位移的变化率成正比的粘性缓冲器(粘性系数)的方程式(2)给出。

Δd_n＝ηΔx_n/Δt                      (2)

其中，

Δd_n：粘性阻力

η：与相对位移的变化率成正比的粘性缓冲器(粘性系数)。

在给定时间颗粒j作用在颗粒i上的法线弹簧力和缓冲力分别由方程式(3)和(4)获得。

[e_n]_t＝[e_n]_t-Δ_t+Δe_n            (3)

[d_n]_t＝Δd_n                          (4)

切线接触力由方程式(5)给出。

[f_n]_t＝[e_n]_t+[d_n]_t               (5)

其中，

[f_n]_t：一个法线接触力

因此，在给定时间(t)作用在颗粒i上的接触力是由和其它颗粒接触的所有的力来计算。

在步骤S5中，第二，接触力的切线分力中鲕状岩和膨润土的影响是应考虑的。换句话说，由于生砂是由如硅砂等等集合组成，鲕状岩和膨润土的装料层，弹簧力的系数和粘性系数的各自的值根据相对于接触深度(相对位移)的层的厚度进行选择，如下列公式：

当δ＜δ_b                         (6)

k_n＝k_nb                          (7)

η_n＝η_nb                        (8)

其中

δ：一个接触深度(相对位移)

δ_b：鲕状岩和膨润土层的厚度

k_nb：一个在鲕状岩和膨润土层中作用的恒定弹力

η_nb：一个在鲕状岩和膨润土层中作用的粘性系数

当δ_b＜δ                                                          (9)

k_n＝k_nb                             (10)

η_n＝η_ns                           (11)

时，

其中，

k_nb：一个在鲕状岩和膨润土层和一个硅砂颗粒中作用的恒定弹力

η_ns：一个在鲕状岩和膨润土层和硅砂颗粒中作用的粘性系数

由于在发明中使用的生砂颗粒之间具有结合力，因此在颗粒i，j之间的结合力和强度必须被考虑。当法线接触力等于或小于结合强度时，法线接触力被认为是零。

在步骤S5中，最后，获得切线接触力。假定与法线接触力相似，切线接触力的弹簧力与相对位移成正比，而缓冲力与相对位移的变化率成正比。在此例中切线接触力是由方程式(12)给出。

[f_t]_t＝[e_t]_t+[d_t]_t                   (12)

由于接触的砂颗粒i，j相互滑动或砂颗粒i在壁上滑动，滑动被考虑使用库仑定律，如下：

当|[e_t]_t|＞μ_o[e_n]_t+f∞_b             (13)

[e_t]_t＝(μ_o[e_n]_t+f∞_h)·sign([e_t]_t)    (14)

[d_t]_t＝0                                   (15)

当|[e_t]_t|＜μ_o[e_n]_t+f∞_h         (16)

[e_t]_t＝[e_t]_t-Δ_t+Δe_t        (17)

[d_t]_t＝Δd_t                   (18)

其中，

μ_o：摩擦系数

f∞_h：结合强度

sign(z)：代表变量z的正负号。

第六步骤是分析作用在颗粒上的流动力并计算力，这些力由方程式(19)计算。

f_d＝(1/2)(ρ_sC_DA_su_i ²)                (19)

其中，

ρ_s：流体密度

C_D：反应系数

A_s：投影面积

u_i：相对速率。

当力被计算用于空气流动型的铸模工艺时，使用从第四步骤中流动空气的分析获得的数据，流动空气和颗粒的相对速率被计算。当铸模工艺不使用流动空气型时，只有流动砂粒i的速率被计算。

第七步骤S7是分析运动方程式。在这个步骤中，由碰撞或颗粒i，j接触引起的加速度是由使用作用在颗粒上的力，例如，接触力，反应系数，和重力的方程式(20)获得。步骤S3到S7是分析生砂铸模工艺来确定在铸模工艺中生砂装料度的步骤。 $\stackrel{..}{r}=(1/m)(f_c+f_d)+g......\left(20\right)$

其中，

r：位置矢量

m：颗粒质量

f_c：接触力

f_d：流动力

g：重力加速度

是r相对于时间的第二阶微分。

同样地，当颗粒倾斜地碰撞(以一个角度)，则产生旋转。旋转角加速度是由方程式(21)给出。 $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=T_c/I.......\left(21\right)$

其中，

ω：角速度

T_c：接触引起的力矩

I：转动惯量

ω相对于时间的微分。

根据从上述方程式和公式(22)和(24)获得的加速度，获得在瞬间后的速率和位置。 $v=v_o+\stackrel{..}{r}\mathrm{\Δt}......\left(22\right)$ $r=r_o+v_o\mathrm{\Δt}+(1/2)\stackrel{..}{r}\mathrm{\Δ}{t}^2......\left(23\right)$ $\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_o+\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δt}......\left(24\right)$

其中，

v：速度矢量

o：现在值

Δt：瞬时

在第八步骤中，计算被重复直到颗粒停止运动。

因此，在第九步骤中，在铸模工艺中用于装料生砂的信息被获得。

在第十步骤，在计算单元3中，CPU从数据中读出生砂装料与生砂铸型的强度或硬度之间，生砂装料与生砂铸型孔隙率之间，和生砂装料与生砂铸型的内部压力之间预定的试验关系。当在步骤S9中颗粒停止运动时，计算单元3的MPU比较这些相互关系和生砂的装料，然后计算用于生砂铸型铸模的强度，孔隙率，和内部压力。

在第十一步骤S11中，当挤压压力等条件变化时，这些计算被重复进行直到所需强度，或孔隙率，或内部压力，或它们的所有被获得。

如果所需强度，孔隙率，和内部压力被获得，计算单元3在这时为生砂铸模机1提供条件以便使生砂铸模机1的受控量在铸模工艺中与它们一致。然后，生砂铸模机1生产一个铸型。生产的铸型在其所有实质的地方具有所需的生砂装料。在第一实施例中，在压缩空气通过生砂流动后挤压的表面压力被施加1Ma。

图5，6，7表示应用两个不同条件的上述步骤的部分模拟分析，图5指示的情形I和情形II表示在空气流动型铸模工艺期间生砂层的上端压力的变化。图6表示生砂模板沿着它中心线的强度分布。图7表示在空气流动型铸模工艺期间作用在生砂模板和一个面之间的压力。

正如在图5，6，和7看到的，情形II的条件给出更好的结果而且是比情形I的条件更适当。

现在参考图8解释第二实施例。第二实施例由图1的流程图和图2的系统10实现，但是使用一个流动型铸型工艺代替先描述的第一实施例中的增压空气应用型铸型工艺。对于用于在第二实施例中用于喷吹的压缩空气的压力，在情形IV中为0.3Mpa，和在情形V中为0.5Mpa，它们被输入计算机系统20。与第一实施例相似，在空气完全被全部吹过生砂后施加了表面挤压压力1Ma。

图8表示生砂铸型沿着它的中心线的强度的预计分布的模拟分析，它相当于第二实施例的部分步骤的模拟分析。正如从图8可以看到的，情形IV的风压0.5Mpa给出一个更好的结果，而这比情形V的风压0.3Mpa更加适当。

根据第二实施例，从生砂铸模机生产的铸型在其全部实质部分具有的生砂装料。

根据详细的具体实施例已经描述了本发明，以容易理解发明操作和结构的原理。这种参照具体实施例并不意味着限制附加到这里的权利要求范围。在没有脱离本发明的范围和精神的前提下，本领域的技术人员改进实施例是显而易见的。

Claims (16)

1.一种借助于计算机操作生砂铸模机的方法，所述的生砂铸模机包括一个模型板，用于通过在给定生砂铸模工艺中对所述的生砂施加挤压压力来压紧供给到生砂铸型的生砂，所述的方法包括步骤：

向所述的计算机(20)提供用于所述的生砂铸模机(1)的数据，该数据包括至少一个要由生砂铸模机进行的所述给定的生砂铸模工艺类型，一个模型板的设计条件，所述生砂的物理特性，和所述挤压压力；

(b)所述计算机(20)在所述的生砂铸型被实际制作之前根据所述的数据分析所述的生砂铸型以计算所述的生砂铸型中的所述生砂的装料；和

(c)基于计算出的生砂模板生砂的装料结果操作所述的生砂铸模机(1)，以便在所述生砂铸模机(1)完成实际铸模工艺期间使用于生砂铸模机的控制量跟随所述计算结果。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的步骤(a)和(b)在步骤(c)之前重复。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述的步骤(a)和(b)被重复直到所述的生砂颗粒停止运动。

4.根据权利要求1的方法在所述步骤(b)之后，进一步包括计算待铸模的生砂铸型被铸模的强度，孔隙率，内部压力至少之一的计算步骤。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于在所述的挤压压力变化时，所述计算步骤被重复直到所述的强度，所述的孔隙率，和所述的内部压力至少之一达到所需的值。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的生砂铸模工艺给出的类型至少由振实挤压，压缩空气，吹气，和空气冲击之一的铸模工艺完成。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述模型板包括一个孔塞和一个槽，而其中所述的模型板的设计条件包括至少是所述孔塞(13)的一个位置，所述孔塞的数量，所述槽的形状，和所述槽的高度之一。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的生砂铸型是由硅砂聚集组成的生砂铸型。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于所述生砂进一步由粘合剂组成。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述粘合剂是膨润土。

11.根据权利要求9的方法，其特征在于所述粘合剂是鲕状磷。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于所述生砂的物理特性包括水含量，抗压强度，和渗透率。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于所述生砂铸型的分析过程包括一个限定成分方法，一个限定体积方法，一个微分计算，和一个分离成分方法之一。

14.一个用于生砂铸模工艺的装置，包括：

一个带有一个模型板的生砂铸模机(1)，用于在给定的生砂铸模工艺下向所述生砂施加挤压压力来压制供给生砂铸型的生砂；

接收用于生砂铸模机(1)的输入数据的装置(2)，该数据包括至少所述给出的生砂铸模工艺类型，所述模型板的设计条件，所述生砂的物理特性，和所述的挤压压力；

装置(3)，用于在生砂铸型被实际生产之前，基于所述的输入数据计算生砂铸型中的生砂装料；和

装置(4)，用于为所述的生砂铸模机(1)填装装料提供计算结果以便在实际铸模期间使所述的生砂铸模机(1)的控制量跟随所述的计算结果。

15.根据权利要求14的装置，其特征在于所述的给出生砂铸模工艺的类型是一个至少由一个振实挤压，压缩空气，吹风，和空气冲击至少之一来完成的铸模工艺。

16根据权利要求14的装置，其特征在于所述模型板包括一个孔塞(13)，和一个槽，而其中所述的模型板的设计条件包括至少所述

孔塞(13)的位置，所述孔塞的数量，所述槽的形状，和所述槽的高度之一。

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