CN111347014A - 一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，通过在冷铁上以方形铁块定位测温热电偶，再将定位好的冷铁于铸件木模砂型造型过程中定位于造型所得砂型铸造阶梯构件上，最后利用测温热电偶对浇注金属液过程中的温度进行测量的方法，解决了现有技术在砂型铸造过程中，难以于铸件与冷铁换热界面进行对浇注金属液温度进行测量的热电偶定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，属于金属铸造成形工艺领域。
背景技术
反重力铸造成形技术是用于铝、镁等有色金属铸件成形的主要铸造技术，工艺参数多，工艺过程复杂，复杂结构铸件组织与力学性能控制难度大，目前采用单铸拉棒进行新材料开发、铸造工艺优化，但单铸拉棒的结构特征、冷却条件等与实际铸件相差极大，难以反映实际铸件性能特征。
关于铸件和铸型、冷铁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、冷铁换热界面的热流为常数，计算该段时间内铸件或者铸型、冷铁内的温度场，再根据实测的铸件或者铸型、冷铁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、冷铁之间的界面换热系数。想要获取铸件或者铸型、冷铁内某些位置的温度曲线，需要在铸件和铸型、冷铁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，同时，在实际生产中会使用大量冷铁。砂型及冷铁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。
目前，还没有提出一种有效结构模型能够较好的模拟复杂铸件反重力铸造条件下的充型、凝固与冷却特性，难以系统研究并建立工艺参数、铸件厚度和冷铁等对铸件性能的影响规律。专利CN 110125342 A公开了一种砂型铸造中砂型温度场的测量方法，提出了采用砂块或过滤网方法，固定测温热电偶。该方法解决了铸件与砂型之间的热电偶固定，但没有考虑冷铁的作用，因为铸件与冷铁的传热行为与铸件与砂型的传热行为存在较大差异，而砂型铸造过程中又会使用大量冷铁，没有有效的测量砂型铸造过程中铸件与冷铁界面换热行为的热电偶定位与固定方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，暂时没有有效的测量砂型铸造过程中铸件与冷铁界面换热行为的热电偶定位与固定方法的问题，提出了一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，步骤如下：
(1)制备冷铁，并于所有冷铁任一表面中心位置利用线切割方式制备方形铁块，于方形铁块的线切割面任意一面上设置N个贯穿性定位直槽；
(2)于步骤(1)设置的方形铁块贯穿性定位直槽内放置测量冷铁内部温度的测温热电偶，并通过焊接方式将测温热电偶与方形铁块固定；
(3)组装铸件木模，将安装好测温热电偶的方形铁块放入冷铁，同时将冷铁放置于铸件木模表面的冷铁定位槽内并使冷铁与冷铁定位槽内壁紧密贴合；
(4)利用铸件木模进行砂型造型，于铸件木模内填砂，待砂型填充完毕后将铸件木模由砂型中脱出，获取侧面设置有冷铁定位槽的砂型铸造阶梯构件；
(5)将冷铁内的测温热电偶通过数据线与外部温度采集设备连接，设定温度采集频率，记录浇注试验前砂型铸造阶梯构件温度，开始浇注试验，于固定时长内持续采集砂型铸造阶梯构件温度，并于浇注试验结束后绘制浇注试验中砂型铸造阶梯构件温度随时间变化曲线。
所述步骤(1)中，所述贯穿定位直槽的数量N大于等于4。
所述步骤(1)中，所述贯穿性定位直槽深度范围为5～8mm，其中，测温热电偶的直径为1.5mm，贯穿性定位直槽深度大于两倍测温热电偶的直径以保持方形铁块表面平整。
所述贯穿定位直槽间相互平行设置。
所述步骤(4)中，砂型铸造阶梯构件为由上到下壁厚逐渐增加的M层圆柱形阶梯结构，每层圆柱形阶梯结构均为中空圆环结构，所述铸件木模与砂型铸造阶梯构件相互匹配。
所述圆柱形阶梯结构层数M不小于4层。
所述砂型铸造阶梯构件通过铸件木模在砂型造型过程中于砂箱内填充粘土砂或树脂砂铸造而成。
所述砂型造型通过铸件木模实现，浇注试验通过四立筒缝隙式浇注系统实现。
所述冷铁的数量与圆柱形阶梯结构层数M相同，均安装于型铸造阶梯构件侧面，每层圆柱形阶梯结构侧面均设置一个冷铁定位槽。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，通过预设砂型铸造阶梯构件及匹配的铸件木模结构，能够满足系统研究砂型反重力铸造条件下铸造工艺与铸件组织、性能的对应关系，同时与传统的使用热电偶测量铸件的测温技术相比，参考了铸件与冷铁传热的差异性，将热电偶设置于冷铁中，提升固定效果的同时提升了定位准确性，在浇注试验中，能够有效采集铸件和冷铁内指定位置处的温度曲线，为反算铸件和冷铁界面换热系数提供数据支撑。
附图说明
图1为发明提供的砂型铸造阶梯构件结构示意图；
图2为发明提供的砂型铸造阶梯构件中冷铁与砂块分布位置示意图；
图3为发明提供的冷铁与方形铁块位置关系示意图；
图4为发明提供的方形铁块线切割面上测温热电偶位置关系示意图；
具体实施方式
一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，首先通过在冷铁上以方形铁块定位测温热电偶，再将定位好的冷铁于铸件木模砂型造型过程中定位于造型所得砂型铸造阶梯构件上，最后利用测温热电偶对浇注金属液过程中的温度进行监控，具体步骤如下：
第一步，根据本次浇注试验的任务需求确定需要造型的砂型铸造阶梯构件结构，同时确定所需的铸件木模，如图3所示，制备与砂型铸造阶梯构件层数相同数量的冷铁，并于每块冷铁任一表面中心位置利用线切割方式制备方形铁块，在方形铁块制备时于线切割面上，设置N个贯穿性定位直槽，用于固定测温热电偶，使其能更好的测量冷铁内部与冷铁接触的换热界面的稳定，换热界面即方形铁块于线切割完毕后与砂型铸造阶梯构件一侧接触的底面上，N大于等于4个；
其中，贯穿性定位直槽的深度范围为5～8mm，必须大于后续选取的测温热电偶直径两倍，测温热电偶的直径为1.5mm，才能保证焊接定位时方形铁块表面平整，同时各贯穿性定位直槽间相互平行；
如图1所示，铸件木模与砂型铸造阶梯构件相互匹配，砂型铸造阶梯构件为由上到下壁厚逐渐增加的M层圆柱形阶梯结构，每层圆柱形阶梯结构均为中空圆环结构，圆柱形阶梯结构层数M不小于4层；
冷铁的数量与圆柱形阶梯结构层数M相同，均安装于铸造阶梯构件侧面，每层圆柱形阶梯结构侧面均设置一个冷铁定位槽；
第二步，将选区的测温热电偶放置于贯穿性定位直槽内，通过焊接进行固定，等待后续放入冷铁中；
第三步，将选区的铸件木模组装后，将所有方形冷铁均放入冷铁的线切割位置，再次进行固定，将固定有测温热电偶的冷铁安装于铸件木模表面的冷铁定位槽内，使冷铁与冷铁定位槽内壁紧密贴合；
第四步，开始砂型造型，于铸件木模的砂箱内填充粘土砂或树脂砂，待砂型填充完毕后将铸件木模由砂型中脱出，如图2所示，获取侧面设置有冷铁定位槽的砂型铸造阶梯构件，填砂造型过程需要通过铸件木模与四立筒缝隙式浇注系统共同实现；
第五步，冷铁内的测温热电偶通过数据线与外部温度采集设备连接，设定温度采集频率，记录浇注试验前砂型铸造阶梯构件温度，开始浇注试验，于固定时长内持续采集砂型铸造阶梯构件温度，并于浇注试验结束后绘制浇注试验中砂型铸造阶梯构件温度随时间变化曲线。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
在本实施例中，通过铸件木模进行砂型造型获得的砂型铸造阶梯构件由上而下厚度逐渐增加，为5层圆柱形阶梯结构，由下到上壁厚分别为30mm、20mm、15mm、10mm、5mm，阶梯结构的内表面保证齐平，内径均为295mm，每段厚度的高度为160mm；
浇注试验采用四立筒缝隙式浇注系统，四个浇注系统均布于阶梯构件四周，砂型造型时采用树脂砂填充于砂箱中进行砂型铸造阶梯构件造型；
首先准备树脂砂材料、与预设砂型铸造阶梯构件造型相互匹配的铸件木模，同时准备5块冷铁，冷铁为弧形板状，投影长宽分别为100mm、80mm，厚度为10mm；
于冷铁上线切割获取5块方形铁块，将需要布置于冷铁中直径均为1mm的三根热电偶通过深度为2.0mm的贯穿性定位直槽固定于方形铁块切割面上，三根热电偶设置的贯穿性定位直槽相互平行，距离换热界面距离采用错位设计，如图4所示，距离分别为3mm、6mm和8mm，采用焊接方式将热电偶固定于贯穿性定位直槽内，确保热电偶的测温点不发生变化；
将固定好测温热电偶的方形铁块装回冷铁的切割槽内再次固定；
开始砂型造型，采用树脂砂整体造型，针对阶梯构件，每个厚度安装一块冷铁，将冷铁放入铸件木模设定好的冷铁定位槽内，使冷铁与冷铁定位槽内壁紧密贴合；砂型造型结束后，砂型铸造阶梯构件侧表面造型所得的冷铁定位槽内的冷铁紧贴阶梯构件的表面，此时将铸件木模从砂型中脱出；
将冷铁内的测温热电偶通过数据线与外部温度采集设备连接，设定温度采集频率，开始浇注试验，于固定时长内持续采集砂型铸造阶梯构件温度，并于浇注试验结束后绘制浇注试验中砂型铸造阶梯构件温度随时间变化曲线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于步骤如下：
(1)制备冷铁，并于所有冷铁任一表面中心位置利用线切割方式制备方形铁块，于方形铁块的线切割面任意一面上设置N个贯穿性定位直槽；
(2)于步骤(1)设置的方形铁块贯穿性定位直槽内放置测量冷铁内部温度的测温热电偶，并通过焊接方式将测温热电偶与方形铁块固定；
(3)组装铸件木模，将安装好测温热电偶的方形铁块放入冷铁，同时将冷铁放置于铸件木模表面的冷铁定位槽内并使冷铁与冷铁定位槽内壁紧密贴合；
(4)利用铸件木模进行砂型造型，于铸件木模内填砂，待砂型填充完毕后将铸件木模由砂型中脱出，获取侧面设置有冷铁定位槽的砂型铸造阶梯构件；
(5)将冷铁内的测温热电偶通过数据线与外部温度采集设备连接，设定温度采集频率，记录浇注试验前砂型铸造阶梯构件温度，开始浇注试验，于固定时长内持续采集砂型铸造阶梯构件温度，并于浇注试验结束后绘制浇注试验中砂型铸造阶梯构件温度随时间变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述贯穿定位直槽的数量N大于等于4。
3.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述贯穿性定位直槽深度范围为5～8mm，其中，测温热电偶的直径为1.5mm，贯穿性定位直槽深度大于两倍测温热电偶的直径以保持方形铁块表面平整。
4.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：所述贯穿定位直槽间相互平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，砂型铸造阶梯构件为由上到下壁厚逐渐增加的M层圆柱形阶梯结构，每层圆柱形阶梯结构均为中空圆环结构，所述铸件木模与砂型铸造阶梯构件相互匹配。
6.根据权利要求5所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：所述圆柱形阶梯结构层数M不小于4层。
7.根据权利要求5所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：所述砂型铸造阶梯构件通过铸件木模在砂型造型过程中于砂箱内填充粘土砂或树脂砂铸造而成。
8.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：所述砂型造型通过铸件木模实现，浇注试验通过四立筒缝隙式浇注系统实现。
9.根据权利要求1所述的一种基于砂型反重力铸造阶梯构件的测温热电偶定位方法，其特征在于：所述冷铁的数量与圆柱形阶梯结构层数M相同，均安装于型铸造阶梯构件侧面，每层圆柱形阶梯结构侧面均设置一个冷铁定位槽。
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