CN111710377B - 用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，包括：步骤S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；步骤S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；步骤S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度。本发明可以在试样的指定位置制造出期望的铸造缩松缺陷，而其他位置没有缩松缺陷，并将该缺陷保留在力学性能测试用的试样标距内。

Description

用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法及系统
技术领域
本发明涉及金属及合金铸造力学性能的试样设计领域，具体地，涉及用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法及系统。尤其地，涉及一种评价铸造疏松缺陷等级对铸件力学性能影响的试样设计与制备方法。
背景技术
金属材料是工业的重要物质基础，产品结构设计师在选用金属材料时依据的通常是金属材料在无缺陷情况下的力学性能数据，然而，金属材料在铸造生产过程中，经常会出现疏松类铸造缺陷。由于缺乏铸造缺陷对力学性能影响规律，人们在铸造产品设计时，多依据金属材料的相关性能手册数据，并设置一定的安全系数进行铸件结构设计，存在设计余量大、材料利用率低、产品超重等问题。尤其是面对含有少量超标疏松缺陷的铸件时，由于无法评估其存在的风险，只能采取返修甚至报废的处理办法，造成大量的人力与资源的浪费。因为缺乏铸造疏松缺陷等级的试样设计方法与制备办法，使得评价铸造疏松缺陷等级对铸件力学性能变得极为困难。
经检索，文献“工艺参数对ADC12铝合金压铸件微孔缺陷与力学性能的影响，铸造2017,66(2)”报道以ADC12压铸铝合金为研究对象,研究了压铸工艺参数对ADC12铝合金压铸件微孔缺陷和力学性能的影响规律,分析了铸件的密度、微观组织和力学性能。结果表明,铸件的力学性能随着浇注温度的升高和压射速度增加先增高后降低,随高速切换位置增加而降低,同时,铸件内微孔数量随着高速切换位置和压射速度增加而增大。该研究的目的是避免铸件内部产生微孔缺陷，从而获得最佳力学性能的产品，没有研究微孔缺陷的程度与力学性能之间的关系。
专利文献CN102901659B公开了一种金属合金试样的制备方法，该方法采用真空吸铸设备，利用压力差吸铸成型。具有高洁净性和高效性，且可实现成分高均匀性和高准确性，试棒尺寸达Φ12mm×120mm，解决了粉末冶金、熔模铸造、挤压成型及铸锭加工等试棒制备方法存在的成分不均匀、氧含量控制难、周期长或工序复杂等不足；可满足标准试样的制备、合金设计、性能测试及送料杆制备等工艺对理想合金试棒的严格需求。这种方法制备的也是接近理想状态的无缺陷合金试样，是一种为了消除缩松等铸造缺陷的影响而进行的试样设计办法。
发明内容
针对金属材料铸造产生的缩松缺陷，具有随机性，受金属材料种类、凝固条件、冷却速度、补缩条件及周边环境等多种参数影响的问题，本发明的目的在于提供一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法及系统，设计一种能够产生不同等级铸造缩松缺陷的试样，该试样能在固定的位置可产生一定缩松等级的铸造缺陷，使其能够研究评价铸造疏松缺陷对力学性能的影响规律，为结构设计师制定铸件验收标准提供依据。
根据本发明提供的一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
步骤S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
步骤S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
步骤S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，返回步骤S2继续执行，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
步骤S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
步骤S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造或其他铸造方法浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估。
优选地，所述步骤S2：
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位。
优选地，所述步骤S2：
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
优选地，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
优选地，所述步骤S3：
通过商用模拟软件或热模数计算，对凝固过程进行模拟和分析。
根据本发明提供的一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，包括：
模块S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
模块S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
模块S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
模块S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，重新调用模块S2、S3，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
模块S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
模块S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造或其他铸造方法浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估。
优选地，所述模块S2：
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位；
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
优选地，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
优选地，所述模块S3：
通过商用模拟软件或热模数计算，对凝固过程进行模拟和分析。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可以在试样的指定位置制造出期望的铸造缩松缺陷，而其他位置没有缩松缺陷，并将该缺陷保留在力学性能测试用的试样标距内。
2、本发明铸造出的带缺陷试样可用于不同等级疏松缺陷对铸件力学性能的影响评价。
3、本发明方法简单，适用于各种铸造合金材料，可用于机械制造、航空航天、船舶制造等领域的铸件缺陷与性能关系评估，均有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的实施例1尺寸示意图。
图2为本发明提供的实施例2尺寸示意图。
图3为本发明提供的实施例3尺寸示意图。
图4为本发明提供的实施例4多面体尺寸示意图。
图5为本发明提供的实施例1模拟结果示意图。
图6为本发明提供的实施例2模拟结果示意图。
图7为本发明提供的实施例3模拟结果示意图。
图8为本发明提供的实施例4模拟结果示意图。
图9为本发明提供的实施例模拟结果色标示意图。
图10为本发明提供的铸棒与试样组合示意图.
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
步骤S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
步骤S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
步骤S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，返回步骤S2继续执行，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
步骤S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
步骤S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造或其他铸造方法浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估。
具体地，所述步骤S2：
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位。
具体地，所述步骤S2：
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
具体地，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
具体地，所述步骤S3：
通过商用模拟软件或热模数计算，对凝固过程进行模拟和分析。
本发明提供的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，可以通过本发明给的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法的步骤流程实现。本领域技术人员可以将所述用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，理解为所述用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统的一个优选例。
根据本发明提供的一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，包括：
模块S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
模块S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
模块S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
模块S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，重新调用模块S2、S3，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
模块S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
模块S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造或其他铸造方法浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估。
具体地，所述模块S2：
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位；
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
具体地，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
具体地，所述模块S3：
通过商用模拟软件或热模数计算，对凝固过程进行模拟和分析。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法的步骤。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
附图1、2、3、4分别为实施例1、2、3、4中试棒的尺寸示意图。附图5为实施例1中试棒凝固后缩松缺陷分布图。色标统一见图9，颜色从黑色渐变为白色表明缩松严重程度的增加。同理，附图6、7、8为实施例2、3、4中试棒凝固后缩松缺陷分布图。实施例1、2、3为高温合金K4169，初始温度1450℃，熔模精铸，模壳为莫来石，初始温度950℃；实施例4为铝合金ZL101A，初始温度700℃，砂型铸造，树脂砂，初始温度30℃。附图10为铸棒与试样示意图，a)图铸棒经机械加工成b)图的试样。
实施例1：选取半径10mm为球形的半径，得到图5所示的缺陷。
实施例2：选取半径12.5mm为球形的半径，得到图6所示的缺陷。
实施例3：选取半径15mm为球形的半径，得到图7所示的缺陷。
实施例4：多面体，外接圆半径11mm，得到图8所示的缺陷。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
步骤S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
步骤S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
步骤S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，返回步骤S2继续执行，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
步骤S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
步骤S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造方法浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估；
所述步骤S2：
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位。
2.根据权利要求1所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，所述步骤S2：
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
3.根据权利要求1所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
4.根据权利要求1所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法，其特征在于，所述步骤S3：
通过商用模拟软件计算，对凝固过程进行模拟和分析。
5.一种用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，其特征在于，包括：
模块S1：依据国家标准，设计铸棒的形状、尺寸，铸棒直径不小于国家标准要求的试样两端夹持部位的直径，长度不小于标准要求的试样总长度；
模块S2：将铸棒的特定区域设计成多面体或球形；
模块S3：将铸棒转变成三维CAD模型，并对凝固过程进行模拟和分析，预测可能出现缩松缺陷的位置及缩松缺陷的严重程度；
模块S4：调整铸棒多面体或球心的质心位置及外径，重新调用模块S2、S3，直到缩松缺陷位于试样的中心位置；
模块S5：记录下球心或多面体的质心位置及外径的尺寸，完成铸棒结构设计；
模块S6：依据铸棒的结构设计，按照传统熔模铸造浇注成型，再依据国家标准对铸棒进行性能试样的加工，完成力学性能的测试与评估；
所述特定区域指：铸棒经过加工以后可以作为试棒标距的部位。
6.根据权利要求5所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，其特征在于，所述模块S2：
所述多面体或球心的质心位置及外径大小可变。
7.根据权利要求5所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，其特征在于，所述多面体与球形的可形成局部粗大的热节，从而制造疏松缺陷。
8.根据权利要求5所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计系统，其特征在于，所述模块S3：
通过商用模拟软件计算，对凝固过程进行模拟和分析。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的用于评价疏松缺陷对力学性能影响的试棒设计方法的步骤。
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