CN113385639B - 一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法及变壁厚砂型结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构及其制造方法，属于砂型铸造领域，通过数值模拟计算和3DP工艺设计制造出了一种变壁厚结构的整体式砂型，在保持砂型工作所需要的结构和强度的基础上，通过改变外部砂箱的结构和壁厚来改善合金凝固时的温度场，使铸造各部分冷却速度一致，避免了铸造缺陷产生，提高了铸件组织均匀性和铸件的质量；同时外砂箱变为随形设计，砂箱不再是传统的立方体结构，有效减小了砂型体积，节约原砂，降低成本。

Description

一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法及变 壁厚砂型结构

技术领域

本发明属于砂型铸造领域，涉及一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法及变壁厚砂型结构。

背景技术

砂型铸造是指在砂型中生产铸件的制造方法，铸造行业中有80％以上的产品都是通过砂型铸造完成的。与其他铸造方法相比，砂型铸造具有成本低、生产工艺简单、生产周期短、应用合金种类广泛优点，因此广泛应用于具有复杂空间结构的铸件，如发动机缸体和缸盖、叶轮、叶片、传动箱体以及阀体等。在传统砂型铸造过程中，需要先根据铸件形状制备出相应的模具，在采用模具分别制备出砂芯和上下砂箱，进一步将砂芯和上下砂箱组装起来，形成铸造用的砂型。

浇注后的金属液在砂型中经过一定时间的保温、冷却后，成形所需要的铸件形状。但在铸件冷却凝固的过程中，由于传统的砂型铸造，上下砂箱均为方形结构，这必然使得砂型各部分的壁厚不均，导致在铸造结构比较复杂的零件时存在铸件各部分散热情况不一致，这些因素使得铸件各部分冷却速度不一致，容易在铸件后冷却凝固的部位产生缩松、缩孔等铸造缺陷以及铸件各部分微观组织不均匀，从而影响了铸件的整体性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法及变壁厚砂型结构。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法，包括以下步骤：

1)在待测铸件砂型结构的外砂箱上根据铸件形状的变化特征，设置至少5～10个测温区域，模拟计算出各个测温区域的模拟温度数据；

2)采用所述待测铸件砂型结构进行实际铸造实验，实时测定各个测温区域的实际温度数据；

3)将步骤1)获得的模拟温度数据与步骤2)实测的同一时刻条件下的实际温度数据进行对比分析，若有任意一个测温点的相对温度误差大于10％，则增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％，然后将该数值作为新的基本参数；

4)重复进行步骤1)～3)，直至在所有时刻下，模拟计算得到的测温点数据与同一时刻的实测的温度误差都小于10％为止，获得用于模拟计算的基本参数；

5)利用步骤1)得到的铸件的模拟温度数据和步骤4)得到的用于模拟计算的基本参数，模拟计算出待测铸件外砂箱不同时刻的凝固温度场；

6)对步骤5)计算出的待测铸件外砂箱不同时刻的凝固温度场进行分析，判断是否存在温度局部过冷区域；若存在，则对温度局部过冷区域的外砂箱进行加厚处理，然后重复步骤1)～5)，直至不存在温度局部过冷区域；当不存在温度局部过冷区域时，则保存该修正后的外砂箱厚度数据，即设计得到变壁厚砂型结构的厚度数据。

优选地，步骤1)中，采用ProCAST软件根据砂型结构和合金基本参数进行模拟温度的模拟计算；其中，砂型结构和合金基本参数包括：热传导系数、辐射换热系数、比热、凝固潜热、密度以及合金的固/液相线温度。

优选地，步骤2)中，采用热电偶测温法实时测定各个测温区域的实际温度数据

本发明公开的一种变壁厚结构的整体式砂型，由内部整体式砂芯、外部变壁厚砂箱和底部加厚砂箱构成的一体式结构；

其中，所述外部变壁厚砂箱采用上述的设计方法获得变壁厚砂型结构的厚度数据进行加工制造。

优选地，内部整体式砂芯为根据待测铸件结构采用3DP工艺制备的砂芯。

优选地，所述外部变壁厚砂箱由砂型***变壁厚部分与砂型内部工作部分一体连接而成；

所述砂型***变壁厚部分为可变壁厚的砂型；

所述砂型内部工作部分为空心壳体。

进一步优选地，所述空心壳体的内部形状由铸件的外形决定。

进一步优选地，空心壳体的壁厚相等，且空心壳体的壁厚大于等于可变壁厚的砂型的功能砂厚度。

进一步优选地，所述功能砂厚度为保证砂型力学性能的最小厚度，即砂型在合金浇注过程中未发生砂箱的破损或开裂时的最小砂型厚度。

优选地，所述底部加厚砂箱的厚度根据铸件体积大小进行加厚相应的厚度，当铸件质量小于30kg时加厚10mm，质量大于30kg小于80kg的加厚15mm，质量大于80kg的加厚20mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明方法采用3DP工艺制造出了一种变壁厚结构的整体式砂型，在保证砂型的力学强度满足铸造要求的前提下，实现了砂型的变壁厚设计，突破了传统砂芯铸造外砂箱是厚大立方体结构的设计桎梏；同时采用3D打印技术解决了传统砂型制备工艺只能分体式制备砂型各个部位，且难以制备结构复杂和壁厚变化砂型的难题。本发明提出的砂型可以有效实现砂型的散热均匀，使合金凝固时各部分冷却速度一致，减少铸造缺陷的产生，提高铸件组织均匀性和整体性能；同时本发明还可以减小砂型的体积，节约原砂，降低成本。具体优势体现在：

1.本发明提出的砂型可以有效实现砂型的散热均匀，提高铸件凝固过程中的温场均匀性，使合金凝固时各部分冷却速度一致，减少铸造缺陷的产生，提高铸件组织均匀性和整体性能；

2. 3DP工艺可以有效实现砂型局部加厚设计后的复杂结构和形状的砂型制造，避免了传统铸造工艺中模具的制造与加工过程，可以缩短生产周期，提高生产效率；

3.采用3DP工艺制备出的整体式砂型避免了传统热芯盒工艺中的组芯工艺，提高了复杂结构铸件的精度，从而提高了铸件的批间一致性和的成品率；

4.外砂箱变为随形设计，砂箱不再是传统的立方体结构，有效减小了砂型体积，节约原砂，降低成本，同时也减少了资源的浪费和环境的污染，符合现代化绿色铸造的发展趋势。

基于上述制造方法制得的变壁厚结构的整体式砂型，该砂型的外砂箱包括铸造砂型的砂型***变壁厚部分以及砂型内部工作部分。砂型***变壁厚部分可用于保证铸件的凝固温度场均匀，砂型内部工作部分用于成形铸件的外形，其形状由铸件的外形结构而定，同时保持砂型的强度，防止其在铸造压力的作用下破碎。

附图说明

图1为实施例1中砂型结构图；

图2为实施例2中砂型结构图；

其中：1、砂型内部工作部分，2、砂型***变壁厚部分，3、砂型底部加厚部分。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示的为铸造壳体时的变厚度砂型结构，包括砂型内部工作部分1以及砂型***变壁厚部分2；所述砂型内部工作部分1为空心壳体，该空心壳体的内部形状由壳体零件的外形决定；所述砂型***变壁厚部分2为零件的散热情况决定；所述砂型内部工作部分1与砂型***变壁厚部分2连接为一体。

具体实施过程是：由于铸件壁厚不均，各部分散热不均匀，将砂型的外部设计为砂型***变壁厚部分2，如图1所示。为使得型芯在铸造过程中满足强度要求，选取砂型内部工作部分1的壁厚S应大于等于砂型的功能砂厚度S₀，可根据铸件铸造过程对砂型壁厚的应力与砂型强度之间的应力匹配来决定通过砂型的强度和铸造应力计算可得。

所述的砂型的功能砂厚度S₀为9.95mm。

所述砂型内部工作部分1的壁厚选为10mm。

由于实施例1中铸件质量小于30kg，为了使得所述砂型的底部结构在受到金属液冲击时不会遭到破快，将砂型的底部加厚结构选为10mm，因此砂型底部结构厚度为20mm(功能砂厚度为10mm，加厚10mm，因此总厚度为20mm)。

实施例2

如图2所示的为铸造变速箱壳体零件时的变厚度砂型结构，包括砂型内部工作部分1以及砂型***变壁厚部分2；所述砂型内部工作部分1为空心壳体；所述空心壳体的内部形状由变速箱零件的外形决定；所述砂型***变壁厚部分2为零件的散热情况决定；所述砂型内部工作部分1与砂型***变壁厚部分2连接为一体。

具体实施过程是，为了减少制作砂型时砂子的用量，同时保证零件在铸造过程中各部分散热均匀，将砂型的外部设计为砂型***变壁厚部分2如图2所示。为使得砂型在铸造过程中满足强度要求，选取砂型内部工作部分1的壁厚S应大于等于砂型的功能砂厚度S₀°。

所述的砂型的功能砂厚度S₀为14.46mm。

所述砂型内部工作部分1的壁厚选为15mm。

由于实施例2中铸件质量大于30kg小于60kg，为了使得所述砂型的底部结构在受到金属液冲击时不会遭到破快，将砂型的底部加厚结构选为15mm，因此砂型底部结构厚度为30mm。

综上所述，本发明公开的靶向控制铸件微观组织的砂型结构设计与制造方法，通过数值模拟计算和3DP工艺设计制造出了一种变壁厚结构的整体式砂型，该砂型的外砂箱包括铸造砂型的***变壁厚部分、内部的工作部分以及底部加厚部分。***的变壁厚结构可用于保证铸件的凝固温度场均匀，内部的工作部分用于成形铸件的外形，其形状由铸件的外形结构而定，同时保持砂型的强度，防止其在铸造压力的作用下破碎。与现有技术比较本发明的益处在于：在保持砂型工作所需要的结构和强度的基础上，通过改变外部砂箱的结构和壁厚来改善合金凝固时的温度场，使铸造各部分冷却速度一致，避免了铸造缺陷产生，提高了铸件组织均匀性和铸件的质量；同时外砂箱变为随形设计，砂箱不再是传统的立方体结构，有效减小了砂型体积，节约原砂，降低成本；此外采用3DP工艺可以成形出复杂结构的整体式砂型，提高了复杂结构铸件的精度、批间一致性和的成品率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待测铸件砂型结构的外砂箱上根据铸件形状的变化特征，设置至少5～10个测温区域，模拟计算出各个测温区域的模拟温度数据；

其中，采用ProCAST软件根据砂型结构和合金基本参数进行模拟温度的模拟计算；其中，砂型结构和合金基本参数包括：热传导系数、辐射换热系数、比热、凝固潜热、密度以及合金的固/液相线温度；

2)采用所述待测铸件砂型结构进行实际铸造实验，实时测定各个测温区域的实际温度数据；

3)将步骤1)获得的模拟温度数据与步骤2)实测的同一时刻条件下的实际温度数据进行对比分析，若有任意一个测温点的相对温度误差大于10％，则增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％，然后将该数值作为新的基本参数；

4)重复进行步骤1)～3)，直至在所有时刻下，模拟计算得到的测温点数据与同一时刻的实测的温度误差都小于10％为止，获得用于模拟计算的基本参数；

5)利用步骤1)得到的铸件的模拟温度数据和步骤4)得到的用于模拟计算的基本参数，模拟计算出待测铸件外砂箱不同时刻的凝固温度场；

6)对步骤5)计算出的待测铸件外砂箱不同时刻的凝固温度场进行分析，判断是否存在温度局部过冷区域；若存在，则对温度局部过冷区域的外砂箱进行加厚处理，然后重复步骤1)～5)，直至不存在温度局部过冷区域；当不存在温度局部过冷区域时，则保存该修正后的外砂箱厚度数据，即设计得到变壁厚砂型结构的厚度数据。

2.根据权利要求1所述的靶向控制铸件微观组织的变壁厚砂型结构设计方法，其特征在于，步骤2)中，采用热电偶测温法实时测定各个测温区域的实际温度数据。

3.一种变壁厚结构的整体式砂型，其特征在于，该变壁厚结构的整体式砂型是由内部整体式砂芯、外部变壁厚砂箱和底部加厚砂箱构成的一体式结构；

其中，所述外部变壁厚砂箱采用权利要求1 ～ 2 中任意一项所述的设计方法获得变壁厚砂型结构的厚度数据进行加工制造；

空心壳体的壁厚相等，且空心壳体的壁厚大于等于可变壁厚的砂型的功能砂厚度，所述功能砂厚度为保证砂型力学性能的最小厚度，即砂型在合金浇注过程中未发生砂箱的破损或开裂时的最小砂型厚度；

所述底部加厚砂箱的厚度根据铸件体积大小进行加厚相应的厚度，当铸件质量小于30kg时加厚10mm，质量大于30kg小于80kg的加厚15mm，质量大于80kg的加厚20mm。

4.根据权利要求3所述的变壁厚结构的整体式砂型，其特征在于，内部整体式砂芯为根据待测铸件结构采用3DP工艺制备的砂芯。

5.根据权利要求3所述的变壁厚结构的整体式砂型，其特征在于，所述外部变壁厚砂箱由砂型***变壁厚部分与砂型内部工作部分一体连接而成；

所述砂型***变壁厚部分为可变壁厚的砂型；

所述砂型内部工作部分为空心壳体。

6.根据权利要求5所述的变壁厚结构的整体式砂型，其特征在于，所述空心壳体的内部形状由铸件的外形决定。

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