鑄造用型砂熱物性參數(shù)研究及校正

何 媛，蘇少靜，宋 亮

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

型砂的熱物性參數(shù)是研究鑄件在鑄型中凝固傳熱過程的基本參數(shù)，對鑄件的溫度場以及縮松形成有決定性作用，因此準(zhǔn)確的型砂熱物性參數(shù)對數(shù)值凝固模擬是必不可少[1]。陶瓷砂作為一種鑄造用新型砂，與硅砂相比，具有抗粘砂、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯減少鑄件粘砂、脈紋等缺陷，提升鑄件表面質(zhì)量[2]。但由于其化學(xué)成分與以往型砂的差異，導(dǎo)致熱物性參數(shù)存在很大差異。仿真模擬軟件中沒有準(zhǔn)確的陶瓷砂參數(shù)導(dǎo)致無法為陶瓷砂補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)提供可靠指導(dǎo)。對陶瓷砂型砂熱物性參數(shù)進(jìn)行研究并確定準(zhǔn)確的仿真模擬熱物性參數(shù)非常重要。

1 研究方案確定

型砂的熱物性參數(shù)主要有三個(gè)：密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)。通常型砂的密度容易測定，因此需要校正的熱物性參數(shù)是比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容表示型砂的吸熱能力，導(dǎo)熱系數(shù)表示型砂的傳熱能力，這些參數(shù)會(huì)影響鑄件凝固冷卻溫度場，最終會(huì)顯示出不同的鑄件內(nèi)部缺陷結(jié)果。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)測得實(shí)際鑄件的降溫曲線，借助數(shù)值模擬軟件的優(yōu)化模塊，將現(xiàn)場實(shí)測的降溫曲線設(shè)置為目標(biāo)值，將型砂的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為變量，則可通過模擬降溫曲線和實(shí)際降溫曲線的擬合，最終確定出準(zhǔn)確的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)過程及校正過程如圖1 所示。

圖1 型砂熱物性參數(shù)校正流程圖

2 現(xiàn)場降溫曲線的測定

選取某厚壁灰鑄鐵件（主體壁厚90 mm）作為測量降溫曲線的產(chǎn)品，為了保證試驗(yàn)的有效性，設(shè)置固定工裝對熱電偶進(jìn)行固定。圖2 是實(shí)際降溫曲線測定的示意圖。測溫點(diǎn)為T1點(diǎn)。澆注前預(yù)先將校準(zhǔn)的熱電偶埋入T1點(diǎn)，并接通熱電偶溫度記錄儀，進(jìn)行溫度測量。從澆注開始后每隔15 min 記錄一次溫度。鑄件材質(zhì)為HT300，澆注溫度為1 380 ℃[3].

圖2 實(shí)際降溫曲線測定示意圖

圖3 是實(shí)際測量的降溫曲線，從降溫曲線可以看出，剛澆注的鐵液給鑄型加熱，砂型溫度快速升高，最高達(dá)到了1 080 ℃，之后砂型溫度逐漸降低。隨著冷卻時(shí)間的延長，降溫速度越來越緩慢，曲線越來越平緩。

圖3 實(shí)際測量的降溫曲線

3 數(shù)值模擬優(yōu)化與參數(shù)校正

借助數(shù)值模擬軟件，可以通過調(diào)整型砂熱物性參數(shù)得到對應(yīng)的降溫曲線，與現(xiàn)場實(shí)測的降溫曲線進(jìn)行比對，進(jìn)而找到與現(xiàn)場吻合的曲線，該曲線對應(yīng)的熱物性參數(shù)即為校正后的型砂熱物性參數(shù)[4]。

仿真模擬軟件數(shù)據(jù)庫中有陶瓷砂的數(shù)據(jù)庫，但其對應(yīng)的陶瓷砂的Al2O3含量與公司現(xiàn)有陶瓷砂的含量不同，這會(huì)導(dǎo)致陶瓷砂的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容也存在差異，使用該陶瓷砂的數(shù)據(jù)庫參數(shù)無法準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)有工藝。使用該陶瓷砂的數(shù)據(jù)庫模擬出的降溫曲線如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，現(xiàn)有陶瓷砂數(shù)據(jù)庫模擬出的溫度曲線在前期升溫階段速度稍快，且達(dá)到的最高溫度較現(xiàn)場實(shí)測稍高，則說明現(xiàn)場陶瓷砂的比熱容比現(xiàn)有陶瓷砂數(shù)據(jù)的比熱容稍大；在降溫階段，現(xiàn)有陶瓷砂數(shù)據(jù)庫的降溫速度較現(xiàn)場實(shí)測的陶瓷砂的降溫速率快，則說明現(xiàn)場陶瓷砂的導(dǎo)熱系數(shù)比現(xiàn)有陶瓷砂數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)熱系數(shù)小。該陶瓷砂數(shù)據(jù)庫需要修正，才能與現(xiàn)場的型砂熱物性參數(shù)相匹配。

圖4 現(xiàn)有陶瓷砂數(shù)據(jù)庫所得的降溫曲線

借助仿真模擬軟件，將型砂數(shù)據(jù)庫的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為變量，并根據(jù)圖4 分析出的規(guī)律設(shè)置變量區(qū)間以及變化步長，將圖3 的降溫曲線設(shè)置為目標(biāo)值。經(jīng)過DOE 優(yōu)化模擬，得出與目標(biāo)曲線較為接近的曲線，該降溫曲線對應(yīng)的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)也可以查看。通過分析改進(jìn)，對該比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行新一輪優(yōu)化模擬，變量區(qū)間和變化步長可以根據(jù)分析結(jié)果重新設(shè)置。經(jīng)過3 輪模擬優(yōu)化，最終得出的較吻合的降溫曲線如圖5 所示。對比模擬優(yōu)化后的降溫曲線與現(xiàn)場實(shí)測的降溫曲線，砂子所能達(dá)到的最高溫度基本相同。在冷卻降溫后期，砂子的降溫速率（曲線斜率）基本相同，使用該曲線對應(yīng)的型砂比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)可以作為該型砂的仿真模擬用熱物性參數(shù)。

圖5 模擬優(yōu)化后的降溫曲線

4 凝固仿真模擬驗(yàn)證

使用前面步驟校正得出的陶瓷砂比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，在仿真模擬數(shù)據(jù)庫中，修改現(xiàn)有陶瓷砂型砂模擬數(shù)據(jù)庫，通過使用修改后的數(shù)據(jù)庫參數(shù)模擬的結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場生產(chǎn)結(jié)果比較，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場生產(chǎn)的某機(jī)床床身產(chǎn)品使用陶瓷砂生產(chǎn)，頂面凸臺(tái)出現(xiàn)了縮陷缺陷，如圖6 所示。使用原有的陶瓷砂參數(shù)模擬出的結(jié)果如圖7a）所示，該模擬結(jié)果在凸臺(tái)處無縮陷缺陷與現(xiàn)場結(jié)果不吻合，無法為工藝設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供指導(dǎo)。

圖6 鑄件頂面凸臺(tái)出現(xiàn)縮陷

通過使用校準(zhǔn)后的陶瓷砂參數(shù)模擬出的結(jié)果如圖7b）所示，實(shí)際出現(xiàn)縮陷的凸臺(tái)處仿真模擬結(jié)果也出現(xiàn)了縮陷，模擬準(zhǔn)確。

圖7 相同鑄造工藝不同型砂熱物性參數(shù)的模擬結(jié)果

借助仿真模擬軟件，分析縮松產(chǎn)生的原因，對工藝進(jìn)行相應(yīng)冷鐵和冒口的調(diào)整，重新模擬出的結(jié)果，頂面凸臺(tái)處無縮松。將該改進(jìn)工藝投入生產(chǎn)，生產(chǎn)出的鑄件凸臺(tái)處也無縮陷出現(xiàn)（如圖8），鑄件合格。

圖8 鑄件頂面凸臺(tái)無縮陷

通過該產(chǎn)品的驗(yàn)證，確定優(yōu)化校正后的陶瓷砂熱物性參數(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測出陶瓷砂工藝產(chǎn)品縮松風(fēng)險(xiǎn)，為工藝設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)和參考。

5 結(jié)論

1）準(zhǔn)確的型砂熱物性參數(shù)對數(shù)值凝固模擬必不可少。借助仿真模擬軟件，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測降溫曲線，對現(xiàn)有型砂熱物性參數(shù)進(jìn)行校正，得到可以準(zhǔn)確應(yīng)用于仿真模擬軟件的型砂熱物性參數(shù)，可提升仿真模擬準(zhǔn)確性。

2）將校正后的參數(shù)用于模擬實(shí)際有缺陷的鑄件，模擬結(jié)果吻合；將有缺陷的產(chǎn)品使用該參數(shù)模擬改進(jìn)后再投入生產(chǎn)，生產(chǎn)鑄件合格，驗(yàn)證了校正后熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確性，該型砂熱物性參數(shù)可以為今后的工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。

3）數(shù)值凝固模擬所用的其他參數(shù)也可以參考使用此方法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升仿真模擬的準(zhǔn)確性。