本發(fā)明屬于砂型鑄造，具體涉及冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法。

背景技術(shù)：

1、砂型冷凍鑄造技術(shù)是一種新型綠色化鑄造技術(shù)，其中冷凍砂型造型采用水作為粘接劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂型鑄造中的樹(shù)脂粘接劑，在低溫下與型砂材料凍結(jié)通過(guò)翻模、切削和打印等多種方式獲得具備一定強(qiáng)度的鑄型，在常壓或負(fù)壓下澆注獲得最終的成形鑄件，澆注過(guò)程無(wú)污染廢氣產(chǎn)生，砂型中的少量水粘接劑遇熱蒸發(fā)，砂型自然潰散，同時(shí)型砂可直接回收利用。

2、在進(jìn)行冷凍砂型鑄件澆注過(guò)程中，由于鑄件結(jié)構(gòu)的差異，不同部位的金屬液澆注量不同，在鑄件冷卻過(guò)程中各部位散熱速度不同，很容易造成鑄件內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生鑄造缺陷，目前常用的單一砂型、固定的熱物性參數(shù)體系下，澆注難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的澆注質(zhì)量要求，目前做一些精度保持性要求較高的高端裝備基礎(chǔ)鑄件，需要突破冷凍砂型高通量熱物性參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造技術(shù)，從材料匹配和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面改善鑄造過(guò)程傳熱傳質(zhì)條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄型多物性參數(shù)精準(zhǔn)分型設(shè)計(jì)，解決鑄件澆注時(shí)不同部位散熱差異造成的質(zhì)量缺陷問(wèn)題。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

3、冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法,具體包括如下步驟：

4、步驟1：根據(jù)輸入復(fù)雜鑄件模型進(jìn)行澆注性能模擬計(jì)算，獲得各部位溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布等重要參數(shù)，獲取復(fù)雜鑄件各部位冷卻散熱圖。

5、步驟2：根據(jù)鑄件模型反求出對(duì)應(yīng)的鑄型模型，利用計(jì)算獲得的鑄件冷卻散熱圖對(duì)鑄型模型進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，每個(gè)鑄型分型單獨(dú)造型，選擇不同的型砂種類(lèi)、冷凍溫度和含水量作為鑄型分型綜合性能變化的基礎(chǔ)變量，其中，不同型砂種類(lèi)代表傳熱系數(shù)的差異，不同冷凍溫度代表澆注過(guò)冷度的差異，不同含水量代表透氣性的差異，按照如下方程進(jìn)行物性參數(shù)性能設(shè)計(jì)：

6、p＝αa+βb+γc；

7、其中，p為鑄型分型的綜合性能，a為型砂種類(lèi)，b為冷凍溫度，c為砂型含水量，α、β和γ為對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)。

8、步驟3：對(duì)鑄型不同的分塊設(shè)計(jì)模型進(jìn)行混砂與造型，得到鑄型分型。

9、步驟4：將鑄型分型用隔熱薄膜包裹，進(jìn)行拼裝合型得到不同物性參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)鑄型。

10、優(yōu)選地，所述鑄件種類(lèi)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，在澆注時(shí)不同部位冷卻散熱有差異。

11、優(yōu)選地，所述鑄型分塊數(shù)量及剖分方法根據(jù)澆注模擬凝固溫度場(chǎng)分布情況確定，分塊數(shù)量大小由鑄件凝固初期未凝固占比大小決定。

12、優(yōu)選地，所述鑄型分型為坎合結(jié)構(gòu)，根據(jù)分塊數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)坎合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

13、優(yōu)選地，所述型砂種類(lèi)包括硅砂、鉻鐵礦砂、鋯英砂、橄欖石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂和鋁礬土砂等。

14、優(yōu)選地，所述砂型冷凍溫度在-196℃～-10℃之間。

15、優(yōu)選地，所述砂型含水量在2wt.％～8wt.％之間。

16、優(yōu)選地，所述隔熱薄膜材料為氣凝膠隔熱膜、膨脹石墨薄膜和聚乙烯蜂窩薄膜等隔熱材料。

17、優(yōu)選地，所述物性參數(shù)性能設(shè)計(jì)包括對(duì)不同位置的鑄型分型選擇不同的型砂種類(lèi)、水粘接劑添加量和冷凍溫度進(jìn)行組合。

18、優(yōu)選地，所述物性參數(shù)性能設(shè)計(jì)包括對(duì)不同位置的鑄型分型選擇不同的型砂種類(lèi)、水粘接劑添加量和冷凍溫度進(jìn)行自由組合，獲得促使鑄件各部分均衡凝固的精準(zhǔn)組合，集成多參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)鑄件形狀、材質(zhì)和模數(shù)需求，自動(dòng)匹配出模型組合方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件凝固過(guò)程的均衡。

19、優(yōu)選地，所述冷凍砂型分型通過(guò)翻模造型、數(shù)控加工或3d打印成形制造方式獲取。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

21、1、本發(fā)明通過(guò)對(duì)鑄型分型不同的型砂種類(lèi)、水粘接劑添加量和冷凍溫度的組合，實(shí)現(xiàn)不同鑄件澆注部位傳熱系數(shù)、透氣性和過(guò)冷度等熱物性參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使鑄件澆注完成后冷卻更均勻，減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

22、2、本發(fā)明通過(guò)澆注模擬確定冷凍砂型分塊數(shù)量，能實(shí)現(xiàn)高密度鑄型分型造型、拼裝與高通量熱物性參數(shù)設(shè)計(jì)，使不同區(qū)域的溫度過(guò)度更平滑。

23、3、本發(fā)明通過(guò)使用隔熱薄膜阻斷鑄型分型在拼裝時(shí)接觸區(qū)域的溫度傳遞，實(shí)現(xiàn)合型后各分型性能的穩(wěn)定性。

24、4、本發(fā)明通過(guò)對(duì)冷凍砂型熱物性參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)大大提高了傳統(tǒng)分塊造型的澆注冷卻性能，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述鑄件種類(lèi)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件時(shí)，在澆注時(shí)不同部位冷卻散熱差異大，需要根據(jù)鑄造凝固計(jì)算鑄件各部位p值，獲得多模型組合的p值矩陣。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述鑄型分塊數(shù)量及剖分方法根據(jù)澆注模擬凝固溫度場(chǎng)和熱節(jié)分布情況確定，溫度場(chǎng)和熱節(jié)較高的地方采用熱物性參數(shù)較好的材料組合，分塊數(shù)量大小由鑄件凝固初期未凝固占比大小決定。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述鑄型分型為坎合結(jié)構(gòu)，其坎合結(jié)構(gòu)包括幾何結(jié)構(gòu)或界面融合坎合方式，幾何坎合結(jié)構(gòu)包括圓臺(tái)、圓柱或異形結(jié)構(gòu)，界面融合坎合結(jié)構(gòu)包括低溫結(jié)冰粘接、樹(shù)脂膠粘接方式，根據(jù)分塊數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)坎合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述型砂種類(lèi)包括硅砂、鉻鐵礦砂、鋯英砂、橄欖石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂和鋁礬土砂，根據(jù)多模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則獲得該模型需要的精準(zhǔn)砂料。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述砂型冷凍溫度在-196℃～-10℃之間，根據(jù)多模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則獲得該模型需要的精準(zhǔn)溫度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述砂型含水量在2wt.％～8wt.％之間，根據(jù)多模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則獲得該模型需要的精準(zhǔn)含水量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述隔熱薄膜材料為氣凝膠隔熱膜、膨脹石墨薄膜或聚乙烯蜂窩薄膜隔熱材料，阻止各砂塊之間的熱傳導(dǎo)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，其特征在于，所述冷凍砂型分型通過(guò)翻模造型、數(shù)控加工或3d打印成形制造方式獲取。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了冷凍砂型高通量傳熱參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和低應(yīng)力制造方法，本發(fā)明以多材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)冷凍砂型為研究對(duì)象，將整體冷凍砂型劃分成多塊不同的分型，通過(guò)對(duì)鑄件澆注凝固性能需求的分析，確定各分型的熱物性參數(shù)要求，利用不同型砂種類(lèi)、含水量和冷凍溫度的多參數(shù)自由配比，實(shí)現(xiàn)各分型不同的熱物性參數(shù)，提高了整體鑄件金屬液凝固過(guò)程的穩(wěn)定性，降低低溫澆注過(guò)程中縮松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生，通過(guò)復(fù)雜鑄件的均衡凝固技術(shù)，降低鑄造過(guò)程內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，具備很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：楊浩秦,房鑫亮,單忠德,閆丹丹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30