專利名稱：用于生砂鑄模的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生砂鑄模工藝。特別是，本發(fā)明涉及用于操作生產(chǎn)具有所需生砂裝料的鑄型(mold)的一種生砂鑄模機的方法和裝置。
一般來說，在生砂鑄模工藝中，例如，一個生砂鑄模機帶有一個砂箱，砂箱中不足量的裝料生砂在鑄型被實際生產(chǎn)后才測定。這樣，為了改變或是改進它的容積密度，用于鑄模的許多重復(fù)試驗不得不做。同時，如模型板的外形數(shù)據(jù)，鑄模的條件(例如，擠壓壓力)，和生砂的物理性能也不得不被改變。一個特殊模型板或它的變形通常被使用，在一定程度上帶有它們的試驗累計數(shù)據(jù)，這樣才能制成最佳的鑄型。
然而，試驗累計數(shù)據(jù)沒有進行新的應(yīng)用，例如是用于形狀與普通模板截然不同的新的模型板，或一種新的鑄模工藝，或是一種與普通的生砂具有不同物理性能的新生砂。因此，為了獲得一個新應(yīng)用的最佳條件，必須對鑄模進行多次試驗，而這要花費很多小時的時間。進一步，當(dāng)鑄型產(chǎn)生時，必須要考慮到膨潤土(bentonite)或鮞狀巖(oolite)的影響，而這種影響并不能從生砂顆粒的正常裝料中預(yù)測。
本發(fā)明的實施例將指導(dǎo)解答上述問題。
本發(fā)明的目的之一是提供一種借助計算機來操作給定的生砂鑄模機的方法，所生產(chǎn)的鑄型具有所需的生砂裝料量，并且不需要對實際生產(chǎn)的鑄型檢測其生砂裝料量。
發(fā)明的另一個目的是提供一種用于生砂鑄模工藝的裝置，在實際生產(chǎn)鑄型之前就可以確定在鑄模過程中所需要的生砂裝料量。
在本發(fā)明中，在生砂鑄模機中使用的生砂鑄模工藝的類型包括帶有一個固體材料(例如，一個擠壓板)的被稱作“振實擠壓(jolt squeczing)”的鑄模工藝，壓縮空氣或空氣沖擊，和這些工藝的組合。
在本發(fā)明中，生砂鑄模機中術(shù)語“模型板設(shè)計條件”包括的項目如孔塞的位置，孔塞的數(shù)量，和槽的形狀和高度。
在本發(fā)明中，術(shù)語“生砂鑄型”通常意指硅石砂等如集料和粘合劑組成和生砂鑄型，例如，使用膨潤土或鮞狀巖。
本發(fā)明中，包括在生砂鑄模機中的生砂術(shù)語“生砂物理特性”意指水含量，壓強，和滲透率。
本發(fā)明中，術(shù)語“擠壓壓力”通常意指生砂鑄模機把生砂壓入砂箱中的壓力。擠壓壓力通常起因于固體材料。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是擠壓壓力還包括一個由空氣例如壓縮空氣的沖擊波或爆炸氣浪所產(chǎn)生的壓力。既然是這樣，“壓縮空氣應(yīng)用”或“吹氣”型的鑄模工藝就被使用。
本發(fā)明中，分析生砂鑄模過程包括一個限定成分方法，一個限定體積方法，微分計算，和分散成分的方法。


圖1是分析本發(fā)明的鑄模工藝步驟的流程圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。
圖3是作為分析使用在本發(fā)明中的一個金屬砂箱的模型，模板，和孔塞。
圖4是砂粒模型，用于獲得顆粒之間的接觸力。
圖5表示在第一實施例中空氣流動應(yīng)用型鑄模工藝期間生砂層上端壓力預(yù)期變化的模擬分析圖。
圖6表示沿著第一實施例上軸線的生砂鑄型強度的預(yù)期分布模擬分析圖。
圖7表示在第一實施例中空氣流動應(yīng)用型鑄模過程期間作用在生砂模板正面部分上的預(yù)期壓力模擬分析圖。
圖8表示在第二實施例中沿著軸線用于吹氣型鑄模過程的生砂強度的預(yù)定分布模擬分析圖。
圖1表示發(fā)明的第一實施例用于借助于計算機獲得操作生砂鑄模機的最佳條件的方法步驟的流程圖。圖2表示一個系統(tǒng)，通常用10表示，發(fā)明的第一實施例實現(xiàn)在圖1的流程圖中。系統(tǒng)10包括一個生砂鑄模機1和一個通常用20表示的計算機系統(tǒng)。
計算機系統(tǒng)20包括一個輸入界面2，一個計算單元或主要單元3，和一個輸出界面4。輸入界面2與一個外部輸入設(shè)備(未示出)相連，操作者可以通過該輸入設(shè)備輸入用于模壓機1的包括生砂鑄模工藝類型，模型板的設(shè)計條件，生砂的物理特性和擠壓壓力的輸入數(shù)據(jù)。外部輸入裝置可以包括一個鍵盤和一個鼠標(biāo)器。
計算單元3包括(沒有圖示)一個微型計算機(MPU)，和一個由操作員用于儲存輸入數(shù)據(jù)的存儲器。計算單元3耦合到輸入界面2用于接收輸入數(shù)據(jù)和用于計算以接收的輸入數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)由生砂鑄模分析工藝鑄模的鑄型強度。
輸出界面4被耦合到計算單元3，用于接收計算單元的計算結(jié)果。輸出界面4可以被耦合到外部輸出裝置(沒有圖示)，例如一個顯示器，用于顯示輸入數(shù)據(jù)和從計算單元獲得的輸入數(shù)據(jù)的其它信息。輸出界面4也耦合到鑄模機1上。由輸出界面4接收的計算結(jié)果被提供到鑄模機上以控制它。
圖3表示提供一個由鑄模機1裝生砂的模型30的例子。模型有一個金屬砂箱11，一個或更多的模型板12固定到金屬砂箱11上，而一個或更多的孔塞13裝配到模型板12上。
在這個實施例中，鑄模機1(圖2)由裝加帶有生砂的模型30(圖3)鑄模一個生砂模板，并由吹動壓縮空氣貫穿砂來裝料生砂。
現(xiàn)在根據(jù)圖1的流程圖解釋實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下列步驟中的方程式被儲存在計算機系統(tǒng)20(圖2)的計算單元3的存儲器中。
在第一步驟S1中，操作員通過輸入裝置向計算機系統(tǒng)20的輸入界面2輸入要在鑄模機上設(shè)置的數(shù)據(jù)。操作員由輸入裝置輸入的輸入數(shù)據(jù)包括生砂鑄模工藝的類型(它被指定為在第一實施例中的壓縮空氣應(yīng)用型)，模板的設(shè)計條件，生砂的物理特性，和擠壓壓力。
輸入界面將操作員的輸入數(shù)據(jù)提供給計算機系統(tǒng)20的計算單元3(圖2)。計算單元3根據(jù)所需的分析(步驟S2)準(zhǔn)確度決定要素的數(shù)量。
在此例中，金屬砂箱11的外廓尺寸是250×110×110(mm)，而模板12的外廓尺寸是100×35×110(mm)。對于生砂的物理特性，顆粒單元的直徑是2.29×10-4m，密度是2,500kg/m3，摩擦系數(shù)是0.731，附著力是3.56×10-2m/s2，回彈系數(shù)是0.228，而形狀因數(shù)是0.861。
在第二步驟(S2)中，被分析硅砂的直徑被確定即保持用于產(chǎn)生一個鑄型的硅砂的整體體積。在此例中，如果被使用鑄型的硅砂完整體積是被分成1000個顆粒單元(particle element)，而如果每個單元有相同的直徑，相同的直徑可以假定是每一個顆粒單元的直徑，則被分成1000個單元的體積相當(dāng)于用來產(chǎn)生鑄型的相同硅砂體積。
同樣地，也要確定在分析中使用的鮞狀巖和膨潤土層的厚度。在這個實施例中，使用分立單元的方法。這個方法給出了一個比其它方法更高的精確度以用于預(yù)測。
然后，網(wǎng)眼被產(chǎn)生用于孔隙率和流動空氣的分析。術(shù)語“網(wǎng)眼(mesh)”指的是一個需要用作計算的柵板。在柵板部位的孔隙率和速率的值被計算。這些網(wǎng)眼也被用于分析流動空氣。
第三步驟S3是分析孔隙率。在這個步驟S3中，在每個網(wǎng)眼中生砂的體積和每個網(wǎng)眼的孔隙率都被計算。
第四步驟S4是分析流動空氣。在這個步驟S4中，由壓縮空氣吹進金屬鑄箱的流動空氣速率是從考慮到它的壓力損失的方程式的數(shù)量分析中獲得的。
第五步驟S5是分析接觸力。這個分析計算兩個顆粒i，j(沒有圖示)的距離和確定它們是否相互接觸。如果它們接觸，兩個向量被限定。一個是法線向量(沒有圖示)，從顆粒i的中心開始朝著顆粒j的中心方向，另一個向量是一個切線向量，從法線向量被逆時針轉(zhuǎn)動90度。
正如圖4所示，通過提供在和切線方向帶有虛擬彈簧和減振器的兩個接觸顆粒(性質(zhì)不同的元素)i，j，獲得顆粒i和j之間的接觸力。獲得的接觸力為接觸力法線和切線方向的分力的合力。
在第五步驟中，首先，法線接觸力被獲得。顆粒i和j在極短時間內(nèi)的相對位移通過使用彈簧力的增量和與相對位移成正比的彈性系數(shù)(彈簧系數(shù))由方程式(1)給出。
Δen＝knΔxn(1)其中，ΔXn顆粒i，j瞬間的相對位移Δen彈簧力的增量Kn彈性彈力系數(shù)(彈簧系數(shù))，它與相對位移成正比此外，緩沖力由使用一個與相對位移的變化率成正比的粘性緩沖器(粘性系數(shù))的方程式(2)給出。
Δdn＝ηΔxn/Δt(2)其中，Δdn粘性阻力
η與相對位移的變化率成正比的粘性緩沖器(粘性系數(shù))。
在給定時間顆粒j作用在顆粒i上的法線彈簧力和緩沖力分別由方程式(3)和(4)獲得。t＝[en]t-Δt+Δen(3)[dn]t＝Δdn(4)切線接觸力由方程式(5)給出。t＝[en]t+[dn]t(5)其中，[fn]t一個法線接觸力因此，在給定時間(t)作用在顆粒i上的接觸力是由和其它顆粒接觸的所有的力來計算。
在步驟S5中，第二，接觸力的切線分力中鮞狀巖和膨潤土的影響是應(yīng)考慮的。換句話說，由于生砂是由如硅砂等等集合組成，鮞狀巖和膨潤土的裝料層，彈簧力的系數(shù)和粘性系數(shù)的各自的值根據(jù)相對于接觸深度(相對位移)的層的厚度進行選擇，如下列公式當(dāng)δ＜δb(6)kn＝knb(7)ηn＝ηnb(8)其中δ一個接觸深度(相對位移)δb鮞狀巖和膨潤土層的厚度
Knb一個在鮞狀巖和膨潤土層中作用的恒定彈力ηnb一個在鮞狀巖和膨潤土層中作用的粘性系數(shù)當(dāng)δb＜δ (9)kn＝Knb(10)ηn＝ηns(11)時，其中，Knb一個在鮞狀巖和膨潤土層和一個硅砂顆粒中作用的恒定彈力ηns一個在鮞狀巖和膨潤土層和硅砂顆粒中作用的粘性系數(shù)由于在發(fā)明中使用的生砂顆粒之間具有結(jié)合力，因此在顆粒i，j之間的結(jié)合力和強度必須被考慮。當(dāng)法線接觸力等于或小于結(jié)合強度時，法線接觸力被認(rèn)為是零。
在步驟S5中，最后，獲得切線接觸力。假定與法線接觸力相似，切線接觸力的彈簧力與相對位移成正比，而緩沖力與相對位移的變化率成正比。在此例中切線接觸力是由方程式(12)給出。t＝[et]t+[dt]t(12)由于接觸的砂顆粒i，j相互滑動或砂顆粒i在壁上滑動，滑動被考慮使用庫侖定律，如下當(dāng)|[et]t|＞μo[en]t+f∞h(13)[et]t＝(μo[en]t+f∞h)·sign([et]t) (14)[dt]t＝0 (15)當(dāng)|[et]t|＜μo[en]t+f∞h(16)[et]t＝[et]t-Δt+Δet(17)[dt]t＝Δdt(18)
其中，μo摩擦系數(shù)f∞h結(jié)合強度sign(z)代表變量z的正負號。
第六步驟是分析作用在顆粒上的流動力并計算力，這些力由方程式(19)計算。
fd＝(1/2)(ρsCDAsui2) (19)其中，ρs流體密度CD反應(yīng)系數(shù)As投影面積ui相對速率。
當(dāng)力被計算用于空氣流動型的鑄模工藝時，使用從第四步驟中流動空氣的分析獲得的數(shù)據(jù)，流動空氣和顆粒的相對速率被計算。當(dāng)鑄模工藝不使用流動空氣型時，只有流動砂粒i的速率被計算。
第七步驟S7是分析運動方程式。在這個步驟中，由碰撞或顆粒i，j接觸引起的加速度是由使用作用在顆粒上的力，例如，接觸力，反應(yīng)系數(shù)，和重力的方程式(20)獲得。步驟S3到S7是分析生砂鑄模工藝來確定在鑄模工藝中生砂裝料度的步驟。r··=(1/m)(fc+fd)+g----(20)]]>
其中，r位置矢量m顆粒質(zhì)量fc接觸力fd流動力g重力加速度是r相對于時間的第二階微分。
同樣地，當(dāng)顆粒傾斜地碰撞(以一個角度)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角加速度是由方程式(21)給出。ω·=Tc/I---(21)]]>其中，ω角速度Tc接觸引起的力矩I轉(zhuǎn)動慣量ω相對于時間的微分。
根據(jù)從上述方程式和公式(22)和(24)獲得的加速度，獲得在瞬間后的速率和位置。v=vo+r··Δt---(22)]]>r=ro+voΔt+(1/2)r··Δt2---(23)]]>ω=ωo+ω·Δt---(24)]]>其中，v速度矢量o現(xiàn)在值Δt瞬時在第八步驟中，計算被重復(fù)直到顆粒停止運動。
因此，在第九步驟中，在鑄模工藝中用于裝料生砂的信息被獲得。
在第十步驟，在計算單元3中，CPU從數(shù)據(jù)中讀出生砂裝料與生砂鑄型的強度或硬度之間，生砂裝料與生砂鑄型孔隙率之間，和生砂裝料與生砂鑄型的內(nèi)部壓力之間預(yù)定的試驗關(guān)系。當(dāng)在步驟S9中顆粒停止運動時，計算單元3的MPU比較這些相互關(guān)系和生砂的裝料，然后計算用于生砂鑄型鑄模的強度，孔隙率，和內(nèi)部壓力。
在第十一步驟S11中，當(dāng)擠壓壓力等條件變化時，這些計算被重復(fù)進行直到所需強度，或孔隙率，或內(nèi)部壓力，或它們的所有被獲得。
如果所需強度，孔隙率，和內(nèi)部壓力被獲得，計算單元3在這時為生砂鑄模機1提供條件以便使生砂鑄模機1的受控量在鑄模工藝中與它們一致。然后，生砂鑄模機1生產(chǎn)一個鑄型。生產(chǎn)的鑄型在其所有實質(zhì)的地方具有所需的生砂裝料。在第一實施例中，在壓縮空氣通過生砂流動后擠壓的表面壓力被施加1Ma。
圖5，6，7表示應(yīng)用兩個不同條件的上述步驟的部分模擬分析，圖5指示的情形I和情形II表示在空氣流動型鑄模工藝期間生砂層的上端壓力的變化。圖6表示生砂模板沿著它中心線的強度分布。圖7表示在空氣流動型鑄模工藝期間作用在生砂模板和一個面之間的壓力。
正如在圖5，6，和7看到的，情形II的條件給出更好的結(jié)果而且是比情形I的條件更適當(dāng)。
現(xiàn)在參考圖8解釋第二實施例。第二實施例由圖1的流程圖和圖2的系統(tǒng)10實現(xiàn)，但是使用一個流動型鑄型工藝代替先描述的第一實施例中的增壓空氣應(yīng)用型鑄型工藝。對于用于在第二實施例中用于噴吹的壓縮空氣的壓力，在情形IV中為0.3Mpa，和在情形V中為0.5Mpa，它們被輸入計算機系統(tǒng)20。與第一實施例相似，在空氣完全被全部吹過生砂后施加了表面擠壓壓力1Ma。
圖8表示生砂鑄型沿著它的中心線的強度的預(yù)計分布的模擬分析，它相當(dāng)于第二實施例的部分步驟的模擬分析。正如從圖8可以看到的，情形IV的風(fēng)壓0.5Mpa給出一個更好的結(jié)果，而這比情形V的風(fēng)壓0.3Mpa更加適當(dāng)。
根據(jù)第二實施例，從生砂鑄模機生產(chǎn)的鑄型在其全部實質(zhì)部分具有的生砂裝料。
根據(jù)詳細的具體實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，以容易理解發(fā)明操作和結(jié)構(gòu)的原理。這種參照具體實施例并不意味著限制附加到這里的權(quán)利要求范圍。在沒有脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員改進實施例是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種借助于計算機操作生砂鑄模機的方法，所述的生砂鑄模機包括一個模型板，用于通過在給定生砂鑄模工藝中對所述的生砂施加擠壓壓力來壓緊供給到生砂鑄型的生砂，所述的方法包括步驟向所述的計算機(20)提供用于所述的生砂鑄模機(1)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括至少一個要由生砂鑄模機進行的所述給定的生砂鑄模工藝類型，一個模型板的設(shè)計條件，所述生砂的物理特性，和所述擠壓壓力；(b)所述計算機(20)在所述的生砂鑄型被實際制作之前根據(jù)所述的數(shù)據(jù)分析所述的生砂鑄型以計算所述的生砂鑄型中的所述生砂的裝料；和(c)基于計算出的生砂模板生砂的裝料結(jié)果操作所述的生砂鑄模機(1)，以便在所述生砂鑄模機(1)完成實際鑄模工藝期間使用于生砂鑄模機的控制量跟隨所述計算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的步驟(a)和(b)在步驟(c)之前重復(fù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述的步驟(a)和(b)被重復(fù)直到所述的生砂顆粒停止運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法在所述步驟(b)之后，進一步包括計算待鑄模的生砂鑄型被鑄模的強度，孔隙率，內(nèi)部壓力至少之一的計算步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在所述的擠壓壓力變化時，所述計算步驟被重復(fù)直到所述的強度，所述的孔隙率，和所述的內(nèi)部壓力至少之一達到所需的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的生砂鑄模工藝給出的類型至少由振實擠壓，壓縮空氣，吹氣，和空氣沖擊之一的鑄模工藝完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述模型板包括一個孔塞和一個槽，而其中所述的模型板的設(shè)計條件包括至少是所述孔塞(13)的一個位置，所述孔塞的數(shù)量，所述槽的形狀，和所述槽的高度之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的生砂鑄型是由硅砂聚集組成的生砂鑄型。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述生砂進一步由粘合劑組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述粘合劑是膨潤土。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述粘合劑是鮞狀磷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述生砂的物理特性包括水含量，抗壓強度，和滲透率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述生砂鑄型的分析過程包括一個限定成分方法，一個限定體積方法，一個微分計算，和一個分離成分方法之一。
14.一個用于生砂鑄模工藝的裝置，包括一個帶有一個模型板的生砂鑄模機(1)，用于在給定的生砂鑄模工藝下向所述生砂施加擠壓壓力來壓制供給生砂鑄型的生砂；接收用于生砂鑄模機(1)的輸入數(shù)據(jù)的裝置(2)，該數(shù)據(jù)包括至少所述給出的生砂鑄模工藝類型，所述模型板的設(shè)計條件，所述生砂的物理特性，和所述的擠壓壓力；裝置(3)，用于在生砂鑄型被實際生產(chǎn)之前，基于所述的輸入數(shù)據(jù)計算生砂鑄型中的生砂裝料；和裝置(4)，用于為所述的生砂鑄模機(1)填裝裝料提供計算結(jié)果以便在實際鑄模期間使所述的生砂鑄模機(1)的控制量跟隨所述的計算結(jié)果。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其特征在于所述的給出生砂鑄模工藝的類型是一個至少由一個振實擠壓，壓縮空氣，吹風(fēng)，和空氣沖擊至少之一來完成的鑄模工藝。
16根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其特征在于所述模型板包括一個孔塞(13)，和一個槽，而其中所述的模型板的設(shè)計條件包括至少所述孔塞(13)的位置，所述孔塞的數(shù)量，所述槽的形狀，和所述槽的高度之一。
全文摘要
本發(fā)明提供借助計算機操作生砂鑄模機的方法和裝置。系統(tǒng)包括一個生砂鑄模機和包括一個輸入界面,一個計算單元,和一個輸出界面的計算機系統(tǒng)。輸入界面接收一個用于生砂鑄模機的包括給定的生砂鑄模工藝,模型板的設(shè)計條件,生砂的物理特性,和擠壓壓力的用戶輸入數(shù)據(jù)。在鑄型被實際生產(chǎn)之前計算單元基于使用者從輸入界面輸入的輸入數(shù)據(jù)通過分析生砂鑄模工藝計算生砂中生砂的裝料量。輸出界面向生砂鑄模機提供計算單元的計算結(jié)果以便在實際鑄模期間使用于鑄模機的控制量跟隨在實際鑄模期間由生砂鑄模機執(zhí)行的計算結(jié)果。
文檔編號B22C15/00GK1242272SQ9911926
公開日2000年1月26日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月1日
發(fā)明者牧野泰育 申請人:新東工業(yè)株式會社