[发明专利]一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法，属于铸铁铸造工艺优化及计算的技术领域。

背景技术

铸铁砂型铸造是金属熔液在重力作用下充填砂型型腔，以形成铸件的一种方法，由于金属熔液在重力作用下充满型腔，称之为重力铸造，其常见工艺过程是金属熔液通过砂型铸口，在重力作用下通过直浇道、横浇道、内浇道进入型腔，直至充满型腔，冷却后得到凝固的铸件。

铸铁在熔炼过程中会产生渣团,在浇铸、充型过程中会产生氧化反应，形成二次氧化渣团，渣团进入型腔会造成铸件缺陷，如何掌握和预测铸铁件在浇铸过程中渣团在金属熔液内的流动轨迹，为优化浇铸达到挡渣、撇渣作用，预防消除铸件缺陷提供理论依据，这是一个重要的研究课题。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对铸铁件砂型铸造特点，对铸铁在砂型模具内充型过程中渣团的运动轨迹进行预测，通过建立模型和程序计算，预测渣团运动轨迹，为优化浇铸达到挡渣、撇渣作用，预防和消除铸件缺陷提供理论依据。

技术方案

铸铁砂型铸造过程中，在重力作用下，渣团运动轨迹的预测方法如下：

(1)预制铸铁曲轴样件

①制备曲轴铸件用砂型，造型材料采用呋喃树脂砂，浇口处设置氧化锆滤网；

②熔炼制备铸铁熔液

称取铸铁6kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至1350℃±5℃，采用六氯乙烷除气，随后除渣，静置5min后，待用；

③重力铸造

将铸铁熔液静止后通过砂型铸模浇口注入砂型型腔进行充型，充型后静置30min；

④冷却

浇铸后，将砂型铸模及其内的铸件埋于细砂中冷却至25℃；

⑤开模取出曲轴铸件

⑥清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面，用机械切除余头，然后用砂纸打磨铸件表面，曲轴铸件成型；

(2)建立渣团运动轨迹预测模型

基于光滑粒子流体动力学计算方法，建立粒子间相互作用的数学模型，找出铸造充型过程中固液两相流动规律，模拟金属熔液渣团流动过程；

采用计算机程序对金属液、渣团和边界进行粒子化，在计算机内存中预留容量，进行初始粒子的属性配置，对三种不同属性粒子分别进行质量、密度、初始速度、粘度的设置；配置粒子属性后，进行光滑长度L，计算时间步长Δt的设置；

①建立相互作用粒子的搜索方法

确定支持域内相互作用的粒子，并进行配对，具体过程如下：

1)在计算区域上铺一层网格，网格边长尺寸为光滑长度L的3倍，粒子分布在各个网格的胞元内，并对每个胞元进行编号；

2)分别对每个粒子的支持域内与其相互作用的粒子进行搜索配对，在搜索过程中，只在比粒子所在胞元编号大的胞元范围内搜索配对，避免重复搜索，对于支持域内配对成功的粒子，从编号1开始依次编号；

3)在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子的配对；

②在预测的基础上，经过前二分之一时间步长后，对金属液粒子和渣团粒子的速度、位置进行修正；

具体步骤如下：

1)金属液粒子和渣团粒子密度变化的计算：

根据连续计算方程，对任意金属液粒子i进行密度计算，通过对i粒子支持域内与其相互作用粒子的质量和速度差值的一个累加运算，获得金属液粒子i的密度变化，表达式如下：

式中：ρ_i表示粒子i的密度,t表示时间，表示对粒子i求解密度对时间的导数,ρ_j表示在粒子i支持域内与其相互作用的粒子j的密度，表示对i粒子支持域内与其相互作用的粒子加权求和，N表示支持域内与i粒子相互作用的粒子的总数，m_j表示粒子j的质量，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示光滑函数的导数；

对于渣团粒子，在计算过程中保持密度不变；

2)金属液粒子和渣团粒子所受作用力的计算：

对于金属液粒子和渣团粒子，任意i粒子所受的作用力为压力、粘性力、外力，表达式如下：

F_i＝F_p+F_n+F_w