平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種鎂合金砂型鑄造鑄件和鑄型換熱研究領域的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，包括如下步驟：步驟1.取砂箱和鑄件模具，采用砂塊造型方法固定熱電偶，之后進行砂型的造型，進而將熱電偶固定于砂型中；步驟2.在型腔中砂型附近處固定一根熱電偶，將型腔和砂型中的熱電偶連接在溫度采集裝置的各個通道接口，對采集軟件進行采集頻率和采集類型進行參數設置，澆入金屬液進行砂型溫度場的測量，使得溫度測量結果準確。采用多通道溫度采集裝置不僅提高了采集效率，而且可以直觀觀察實時鑄件和砂型的溫度變化情況，及時控制溫度測量結束時刻，鎂合金平板鑄件的鑄型溫度場測試效率得到極大提高。
【專利說明】平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鎂合金砂型鑄造鑄件和鑄型換熱研究領域，尤其是在鎂合金砂型鑄造砂型溫度場測定領域，具體涉及一種平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法。
【背景技術】
[0002]隨著計算機模擬仿真技術的發展以及相關商業化軟件(Magma, Anycasitng, Procast等)的出現,精確的模擬砂型鑄造及凝固過程已成為可能。而模擬結果的準確性在很大程度上取決于邊界條件、初始條件的選取以及設置的準確性。作為邊界條件之一，界面換熱系數在鑄造凝固過程中能夠衡量鑄件-鑄型之間的傳熱熱阻，因此對于鑄件的凝固過程起到至關重要的作用。在實際鑄件凝固過程中，界面換熱系數隨溫度及工藝條件等的不同而發生變化使得其精確求解顯得比較困難，而在實際模擬過程中，大多數的模擬結果都將其設為一恒定值，這就造成了模擬結果與實際結果的較大偏差。對于確定鑄件-鑄型界面換熱系數隨時間或溫度的變化關系，國內外相關研究者已做了大量的工作，但是主要集中在壓鑄和金屬型鑄造中，而在砂鑄領域這方面的工作尚少見報道，這制約了砂鑄過程計算機模擬的準確性。
[0003]對于界面換熱系數的計算需要知道鑄件和砂型的溫度場，尤其是靠近兩者結合界面的溫度場分布。由于金屬導熱性較好，金屬液中的溫度梯度較小，準確測量鑄件中的溫度場相對比較容易。然而由于型砂熱導率相對較低，尤其靠近鑄件表面附近的砂型區域溫度梯度大，因此，熱電偶距離微小變化也會造成溫度場測量結果不準確。同時，在計算界面換熱系數的過程中，通過大量文獻資料和實驗計算案例證明，越是離鑄件近的砂型中的溫度測量結果，越會對計算結果的計算造成很大影響。因此，找到鎂合金砂型鑄造凝固溫度場準確的測定方法具有十分重要的意義。
[0004]然而由于鎂合金鑄件凝固過程砂型溫度場測定過程中，尤其是手工砂型鑄造造型過程中造型很容易移動熱電偶，不可避免的使熱電偶測量溫度結果不準確，用熱電偶測量的溫度計算界面換熱系數的準確性難以保證。目前，關于測量鎂合金鑄件凝固過程砂型溫度場方法中，測量結果準確，可用來準確測量砂型溫度場的測定方法尚未見到報道。
[0005]綜上，本發明針對平板鎂合金鑄件砂型鑄造砂型溫度場測量，提出了一種平板鑄件砂型鑄造溫度場測量方法。本發明與傳統直接用熱電偶測量溫度技術相比，測量準確程度大大提高；同時，測量結果能用于計算鑄件和鑄型界面的換熱系數，能夠滿足使用要求。
【發明內容】
[0006]本發明公開了一種平板鎂合金砂型鑄造砂型溫度場測量方法。可以保證在滿足鑄造工藝要求和計算界面換熱系數對傳熱方式要求的同時，精確測量和獲得砂型溫度場。
[0007]本發明是通過以下的技術方案實現的，本發明涉及一種平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1，取砂箱和鑄件模具，采用砂塊造型方法固定熱電偶，之后進行砂型的造型，進而將熱電偶固定于砂型中；
[0009]步驟2，在型腔中砂型附近處固定一根熱電偶，將型腔和砂型中的熱電偶連接在溫度采集裝置的各個通道接口，對采集軟件進行采集頻率和采集類型進行參數設置，澆入金屬液進行砂型溫度場的測量，使得溫度測量結果準確。
[0010]所述鑄件模具與鑄件形狀和大小一致。
[0011 ] 所述砂塊的形狀與鑄件的輪廓相符，砂塊的材料與鑄型的材料相同。
[0012]所述砂塊造型方法具體為:所述砂塊造型的模具是頂端開口的小長方體金屬模具，在其底面合適位置打孔以便插入熱電偶，孔的數量為2?8個，孔的直徑為I?2mm，孔的間距在2?8mm，將熱電偶放到模具底面特定的孔中將其固定住，模具中的熱電偶固定之后，加入娃砂，10?30min后砂塊中型砂固化，完成砂塊造型。
[0013]所述砂型的造型方法具體為:在砂塊上面設置合適數量的小凹槽，將砂塊放在鑄件一側的中間位置，向砂箱中加入硅砂，固化后，完成砂型的造型。
[0014]在澆入金屬液之前，開始啟動采集軟件通過各個熱電偶測量顯示的結果，檢查所有熱電偶是否正常工作，檢查完畢后開始澆入金屬液并開始測量溫度變化。
[0015]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0016](I)采用多通道溫度采集裝置不僅提高了采集效率，而且可以直觀觀察實時鑄件和砂型的溫度變化情況，及時控制溫度測量結束時刻，鎂合金平板鑄件的鑄型溫度場測試效率得到極大提聞;
[0017](2)采用砂塊造型固定熱電偶的技術，有以下優點:模具底邊打好孔，用于固定熱電偶，最大限度的保證溫度測量結果的準確性，防止熱電偶移動、測不準的發生；第一個孔離模具一側邊緣的距離和砂型中第一根熱電偶離鑄件距離相同，孔的位置間距和熱電偶的間距相同，這樣使得熱電偶離鑄件界面的位置就是孔離金屬模具邊緣的位置，使得熱電偶位置準確性大大提高；熱電偶插入后頭部露出部分距離，這樣砂塊固化可以直接用尺子測量熱電偶離砂塊邊緣也就是鑄件的距離，如果有偏差可以及時調整；提前制作的砂塊，其形狀與鑄件輪廓相同，材料與砂型材料相同，并設置凹槽保證砂塊和鑄型材料緊密結合，有利于實現溫度場的精確測量；
[0018](3)與其他溫度測量相比，準確性更高，工藝更簡單更容易操作和實施，成本更低。【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0020]圖1為實施例中鑄型系統剖面圖；
[0021 ] 圖2為實施例中砂塊的俯視圖；
[0022]圖3為實施例中采集的鑄件和砂型中溫度隨時間變化曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0024]本發明的方法在實施時，具體涉及的工藝參數及步驟如下:
[0025]( I)本發明所研究的鑄件是平板鎂合金鑄件，造型材料為硅砂，粘結劑為樹脂，粘結劑含量是原砂的1%~5% (質量分數)；
[0026](2)砂塊造型所用的模具是金屬模具，模具的形狀是上端開口的小立方體；模具底邊上預先打好孔，孔的數量是2~8個，孔的直徑是I~2mm，孔的間距在2~8mm。用金屬模具制作的砂塊的尺寸范圍是:砂塊的長度在40~80mm，寬度30~50mm，厚度在10~40_。將熱電偶固定在在金屬模具的底面的孔中，熱電偶的放置方向成一條直線并與鑄件平行，熱電偶間距是2~8mm，同時熱電偶頭部露出的長度是I~4mm ;將熱電偶固定在金屬模具底邊后，向模具中加入硅砂，10~30min固化后，砂塊造型完成；
[0027](3)砂塊造型完成后，用尺子測量砂塊中熱電偶露頭部分的間距，將離熱電偶較近的一側放在靠近鑄件一側，向砂 箱中加入硅砂，I~2h固化，完成砂型造型過程；
[0028](4)在型腔中離砂型I~2mm附近固定一根熱電偶，將砂塊中熱電偶和型腔中的熱電偶分別連接在多通道溫度采集裝置的相應通道接口，采集頻率設為I~5HZ，采集類型為連續采集，在實際澆注金屬液之前，啟動采集軟件通過各個熱電偶測量顯示的結果，檢查所有熱電偶是否正常工作，檢查完畢后開始澆入金屬液并開始測量溫度變化，從鎂合金金屬液最初澆注開始記錄溫度變化，結束采集時刻是實際測量的金屬液溫度為在鎂合金共晶溫度附近。
[0029]實施例
[0030]以鑄件模具尺寸為IOmmX 200mmX 200mm的平板鎂合金AZ91為例，測量砂型的溫度場變化。造型材料是硅砂，粘結劑是自硬呋喃樹脂，粘結劑含量是原砂的1%(質量分數)，砂塊造型用的模具是鋁合金模具，砂塊的尺寸是40mmX 30mmX 20mm，砂塊中熱電偶的數量是4根。
[0031 ] 步驟I，造型前材料準備；
[0032]準備與鑄件相同形狀和大小的模具和合適大小的砂箱，利用混砂機將造型材料制備好，造型前需要對每個熱電偶是否能正常使用進行測試，造型材料為硅砂，粘結劑為樹月旨，粘結劑含量是原砂的I~5%(質量分數)。圖1為鑄型系統剖面圖；圖1中，I為砂箱；2為型腔；3為砂塊；4為熱電偶。
[0033]步驟2，砂塊造型；
[0034]砂塊造型的模具是上端開口的長方體金屬模具，在金屬模具的底邊上預先打好孔，孔的數量是4個，孔的直徑是1mm，孔的間距是5mm，預先制作的砂塊尺寸是40mmX30mmX20mm。把4根熱電偶固定在金屬模具底面上的4個孔中，熱電偶的放置方向與鑄件平行，熱電偶間距是5mm，四根熱電偶離鑄件界面的距離分別為lmm，6mm，llmm，16mm，熱電偶插入后頭部露出的長度是2mm。將熱電偶固定在金屬模具底面的孔中，加入硅砂，20min后硅砂固化，砂塊造型完成。圖2為砂塊俯視圖；圖2中，4為熱電偶；3為砂塊；5為砂塊中靠近鑄件的一面。L是砂塊的長度，40mm≤L≤80mm, d為砂塊的寬度，30mm < d < 50mm, I是熱電偶的間距，值為2mm8mm。
[0035]步驟3，砂型造型；
[0036]砂箱大小是200mmX 200mmX 200mm,鑄件模具大小是IOmmX 200mmX 200mm。在砂塊上設置一些凹槽，將其放在靠近鑄件一側，并放在中間位置，然后向砂箱中加入娃砂，Ih型砂固化，完成砂型的造型過程；
[0037]步驟4，澆注和溫度場測量；
[0038]在型腔中離砂型Imm處固定一根熱電偶，澆注前利用溫度采集軟件和熱電偶測試確保熱電偶和采集軟件參數設置正常后，開始澆入鎂合金金屬液，同時開始記錄鑄件和砂型中的溫度變化，溫度測量裝置是將熱電偶連接在18通道的溫度采集裝置中，采集頻率是1HZ，熱電偶直徑是1mm。溫度采集裝置從AZ91金屬液最初澆注開始記錄溫度變化，結束是實際測量的金屬液溫度為420°C時刻，這個溫度在AZ91鎂合金共晶溫度附近。測量結果如圖3。圖3為實驗采集的鑄件和砂型中溫度隨時間變化曲線。圖3中，TCl是鑄件中離鑄件/砂型界面Imm位置處的熱電偶測量的溫度隨時間變化的曲線；TC2，TC3，TC4和TC5分別是砂型中離鑄件/砂型界面1mm，6mm，11mm, 16mm位置處的熱電偶測量溫度隨時間變化的曲線。本實施例中采用多通道溫度采集裝置提高了采集效率，可以直觀觀察實時鑄件和砂型的溫度變化情況，能夠及時控制溫度測量結束時刻，鎂合金平板鑄件的鑄型溫度場測試效率得到極大提高；本實施例中采用砂塊造型固定熱電偶的技術，模具底邊打好孔，用于固定熱電偶，最大限度的保證溫度測量結果的準確性，防止熱電偶移動、測不準的發生；第一個孔離模具一側邊緣的距離和砂型中第一根熱電偶離鑄件距離相同，孔的位置間距和熱電偶的間距相同，這樣使得熱電偶離鑄件界面的位置就是孔離金屬模具邊緣的位置，使得熱電偶位置準確性大大提高；熱電偶插入后頭部露出部分距離，這樣砂塊固化可以直接用尺子測量熱電偶離砂塊邊緣也就是鑄件的距離，如果有偏差可以及時調整；提前制作的砂塊，其形狀與鑄件輪廓相同，材料與砂型材料相同，并設置凹槽保證砂塊和鑄型材料緊密結合，有利于實現溫度場的精確測量；與其他溫度測量相比，準確性更高，工藝更簡單更容易操作和實施，成本更低。
[0039]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，取砂箱和鑄件模具，采用砂塊造型方法固定熱電偶，之后進行砂型的造型，進而將熱電偶固定于砂型中；所述鑄件為平板鎂合金鑄件； 步驟2，在型腔中砂型附近處固定一根熱電偶，將型腔和砂型中的熱電偶連接在溫度采集裝置的各個通道接口，對采集軟件進行采集頻率和采集類型進行參數設置，澆入金屬液進行砂型溫度場的測量，使得溫度測量結果準確。
2.如權利要求1所述的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，所述鑄件模具與鑄件形狀和大小一致。
3.如權利要求1所述的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，所述砂塊的形狀與鑄件的輪廓相符，砂塊的材料與鑄型的材料相同。
4.如權利要求1所述的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，所述砂塊造型方法具體為:所述砂塊造型的模具是頂端開口的小長方體金屬模具，在其底面合適位置打孔以便插入熱電偶，孔的數量為2?8個，孔的直徑為I?2mm，孔的間距在2?8mm，將熱電偶放到模具底面特定的孔中將其固定住，模具中的熱電偶固定之后，加入硅砂，10?30min后砂塊中型砂固化，完成砂塊造型。
5.如權利要求1所述的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，所述砂型的造型方法具體為:在砂塊上面設置合適數量的小凹槽，將砂塊放在鑄件一側的中間位直，向砂箱中加入娃砂，固化后，完成砂型的造型。
6.如權利要求1所述的平板鎂合金砂型鑄造中砂型溫度場的測量方法，其特征在于，在澆入金屬液之前，開始啟動采集軟件通過各個熱電偶測量顯示的結果，檢查所有熱電偶是否正常工作，檢查完畢后開始澆入金屬液并開始測量溫度變化。
【文檔編號】G01K7/02GK103542953SQ201310462506
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】陳麗平, 王迎新, 彭立明 申請人:上海交通大學