铸造工艺中冒口设计的优化

铸造工艺中冒口设计的优化

铸造工艺设计在金属真浮游液中加入金属粉末后，在硬化和冷却过程中产生了液体收缩和硬化。如果这些收缩得不到液态金属的补充,将导致铸件在最后凝固的部分产生缩孔和缩松,从而降低铸件的力学性能,甚至造成废品。因此,在进行铸造工艺设计时,常采用冒口来消除缩孔,以获得健全优质的铸件。冒口的作用是补缩铸件,此外,还有出气和集渣的作用。由于冒口要消耗大量的金属,同时增加了造型的工作量,因此会提高铸件的成本。传统的冒口设计多凭经验,本文采用优化设计的方法,以达到既消除缩孔、保证铸件质量,又节约金属材料,降低铸件成本的最好结果。1冒口的形状和位置冒口设计的主要内容包括确定冒口的种类和形状、安放位置、数量和尺寸。按冒口在铸件上的位置可分为顶冒口和侧冒口;按冒口顶部是否被型砂所覆盖又可分为暗冒口和明冒口,侧冒口多做成暗冒口。(图1)冒口的形状直接影响到它的补缩效果。如果冒口在相同体积下其表面积越小,则散热就慢,补缩效果就越好。一般说来,球形冒口补缩效果最好,常用的圆柱形冒口次之,而方形、长方形较差。冒口在铸件上的位置正确与否,对获得健全铸件有着重要的意义。因此,冒口应尽量放在铸件最后凝固的热节点的上边或旁边;冒口还应尽量放在铸件最高最厚的地方,另外,冒口的安放应尽量不阻碍铸件的收缩,而且冒口最好不放在加工面上。在确定了冒口的种类、形状、位置后,就可以对冒口的尺寸进行设计。2优化设计数学模型2.1冒口颈高度hn冒口的结构参数可以归纳为冒口直径Dr,冒口高度Hr,冒口颈直径dn和冒口颈高(长)度Hn。对于顶冒口,如果冒口和冒口颈采用45°过渡,冒口颈高度则为。对于侧冒口,冒口颈长度可取0.1dn,但不应小于10mm。具体造型时冒口部分可取适当的拔模斜度。根据以上结构参数,设计变量为:2.2环保节能性在保证铸件质量的前提下,应尽量减小冒口体积,这样不仅可以节约金属材料,而且可以减少做木模和造型的工时,从而获得较好的经济效益。对于圆柱形明冒口,其体积Vr可以这样计算(其它冒口也可用类似方法计算):故目标函数为:2.3合同规定要使冒口达到补缩的目的,应建立如下约束条件:2.3.1凝固时间的影响对凝固时间的影响,主要取决于铸件的体积V和表面积S的大小,它们的关系通常用模数M来表示,即:模数越大,说明铸件体积大,则金属液多,所包含的热量也越多,而散热面积却小,因此,凝固时间就越长,相反,模数越小,凝固时间就越短。为了保证冒口比铸件晚凝固,一般要求即g1(x)=1.2Mc–Mr≤0式中:Mr—冒口的模数cmMc—铸件的模数cm2.3.2证铸件是否会产生缩孔冒口补缩的时候本身也要收缩,因此,其体积必须大于铸件和冒口自身收缩的体积,才能保证铸件不会产生缩孔。考虑到冒口本身也在凝固以及外界各种因素的影响,冒口不可能全部用于补缩,即要乘上补缩效率,因此即g2(x)=εVc–(η-ε)Vr≤0Vc—铸件被补缩部分的体积cm3ε—金属在液态和凝固期总的体积收缩率%η—冒口的补缩效率%2.3.3冒口和铸件补缩通道据此,冒口颈直径应该比铸件的热节点直径更大,以便冒口颈比热节点晚凝固,从而使冒口和铸件被补缩部位之间存在补缩通道,因此即:g3(x)=d–dn≤0式中:d—热节点直径cm与此同时,冒口颈还需保持一定高度,一般应大于15mm,因此即:g4(x)=3–Dr+dn≤02.3.4冒口的高度要获得健全的铸件,必须保证缩孔完全在冒口内。因此,冒口的高度就不能太低,通常可取即:g5(x)=1.4Dr–Hr≤0综上所述,本优化设计的数学模型可以简记为:3顶冒口补缩位置皮带轮毛坯如图2所示,材料为HT250,采用圆柱形顶冒口补缩。ε=4.5%,η=14%。按已知条件计算可得Mc=2.14cm,d=6.2cm。3.1随机方向乘子法冒口优化设计数学模型有3个设计变量,5个约束条件,属于小型优化设计问题。由于随机方向法对目标函数的性态无特殊要求,而且其可行搜索方向是从许多随机方向中选择的使目标函数下降最快的方向,加之步长还可以灵活变动,所以收敛速度比较快。因此,本优化设计选择了随机方向法。3.2冒口尺寸计算将皮带轮的有关数据用Fortran语言编写成源程序,输入计算机进行计算,便可以得到该皮带轮冒口的各项结构参数。(表1)将以上数据圆整后得Dr=138mm,dn=108mm,Hr=215mm。按此尺寸得到的冒口,其Mr/Mc≥1.2,可见冒口中的金属保持液态的时间比铸件长,即比铸件晚凝固,因此,能够保证补缩的顺利进行;由于冒口的体积满足Vrη≥ε(Vr+Vc),因此,有足够的金属液来补充铸件的体积收缩;同时,冒口颈的尺寸大于热节点的尺寸,能够保证在补缩期内补缩通道的畅通。如果按常规的模数法计算该铸件的冒口尺寸,可得Dr=146mm,dn=110mm,Hr=220mm,其体积Vr’=3605536mm3,而按优化设计得到的该冒口体积Vr=3413474mm3(见表1F(x)),比常规设计体积缩小5.3%,从而最大限度地节约了金属。由此可见,本优化设计的结果达到了设计要求。4冒口补缩效果分析本文根据铸件补缩的理论,结合生产实践经验,采用优化设计的方法来确定冒口的尺寸。该优化设计结果,在保证铸件质量的前提下,节约了金属材料,具有较