專(zhuān)利名稱(chēng)：在造型過(guò)程中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在濕砂造型過(guò)程中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒ā?br> 通常，在已制成砂型后才能測(cè)定濕砂的充填是否適當(dāng)。因此，為了改變或者增加砂型的體積密度，人們不得不進(jìn)行多次重復(fù)的造型實(shí)驗(yàn)，然后改進(jìn)關(guān)于諸如造型工藝、造型條件以及濕砂性能的數(shù)據(jù)。因而，在某種程度上說(shuō)，需要利用這些實(shí)驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)才可能制出最佳的砂型。但是，這些實(shí)驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)對(duì)于一種新的應(yīng)用，例如需要鑄造一種新的鑄件(產(chǎn)品)或者使用一種新的造型工藝，或者使用具有新的性能的濕砂是無(wú)用的。所以，對(duì)于這樣一種新應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了得到最佳條件，人們必須進(jìn)行多次造型實(shí)驗(yàn)。這樣就會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間。另外，在造型時(shí)，人們必須考慮膨潤(rùn)土或鮞狀物(oolitiss)的影響，而這些因素的影響是不能從一般的粉料充填中預(yù)測(cè)出來(lái)。
本發(fā)明方法已經(jīng)解決了這些問(wèn)題。本發(fā)明的目的在于提供一種用于在諸如以提供壓縮空氣的方式進(jìn)行造型、以噴砂的方式進(jìn)行造型以及利用壓實(shí)型砂的方法進(jìn)行造型的造型方法中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒ā?br> 本發(fā)明所涉及的在濕砂造型中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒òㄏ铝胁襟E分析與濕砂充填程度相關(guān)的濕砂孔隙度；分析作用在濕砂的砂粒之間的接觸力；分析所述砂粒周?chē)目諝饬黧w力；根據(jù)作用在所述砂粒上的作用力計(jì)算所述砂粒的加速度，其中所述作用力包括接觸力、流體力和砂粒的重力；根據(jù)所計(jì)算的加速度在砂粒運(yùn)動(dòng)很短的時(shí)間后分析多個(gè)運(yùn)動(dòng)方程式以獲得砂粒的速率和位置；重復(fù)上述的分析濕砂的孔隙度、接觸力和流體力的步驟以及計(jì)算砂粒的加速度并且分析運(yùn)動(dòng)方程式的步驟，直至所述砂粒停止運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)在濕砂造型中使用空氣流時(shí)，該方法還可包括這樣一個(gè)步驟，即利用在上述分析濕砂孔隙度步驟中所得到的關(guān)于孔隙度的數(shù)據(jù)來(lái)分析所述空氣流以得到所述空氣流的速率。
在本發(fā)明中，“濕砂造型”一詞通常指的是利用濕砂進(jìn)行造型，其中將膨潤(rùn)土作為一種粘接劑。濕砂造型方法包括利用機(jī)械方式進(jìn)行緊實(shí)的造型方法，例如振動(dòng)造型或壓實(shí)造型；還包括利用提供空氣流進(jìn)行造型的方法，諸如利用通入空氣流、空氣沖擊或者吹砂的造型方法，或者將上述各種造型方法結(jié)合在一起。濕砂包括作為填充料的石英砂(或者其它砂)以及在填充料周?chē)纬傻孽b狀物和膨潤(rùn)土的附加層。
在本發(fā)明中，“造型工藝”一詞指的是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖制作鑄件(產(chǎn)品)的工藝圖。特別地，本發(fā)明涉及這樣一種造型工藝，其中在制成砂型時(shí)可進(jìn)行最佳的充填?！霸煨偷臈l件”一詞指的是造型過(guò)程中的條件，也就是說(shuō)，例如在采用壓縮空氣造型的方法中的空氣壓力或者壓實(shí)壓力?！皾裆靶阅堋币辉~通常包括濕砂中的含水量、濕砂的透氣性以及緊實(shí)度。


圖1是一個(gè)表示分析造型過(guò)程步驟的流程圖。
圖2表示一個(gè)能夠得到砂粒接觸力的砂粒模型。
圖3表示可用于本發(fā)明以進(jìn)行分析的一個(gè)金屬砂箱和鑄模的模型。
圖4表示用于分析的在金屬砂箱中自由下落并充填該砂箱的濕砂顆粒的一個(gè)示例。
圖5示出了當(dāng)從上方將空氣流提供給濕砂顆粒后所述砂粒的狀態(tài)。
現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是一個(gè)表示本發(fā)明方法步驟的流程圖，該方法通過(guò)分析造型過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)濕砂的充填程度?，F(xiàn)將根據(jù)該流程圖描述本實(shí)施例。
在第一步中，輸入關(guān)于造型方法、造型工藝、造型條件以及濕砂性能的數(shù)據(jù)。為了便于分析，將用于生產(chǎn)砂型的石英砂的體積分成一定數(shù)量的顆粒單元，每個(gè)顆粒單元的直徑相同。根據(jù)所需要的分析的精確度來(lái)確定所述顆粒單元的數(shù)量。然后計(jì)算所述單元的直徑。以同樣的方式確定用于分析過(guò)程中的鮞狀物和膨潤(rùn)土層的厚度。在本實(shí)施例中采用特殊單元方法(the distinct element method)。這種方法比其它方法具有更高的預(yù)測(cè)精度。
然后，建立用于分析孔隙度和空氣流的網(wǎng)格(meshes)?！熬W(wǎng)格”一詞表示一個(gè)計(jì)算所需要的網(wǎng)格(grid)。計(jì)算格點(diǎn)處的速率值和孔隙度值。這些網(wǎng)格也可用于分析空氣流。
在第二步中，計(jì)算每個(gè)所述網(wǎng)格中的濕砂體積和每個(gè)網(wǎng)格的孔隙度。所述第一步和第二步共同構(gòu)成了一個(gè)分析孔隙度的步驟。
在第三步中，如果使用的造型方法是提供壓縮空氣進(jìn)行造型或吹砂的方法，并且所使用的氣體是空氣，那么將根據(jù)對(duì)一個(gè)考慮空氣壓力損失的方程式進(jìn)行數(shù)學(xué)分析來(lái)得到所述空氣流的速率。
第四步是一個(gè)分析接觸力的步驟。這個(gè)分析步驟計(jì)算兩個(gè)給定的顆粒i，j之間的距離，并且判斷這兩個(gè)顆粒是否彼此相互接觸。如果它們相互接觸，則確定兩個(gè)向量。一個(gè)向量是正交向量，其方向從顆粒(i)的中心指向顆粒(j)的中心；另一個(gè)向量是正切向量，該向量與所述正交向量接逆時(shí)針?lè)较虺?0°角。
如圖2中所示，通過(guò)在正交和正切方向上給兩個(gè)接觸顆粒(特殊單元)設(shè)置虛擬彈簧和阻尼延遲器，可以得到顆粒(j)作用在顆粒(i)上的一個(gè)接觸力。該接觸力可通過(guò)將正交方向和正切方向的接觸力合成來(lái)得到。
在第四步中，先得到正交方向的接觸力。顆粒i，j在一個(gè)微小的時(shí)間段內(nèi)的相對(duì)位移可通過(guò)方程式(1)來(lái)得出，在方程式(1)中使用一個(gè)與所述相對(duì)位移成正比的彈簧力增量和一個(gè)彈性彈簧系數(shù)(彈性系數(shù))。
Δen＝KnΔXn(1)其中，ΔXn顆粒i，j在一個(gè)微小的時(shí)間段內(nèi)的相對(duì)位移Δen彈性力的增量
Kn與所述相對(duì)位移成正比的彈性系數(shù)(彈簧常數(shù))。
此外，利用方程式(2)得出阻尼延遲器作用力，方程式(2)使用一個(gè)與所述相對(duì)位移速率成正比的粘性阻尼延遲器(粘度系數(shù))。
Δdn＝ηnΔXn/Δt (2)其中，Δdn＝阻尼延遲器作用力ηn一個(gè)與所述相對(duì)位移的速率成正比的粘性阻尼延遲器(粘度系數(shù))。
分別利用方程式(3)和(4)得出在一個(gè)給定的時(shí)間處作用在顆粒(i)上的顆粒(j)的正交彈簧力和阻尼延遲器作用力。t＝[en]t-Δτ+Δen(3)[dn]t＝Δdn(4)正切的接觸力可利用方程式(5)得出。t＝[en]t+[dn]t(5)其中，[fn]t一個(gè)正交接觸力因此，通過(guò)考慮所有來(lái)自其它顆粒的接觸力可以得出在一個(gè)給定的時(shí)間(t)處作用在顆粒(i)上的接觸力。
在第四步中，然后考慮鮞狀物和膨潤(rùn)土的影響。換言之，因?yàn)闈裆笆怯芍T如石英砂等的充填物以及鮞狀物和膨潤(rùn)土的附加層構(gòu)成的，所以應(yīng)該按照下列公式根據(jù)與接觸深度(相對(duì)位移)有關(guān)的鮞狀物和膨潤(rùn)土層的厚度，有選擇地使用相應(yīng)的彈性系數(shù)值和粘度系數(shù)值當(dāng)δ＜δh時(shí) (6)kn＝knh(7)ηn＝ηnh(8)其中δ接觸深度(相對(duì)位移)δh鮞狀物和膨潤(rùn)土層的厚度當(dāng)δh＜δ 時(shí)(9)kn＝kns(10)ηn＝ηns(11)
其中，Knh作用在鮞狀物層和膨潤(rùn)土層之間的一個(gè)彈性常數(shù)ηn作用在鮞狀物層和膨潤(rùn)土層之間的一個(gè)粘度系數(shù)Kns作用在鮞狀物層和膨潤(rùn)土層以及石英砂砂粒之間的一個(gè)彈性常數(shù)ηns作用在鮞狀物層和膨潤(rùn)土層以及石英砂砂粒之間的一個(gè)粘度系數(shù)因?yàn)橐粋€(gè)結(jié)合力作用在本發(fā)明所用的濕砂砂粒之間，所以必須考慮這個(gè)結(jié)合力或結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)正交接觸力等于或小于所述結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，可以認(rèn)為正交接觸力為零。
在第四步中，第三是得到正切接觸力。假設(shè)與正交換觸力相似，正切接觸力的彈性力與相對(duì)位移成正比，并且其阻尼延遲器作用力也與相對(duì)位移速率成正比。在這種情況下，利用方程式(12)可得出正切接觸力。t＝[et]t+[dt]t(12)因?yàn)樯傲Ｖg存在滑移或者它們?cè)谛捅谏匣?，所以?yīng)該利用如下的Coulomb’s定律考慮所述的滑移量當(dāng) |[et]t|＞μ0[en]t+fcoh(13)時(shí)[et]t＝(μ0[en]t+fcoh)sign([en]t)(14)[dt]t＝0(15)當(dāng)|[et]t|＜μ0[en]t+fcoh(16)時(shí)[et]t＝[et]t-Δτ+Δet(17)[dt]t＝Δdt(18)其中，μ0摩擦系數(shù)fcoh結(jié)合強(qiáng)度Sign(z)表示一個(gè)變量(Z)的正號(hào)或負(fù)號(hào)在第五步驟中，得到作用在所述顆粒上的多個(gè)作用力。利用方程式(9)計(jì)算這些作用力。fd=12ρgCDASUi2---(19)]]>其中，ρg氣流密度CD反應(yīng)系數(shù)AS噴射面積Ui相對(duì)速度當(dāng)利用在第三步中由分析空氣流所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算諸如提供壓縮空氣進(jìn)行造型或者噴砂造型的一種提供空氣流進(jìn)行造型的方法中的這些作用力時(shí)，計(jì)算氣流和顆粒的相對(duì)速度。當(dāng)造型工藝不是采用施加空氣流的類(lèi)型時(shí)，僅計(jì)算移動(dòng)砂粒的速度。
在第六步中，利用方程式(20)得到由于顆粒間的碰撞或接觸所導(dǎo)致的加速度，所述方程式(20)利用作用在顆粒上的作用力，即接觸力、反應(yīng)系數(shù)和重力。r··=1m(fc+fd)+g---(20)]]>同樣，當(dāng)顆粒間發(fā)生傾斜碰撞(以一定的角度進(jìn)行碰撞時(shí))，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。所述轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度利用方程式(21)給出。ω·=TcI---(21)]]>其中，r位置向量m顆粒質(zhì)量fc接觸力fd流體力g重力加速度ω角速度
Tc碰撞所導(dǎo)致的扭矩I轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ωW與時(shí)間的微分根據(jù)從上述方程式以及公式(16)和(18)中所得到的加速度，可以得到顆粒在經(jīng)過(guò)一個(gè)微小時(shí)間段后的速度和位置。ν=ν0+r..Δt---(22)]]>r=r0+ν0Δt+12r..Δt2---(23)]]>ω=ω0+ω·Δt---(24)]]>其中，V速度向量0目前的數(shù)據(jù)Δt一微小的時(shí)間段在第七步中，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程直至顆粒停止運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)將根據(jù)圖1中的流程圖詳細(xì)描述所述計(jì)算過(guò)程的一個(gè)實(shí)施例。
如圖3中所示，在本實(shí)施例中使用一個(gè)金屬砂箱和鑄模。這里所采用的造型方法是將壓縮空氣提供給型砂的一種提供空氣流進(jìn)行造型的方法。表1中列出了濕砂的物理性能和金屬砂箱以及鑄模的尺寸。利用這兩個(gè)尺寸對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行分析。分析中所用到的計(jì)算條件已列在表2中。
在本實(shí)施例中，如下面所描述的是一種空氣流型濕砂造型方法。首先，利用數(shù)值計(jì)算得到砂粒的初始狀態(tài)，所述砂粒自由地落入圖3中所示的金屬砂箱中。所得到的初始狀態(tài)如圖4所示。當(dāng)從上方將空氣流提供給處于初始狀態(tài)的砂粒時(shí)，流體力作用在這些砂粒上。于是這些砂粒開(kāi)始向下移動(dòng)并且壓實(shí)。
利用上述條件計(jì)算所述運(yùn)動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表示在圖5中。在所述鑄模頂部的水平上，預(yù)測(cè)在鑄模間的濕砂中有充填不充分的部分。這樣，假設(shè)這些鑄模不能成功地移開(kāi)。因此，濕砂的性能、造型條件、造型工藝以及造型方法都將改變。利用類(lèi)似的計(jì)算能夠得到最佳的造型條件、造型工藝以及造型方法。雖然在本實(shí)施例中的計(jì)算是在二維分析的基礎(chǔ)上得到的，但是也可以采用三維分析進(jìn)行計(jì)算。
表1填充物Flattery(商標(biāo))壓實(shí)性[％]Volclay(商標(biāo))砂粒的直徑[m] 2.29×10-4密度[kg/m3] 2500結(jié)合強(qiáng)度[m/s2] 3.56×10-2回彈系數(shù) 0.028砂粒的成形系數(shù)0.861金屬砂箱的尺寸[mm]250×110×110每個(gè)鑄模的尺寸[mm]100×35×100表2單元數(shù)量 1000單元直徑 3.0×10-3膨潤(rùn)土層的厚度[m] 3.0×10-4石英砂的楊氏模量[MPa] 7.7膨潤(rùn)土的楊氏模量[Mpa] 0.7氣罐的壓力[Mpa] 0.5時(shí)間間隔[S] 2.0×10-權(quán)利要求
1.一種在造型過(guò)程中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒?，該方法包括下列步驟(a)分析與濕砂的充填程度相關(guān)的濕砂孔隙度；(b)分析作用在濕砂的砂粒之間的接觸力；(c)分析所述砂粒周?chē)目諝饬黧w力；(d)根據(jù)作用在所述砂粒上的作用力計(jì)算所述砂粒的加速度，其中所述作用力包括所述接觸力、所述流體力以及所述砂粒的重力；(e)根據(jù)所計(jì)算的加速度在砂粒運(yùn)動(dòng)很短的時(shí)間后分析多個(gè)運(yùn)動(dòng)方程式以得到所述砂粒的速度和位置；以及(f)重復(fù)上述步驟(a)、(b)、(c)、(d)和(e)直至所述砂粒停止運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括一個(gè)分析作用在所述濕砂上的空氣流的步驟，以利用在所述分析濕砂孔隙度的步驟中所得到的關(guān)于所述孔隙度的數(shù)據(jù)得到所述空氣流的速率。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種在造型過(guò)程中預(yù)測(cè)濕砂的充填是否適當(dāng)?shù)姆椒āＴ摲椒òㄏ铝胁襟E:(a)分析濕砂的孔隙度;(b)分析作用在濕砂的砂粒之間的接觸力;(c)分析所述砂粒周?chē)目諝饬黧w力;(d)根據(jù)作用在所述砂粒上的作用力計(jì)算所述砂粒的加速度,其中所述作用力包括接觸力、流體力以及砂粒的重力;(e)根據(jù)所計(jì)算的加速度在砂粒運(yùn)動(dòng)很短的時(shí)間后分析多個(gè)運(yùn)動(dòng)方程式以得到所述砂粒的速率和位置;以及(f)重復(fù)上述步驟(a)、(b)、(c)、(d)和(e)直至所述砂粒停止運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B22C19/04GK1198971SQ9810415
公開(kāi)日1998年11月18日 申請(qǐng)日期1998年1月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月17日
發(fā)明者泰育牧野 申請(qǐng)人:新東工業(yè)株式會(huì)社