铸件凝固过程的应力动态测量方法
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件凝固过程进行数值模拟计算分析, 并与试验结果相 部短杆上方。选用S型测力传感器, 端部连接承力杆、
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( 2005CB724105) 。收稿日期: 2007- 05- 20。 作者简介: 张家锋 ( 1980-) , 男, 湖北麻城人, 博士研究生, 主要从事材料热加工过程应力分析及尺寸控制研究。
表1 A357合金的主要化学成分
Table 1 Chemical composition of A357 alloy
元素
Si
Mg
Mn
Cu
Fe
含量
7
0.5
0.1
0.2
0.2
wB ( %) Al
其余
( a) 试验方案图
( b) 试验现场照片
图1 测力传感器和热电偶布置位置
Fig. 1 Position of stress sensor and thermal couples
E-mail: zhangjiafeng03@mails.tsinghua.edu.cn。
铸造
张家锋等: 铸件凝固过程的应力动态测量方法
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承力片, 传感器工作温度为室温。试验中为了提高测 量精度, 应该让传感器尽量靠近铸件; 同时为了保护 传感器, 应在传感器外面包裹绝热材料进行隔热。具 体 布 置 方 案 如 图1a所 示 。 试 验 采 用 水 玻 璃 石 英 砂 型 。 在造型完成后, 表面钻气孔以便于通二氧化碳气体硬 化 以 及 铸 造 排 气 。 图1b是 浇 注 后 试 验 现 场 图 片 。
Me cha nica l Engine e ring, Ts inghua Unive rs ity, Be ijing 100084, China )
Abs tra ct: A me thod wa s pre s e nte d for the indire ct me a s ure me nt of dyna mic s tre s s in this pa pe r. A s tre s s s e ns or e mbe dde d in the s a nd mold clos e to the ca s ting wa s us e d to re ve a l the pre s s ure be ca us e of the s hrinka ge of ca s ting which could figure out the dyna mic s tre s s of the fra me -s ha pe d ca s ting indire ctly. The nume rica l s imula tion wa s a ls o ca rrie d out by FDM/FEM me thod. The re s ults s howe d tha t the pre s s ure gre w up quickly in the ra pid cooling pe riod a nd the n ke pt on a s te a dy va lue . The e xpe rime nt a nd ca lcula te d re s ults we re in good a gre e me nt. Ke y words : s a nd ca s ting; s tre s s ; dyna mic me a s ure me nt; nume rica l s imula tion
从图4中可以看到, 模拟计算得到的侧杆中心截面 压力随时间变化规律和试验测得的测力传感器所受到 的压力随时间变化曲线具有很好的相似性, 曲线变化 趋 势 一 致 , 最 终 稳 定 值 分 别 约 为 8×9.8N、 和 7×9.8N。 考虑到试验条件、测量精度的限制, 可以认为二者吻 合良好。
上述结果表明, 试验结果能够和模拟计算较好统 一, 该试验方法能够从一定程度上反映铸件凝固过程 中的应力产生、发展变化情况, 结果可靠。
本试验所需要的设备仪器除了合金熔炼、浇注系 统外, 主要有测力传感器、测温热电偶以及数据采集
传统的应力测量手段如盲孔法、剥层法、X射线 系统。其中, 测力传感器使用中国航天科技集团北京
法、磁场法等, 在铸件的残余应力测量领域中具有较 为广泛的应用[2-6]。对于常温、固态的 工件而言, 贴应 变 片 的 方 法 也 能 实 现 应 力 应 变 的 动 态 监 测[7]。 但 铸 造 凝
在铸造生产中, 经常由于铸件结构方面的原因及 比较。
工艺处理不当而出现热裂或者在某些部位存在较大的 残余应力和变形, 严重影响了铸件质量和使用寿命,
1 试验方法
给工业生产造成了巨大损失。这两种铸造缺陷都直接 1.1 试验设备仪器
和凝固过程中应力的产生和发展有关, 因此对铸件凝 固 过 程 应 力 的 研 究 和 监 测 具 有 十 分 重 要 的 意 义[1]。
S tudy on Dyna mic Me a s ure me nt of The rma l S tre s s During
S olidifica tion of a Ca s ting S pe cime n
ZHANG J ia -fe ng, KANG J in-wu, LIU Ba i-che ng ( Ke y La bora tory for Adva nce d Ma nufa cturing by Ma te ria ls P roce s s ing Te chnology, De pa rtme nt of
28 890
17 655
4 279
1 115
371
塑 性 硬 化 系 数/MPa
9 676
7 182
3 758
1 568
807
274
226
24
压 (力 ×10) /N
图2 压力与铸件长杆中心点温度的关系 Fig. 2 Pressure versus temperature at center point of casting side pole
件施加于砂芯的压缩力的变化情况, 研究其发展规律 固过程中对砂芯施加的压力。铸件设计为方框形, 外框
和内在原因, 间接分析铸件应力的产生和发展; 与此 同时, 采用有限差分与有限元相结合的方法[8], 对该铸
尺寸为310 mm×150 mm, 内框尺寸为260 mm×100 mm, 四周尺寸均匀, 厚度方向为30 mm。浇冒口直接加在端
在上述假设基础上, 根据力学平衡原理, 可认为侧 杆截面压力在数值上与测力传感器所受到压力大小相 等。因此将试验测量的测力传感器所受到的压力与模拟 计算得到的侧杆中心截面压力相对比, 如图4所示。
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FOUNDRY
Sep. 2007 Vol.56 No.9
3 结论
图3 模拟计算与试验测量得到的铸件侧杆中心点温度曲线比较 Fig. 3 Comparison of calculated and experiment temperature histories
温平缓时, 铸件内应力的变化较小, 测力传感器受到 的压力也基本维持在一个较为稳定的数值, 因此低温 阶段测量压力最大。另外, 铸件在高温和中温阶段停
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留时间短, 而高温阶段铸件尚未完全凝固, 压力变化 缓慢, 因此测量压力曲线在中温阶段随温度变化速率 最快。
将试验测得的铸件侧杆中心点温度曲线与模拟计 算结果相对比, 如图3所示。比较发现, 二者较为接 近。在压力数据分析之前, 先做两个假设: ①框形铸 件对于砂型的压缩, 所有压力均分布在铸件内腔长方 体内; ②考虑到砂型小的弹性模量和切向模量, 认为 铸件对于砂型的纵向压力 ( 侧杆轴向) , 均由测力传感 器承担。
嘉祥高科技开发公司的BK-2型称重传感器; 测温热电 偶 使 用 普 通K型 热 电 偶 ( 镍 铬-镍 硅) ; 试 验 测 得 的 压 力、温度信号通过数据采集卡采集, 传送到计算机中
固过程中, 由于高温和液固相变的存在, 很难通过试 进行处理。
验方法动态测量铸件应力的分布及发展情况, 难以对 1.2 试验方案
( 1) 采用在砂芯中埋入测 力传 感 器 的 方 法, 动 态 监测凝固过程中框形铸件施加于砂芯的压力变化, 间 接地测量铸件的应力产生及发展情况。
( 2) 采用有限差分与有限 元相 结 合 的 方 法, 对 试 验中框形铸件凝固过程进行了数值模拟分析, 并将结 果与实测温度、压力曲线比较, 在试验误差范围内可 认为能较好地吻合。
参数 A357
!(/ W·m-1·K-1) 152.00
表2 计算中用到的主要热物性参数
Table 2 Main ther mal pr oper ties used in the simulation
cp(/ J·kg-1·K-1) 962.32
"(/ kg·m-3) 2.68×103
hf(/ J·kg-1) 3.89×105
铸件的应力集中区和危险区做出预测和监控, 是铸造
合金选择: 试验选用目前应用十分广泛的A357铸造
凝 固过程热应力分析的 一个瓶颈。本文作者 在砂芯 中 铝合金, 主要化学成分如表1所示。试验方案设计: 本试
埋入测力传感器, 动态监测凝固过程中框形铝合金铸 验中, 采用砂芯中埋入测力传感器方法, 测量铸件在凝
试验中测得测力传感器受到的压力与铸件长杆中 心点温度曲线如图2所示。从图2中可以很清楚看到, 总体来说温度较低时测力传感器受到的压力较大; 压 力随温度变化速率最快的是中温阶段, 而在高温、低 温阶段压力变化较为缓慢。上述现象和铸造凝固理论 能够较好符合。浇入金属液之后, 铸件开始凝固, 在 形成固态框架之后就开始产生内应力, 并随着凝固进 程的推进应力不断增大, 测力传感器所受到的压力也 不断增大; 凝固结束后, 铸件的温度仍然很高, 单位 时间降温幅度大, 铸件进一步收缩, 内应力增大, 测 力传感器受到的压力继续攀升; 当铸件温度较低、降
!"
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铸造
FOUNDRY
!!!!!" 检测技术
!"
铸件凝固过程的应力动态测量方法
Sep. 2007 Vol.56 No.9
!!!!!"
张家锋, 康进武, 柳百成 ( 教育部先进成形制造重点实验室, 清华大学机械工程系, 北京 100084)
摘要: 在砂芯中埋入测力传感器, 间接动态测量了框形铝合金铸件在凝固过程中的应力变化情况。并采用有限差分与
有限元相集成的方法对铸造试件的凝固过程进行了热应力数值模拟。结果表明, 凝固开始后, 铸件对砂芯的压缩力逐 渐增长, 且增大的速度较快; 一定时间之后, 压缩力基本保持在一个稳定值。模拟计算结果能与测量结果较好吻合。
关键词: 砂型铸造; 应力; 动态测量; 数值模拟 中图分类号: TG21+3 文献标识码: A 文章编号: 1001- 4977 ( 2007) 09- 0960- 03
( 3) 该试验方法能够从一 定程度 上 反 映 铸 件 凝 固 过程中的应力产生和发展变化情况, 结果可靠。
压 (力 ×10) /N
图4 模拟计算侧杆中心截面压力与实测压力曲线比较 Fig. 4 Comparison of calculated force and experiment force
2 结果分析
2.1 数值模拟计算 为了与试验结果相对照, 采用有限差分与有限元
相结合的方法, 对试验中框形铸件凝固过程进行了数 值模拟分析。表2和表3是模拟计算中用到的主要热物 性参数和力学性能参数。在应力模拟计算中得到的是 各节点上应力值。为了与试验测得的压力相比较, 需 要将应力值转换成长杆截面上的拉力。采用近似方法, 将长杆中心截面上各节点应力代数加权平均, 并乘以 截面积得到长杆拉力。其中, 各节点权值分配为: 内 部节点为1, 边界节点为0.5, 角点为0.25。 2.2 结果和对比分析
Tl /℃ 615
Ts /℃ 555
表3 计算中用到的主要力学性能参数
Table 3 Main mechanical pr oper ties used in the simulation
温 度/℃
21
150
250
320
400
500
510
520
弹 性 模 量/MPa
54 819
38 023
33 840