一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法
阅读说明：本技术 一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法 (Runner design method of centrifugal pouring system of casing castings ) 是由 朱春雷 吴海龙 朱小平 邵冲 高仕山 郑宗文 白晓青 郑宇航 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法,包括步骤：(1)设计初始重力浇注系统；(2)建立离心转速—水力曲线弧度—熔体流动特性的谱图；(3)建立离心转速—浇道角度—熔体流动特性的谱图；(4)建立离心转速—T型浇道结构—熔体流动特性的谱图；(5)计算离心转速、水力曲线弧度、浇道角度、T型浇道结构对熔体流动特性的影响因子；(6)确定最终的离心浇注浇道结构设计；(7)进行浇注试验验证,从而确定最佳的离心浇注系统的浇道设计。离心浇注系统的浇道为弧形水力曲线、内外环T型搭接、倾斜式径向浇道结构。本发明能够充分发挥离心力场作用下熔体流动特性,解决了流动性差、成型难度大的机匣的成功研制。(The invention discloses a pouring gate design method of a centrifugal pouring system of a casing casting, which comprises the following steps: (1) designing an initial gravity gating system; (2) establishing a spectrogram of centrifugal rotation speed, hydraulic curve radian and melt flow characteristic; (3) establishing a spectrogram of centrifugal rotation speed, pouring gate angle and melt flow characteristic; (4) establishing a spectrogram of a centrifugal rotating speed, a T-shaped pouring gate structure and melt flow characteristics; (5) calculating the influence factors of the centrifugal rotating speed, the radian of the hydraulic curve, the pouring gate angle and the T-shaped pouring gate structure on the flow characteristic of the melt; (6) determining the final centrifugal pouring gate structural design; (7) casting test validation was performed to determine the optimum runner design for the centrifugal casting system. The pouring gate of the centrifugal pouring system is of an arc hydraulic curve, inner and outer ring T-shaped lap joint and inclined radial pouring gate structure. The invention can give full play to the melt flow characteristic under the action of the centrifugal force field, and solves the problem of successful development of a casing with poor fluidity and high molding difficulty.)
技术领域
本发明涉及离心浇铸装置技术领域，特别是涉及一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法。
背景技术
整流支板类机匣是航空发动机机匣的典型结构。这类机匣一般由外环、内环以及整流支板组成。内外环直径较大(φ400～1500mm)；内外环上还设计有各种各样的螺栓孔、安装凸台、连接孔等结构；而整流支板通过由薄壁空心支板组成，这类机匣结构极为复杂。
早期受限于设计和加工制造水平，整流支板环形机匣通常采用钣金成型+焊接工艺来制备。为提高材料利用率极低和降低加工及焊接成本。机匣类部件的制备工艺逐步向“铸造+焊接”以及更先进的“整体铸造”发展。目前，采用常规重力铸造已经基本实现了一些钛合金、高温合金整流支板类机匣的铸造成型和冶金质量控制。为满足航空发动机“轻量化”的设计要求，机匣内外环和支板壁厚设计越来越薄，铸造成型难度越来越大，而且选材设计也逐步倾向于更轻、更耐温的新型结构材料，例如Ti-Al系和Ni-Al系金属间化合物、K4738合金等，但这些材料熔体流动性相对于传统的ZTC4和K4169合金显著降低，薄壁部位的铸造成型和冶金质量控制难度进一步增加。采用常规的重力铸造，已难以实现这类新材料、新结构设计机匣的铸造成型和冶金质量控制的。
离心浇注能够通过耦合径向的离心力场显著改善熔体充型能力和补缩能力，有利于实现复杂薄壁机匣部件的精铸成型和冶金质量质量控制。然而，当前的离心浇注系统通常沿用常规重力浇注使用的底注+直浇道结构设计，在解决一些薄壁、结构复杂的整流支板类机匣的铸造成型时，显得力不从心。事实上，在离心力场作用下熔体呈现水力曲线向外流动，而不是完全沿径向垂直向外流动，因而常规重力浇注系统使用的直浇道结构设计并不能充分发挥离心力场作用熔体水力曲线的流动特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够充分发挥离心力场作用下熔体流动特性，有助于解决流动性差、成型难度大的机匣的成功研制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法，包括如下步骤：
(1)针对特定的材料和机匣结构，设计初始重力浇注系统，初始浇注系统采用星型直浇道、浇道与水平面呈0°、内外环之间采用直线型结构；
(2)选择3～5个水力曲线弧度进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——水力曲线弧度——熔体流动特性的谱图；
(3)选择2～3个浇道角度进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——浇道角度——熔体流动特性的谱图；
(4)选择2～3个T型浇道结构进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——T型浇道结构——熔体流动特性的谱图；
(5)采用正交设计方法，计算离心转速、水力曲线弧度、浇道角度、T型浇道结构对熔体流动特性的影响因子，并选出2～3组浇注系统工艺组合；
(6)针对选出的2～3组浇注系统工艺参数组合，以最有利于熔体流动特性为评价原则，确定最终的离心浇注浇道结构设计；
(7)按照设计的浇注系统以及工艺参数，进行浇注试验验证，从而确定最佳的离心浇注系统的浇道设计。
可选的，离心浇注系统底盘浇道为弧形水力曲线型。
可选的，步骤(7)中，离心浇注系统的浇道包括机匣内环浇道和机匣外环浇道，所述机匣内环浇道和机匣外环浇道之间设置有T型搭接结构的径向浇道，且所述机匣内环浇道通过第一水口与所述径向浇道的第一支路连接，所述机匣外环浇道通过第二水口与所述径向浇道的第二支路连接；所述第一支路和第二支路均为弧形的水力曲线结构。
可选的，所述径向浇道与水平面呈θ角度，θ角度为10～20°。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法，可充分发挥水平离心力场作用下熔体更易于流动的特性，有助于改善熔体的充型能力，尤其适合于凝固区间窄、熔体流动性差的金属材料进行薄壁部位较多、结构较复杂的整流机匣类部件的铸造成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统重力浇注系统的浇道示意图；
图2为本发明浇注系统的浇道示意图；
图3为重力浇注系统下熔体流动模型；
图4为本发明水平离心浇注系统下熔体流动模型；
图5为本发明径向浇道的局部截面示意图；
其中，1为机匣内环、2为第一水口、3为机匣外环、4为第二水口、5为径向浇道、501为第一支路、502为第二支路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够充分发挥离心力场作用下熔体流动特性，有助于解决流动性差、成型难度大的机匣的成功研制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
结合附图1和附图2所示，本发明相较于传统浇注系统的浇道结构而言，本发明径向浇道5结构由星型直浇道改变为星型水力曲线浇道；径向浇道5的角度由水平式改变为向上倾斜式；机匣内环1和机匣外环3之间的径向浇道5由直线型改变为T型。
具体的，常规的重力铸造采用直浇道结构，其水力线如图3所示，完全沿径向垂直向外流动，因而常规重力浇注系统使用的直浇道结构设计并不能充分发挥离心力场作用熔体水力曲线的流动特性。本发明浇道的水力曲线设计与传统方式不同，如图4所示：在离心力作用下，熔体以轴向中心为轴，呈现一定弧度的水力曲线形态，而且，离心力越大，水力曲线曲率越小。在这种情况下，若再采用直浇道设计，则熔体在水平方向上的流动将受到直线型模壳的阻碍，进而降低熔体的流动性和充型能力；而且离心转速越大，阻碍作用越大，熔体紊流程度越大，卷气倾向越大，铸件产生气孔等缺陷的概率增加。因而，需要设计匹配离心转速的水力曲线的曲率。倾斜式横浇道：在水平离心力场作用下，熔体以轴向为中心呈现向上运动的特性，而且离心转速越高，熔体向上的倾斜角θ越大。若采用水平式浇道结构，模壳将成为熔体向上流动的阻碍，而且离心转速越大，阻碍作用越大，熔体紊流程度越大，卷气倾向越大，铸件产生气孔等缺陷的概率增加。因而，需要设计匹配离心转速的浇道与水平面的倾斜角度θ，具体如图5所示。T型浇道设计：采用重力浇注系统设计，在内外环直线型浇道设计下，熔体由内向外依次充型，但在离心浇注系统条件下，熔体倾向于优先充型外环，内环充型滞后，容易出现内环不成型的情况；采用T型搭接浇道设计，径向浇道5分为第一支路501和第二支路502，在离心浇注条件下，熔体优先经与第一支路501连接的第一水口2充型机匣内环1，之后再通过T型搭接浇道的第二支路502经第二水口4进行机匣外环3充型。这种结构有利于离心作用下机匣内外环的充型，同时有利于缩短熔体在外环以及内外环连接支板的流程，减少熔体温降，提高薄壁支板的铸造充型表现。
本发明机匣类铸件的离心浇注系统的浇道设计方法步骤如下：
(1)针对特定的材料和机匣结构，采用Procast有限元数值模拟，设计初始重力浇注系统，初始浇注系统采用星型直浇道、浇道与水平面呈0°、内外环之间采用直线型结构。在此环节，需优选出合适的浇道规格，星型浇道的数量等重力浇注必须的浇道结构参数。
(2)采用Procast有限元数值模拟，选择3～5个水力曲线弧度进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——水力曲线弧度——熔体流动特性的谱图。
(3)采用Procast有限元数值模拟，选择2～3个浇道角度进行进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——浇道角度——熔体流动特性的谱图。
(4)采用Procast有限元数值模拟，选择2～3个T型浇道结构进行不同离心转速条件下熔体流动特性的模拟分析，建立离心转速——T型浇道结构——熔体流动特性的谱图。
(5)采用正交设计方法，计算离心转速、水力曲线弧度、浇道角度、T型浇道结构对熔体流动特性的影响因子，并优选出2～3组浇注系统工艺组合。
(6)采用Procast有限元数值模拟，针对优选出的2～3组浇注系统工艺参数组合，以最有利于熔体流动特性为评价原则，确定最终的离心浇注浇道结构设计。
(7)按照优选设计的浇注系统以及工艺参数，进行浇注试验验证，从而确定最佳的离心浇注的浇道系统设计。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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