CN102266933A - 一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法 - Google Patents

Abstract

一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，应用于先进制造技术领域，其具体流程是：对铸件及工艺图进行三维建模；生成三维STL数据文件；根据铸件每一层剖分的大小计算出该层对应的铸件高度(h)、截面积(s)以及周长(1)和每个高度对应的当量直径(d)并利用每处的当量直径值，计算出平均等流管的直径，从而将复杂的截面突变型铸件转化成为等流管型的简单铸件；依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值；再利用流体力学实际液体伯努利方程进行不同界面处压力的计算，从而确定出铸件的变流量充型工艺P-t曲线；根据变流量P-t曲线利用电磁力控制金属液低压充型。本发明的有益效果在于：可实现铝合金熔液平稳充型、在充型过程中不容易产生喷溅、卷气现象，保证铸件质量。

Description

一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法

技术领域

本发明应用于金属铸造领域，尤其是涉及一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法。

背景技术

在铸造领域中，对于形状复杂的铸件，其型腔结构也是复杂多变的，不同高度对应的铸件截面积均不相同。目前低压充型方法中，其工艺曲线是一条斜率为定值的线段(见下图)，也就是利用传统公式计算出铸件充型过程中所需要的压力后，ΔP以一个固定值增加，在此过程中，这种工艺方法就是忽略了零件的形状特点，如果零件为较复杂的薄壁型铸件，却在铸件各个截面变化较大时仍然以不变的充型速率进行充型，那么在充型过程中容易产生喷溅、卷气，降低铸件质量。

因此，要实现金属液的平稳充型，必须运用一种简单可行的铸造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，解决以往铸造过程中出现的喷溅、卷气现象，保证铸件质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，应用于先进制造技术领域，其具体流程是：对铸件及工艺图进行三维建模；生成三维STL数据文件；根据铸件每一层剖分的大小计算出该层对应的铸件高度(h)、截面积(s)以及周长(1)和每个高度对应的当量直径(d)并利用每处的当量直径值，计算出平均等流管的直径，从而将复杂的截面突变型铸件转化成为等流管型的简单铸件；依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值；再利用流体力学实际液体伯努利方程进行不同界面处压力的计算，从而确定出铸件的变流量充型工艺P-t曲线；根据变流量P-t曲线利用电磁力控制金属液低压充型。

其中，各步骤的主要技术方案如下：

采用UG，PROE，SolidWwork，Ideas等三维造型软件进行三维建模；

三维建模采用STL(stereo lithography)文件格式；

利用vc++语言开发截面积计算软件，计算不同高度层对应的截面积、周长和每个高度对应的当量直径；

依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值；

根据铸件充型百分比每一分段处对应的的充型时间，结合已经计算出的每部分压力，得到变流量P-t曲线，再进行模拟校正。

根据伯努利方程及连续性方程计算不同截面的压力P。

本发明的有益效果在于：可实现铝合金熔液平稳充型、保证产品质量。

根据前文描述，将本发明的技术方案进行详细描述如下：

(1)铸件三维建模

采用目前通用的三维建模软件如UG，PROE，SolidWwork，Ideas三维造型软件进行三维图的绘制。

(2)三维STL文件

STL(stereo lithography)文件格式是SLA设备生产厂家美国3D系统公司提出的一种用于CAD模型的文件格式，是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的，相当于用一种全由小三角形面片构成的多面体近似原CAD模型。从几何上看，它是用众多三角形小平面来形成三维形体的表面，每个三角形面片用三个顶点表示。每个顶点由其坐标(x，y，z)表示，由于必须指明材料包含在面片的哪一边，所以每个三角形面片还必须有一个法向，用(1x，1y，1z)表示。在STL文件中它提供了每一个小三角形的三个顶点的绝对坐标值以及描述小三角形方向的平面外法线矢量。

(3)建立尺寸柱状图

利用vc++语言开发截面积计算软件，能计算出不同高度层对应的截面积、周长和每个高度对应的当量直径。

根据铸件的三维STL文件，分析建立浇注系统位置，对于复杂铸件，其型腔结构是复杂多变的，不同高度对应的铸件截面积不相同。采用截面积计算软件，绘制出随着高度变化的S-H，L-H，D-H的柱状图然。其中H为铸件高度、S为截面积，L为周长，D为每个高度对应的当量直径。根据曲线分布图将铸件按照截面积变化情况(一般截面积比超过2∶1时，可以认为铸件截面积发生了突变)进行合理分段。

(4)确定铸件铸件入口处的速度值

依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值。下图为平板厚度不变，型腔宽度不变化时，得到的内浇口临界入口速度值的规律，但是若是壁厚变化，宽度不变的铸件的内浇口入口速度值规律是不一样的。另外此结果是应用在直流平面电磁泵上的，因此考虑的内浇口截面直径均为3cm。

图1临界速度值与铸件宽度关系图

拟合公式为：

Y＝0.01643+2.75*X-2.14286*X²    (1-1)

式中：x——平板件宽度(m)；

y——临界入口速度(m/s)。

(5)根据伯努利方程及连续性方程计算不同截面的压力P

实际液体的伯努利方程为：

$\frac{p_1}{\mathrm{\ρg}}-z_1+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v_1}^2}{2g}=\frac{p_2}{\mathrm{\ρg}}+z_2+\frac{{\mathrm{\α}}_2{v_2}^2}{2g}+h_w---(1-2)$

z表示单位重量流体所具有的位能，p/ρg表示单位重量流体所具有的压力能，v²/2g表示单位重量流体所具有的动能。h_w为两个断面间的能量损失。α₁、α₂分别为截面A₁、A₂上的动能修正系数，它是由总流有效断面上各点流速的不均匀引起的，是—个大于1的数。α值大小取决于过水断面上流速分布情况，流速分布不均匀性越大，则α值越大；而流速分布越均匀，α值越接近于1；在渐变流时，α＝1.05～1.1，为计算简便，通常取α＝1；在非渐变流情况下，α值要根据具体情况确定。

由于实际液体是有粘性的，因此流动中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量，这些能量最终变成热量损失掉了。考虑到这部分能量损失，应该在伯努利方程中加入修正项h_w。

粘性流体在管道中流动时，其机械能必定逐渐减少，这种能量损失分为两类：

A、沿程能量损失

它是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的。这种损失的大小与流体的流动状态密切相关。通常管道流动中单位重力流体的沿程损失计算公式如下：

$h_f=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g}---(1-3)$

式中，λ为沿程损失系数，它与流体的粘度、流速、管道的内径以及管壁粗糙度等有关，是一个无量纲系数，由实验确定。l为管道长度，d为管道内径，若为矩形截面，取当量直径，v²/2g为单位重力流体的动压头(速度水头)。由上式看出，在同样的条件下，管道越长，损失的能量越大，这是沿程损失的特征。

在确定λ值的时候应该先判断流体在型腔中的运动状态，若为层流，即雷诺数小于2320，则：沿程阻力系数

若为紊流，系数λ是雷诺数Re和相对粗糙度

的函数，即

一般根据尼古拉兹实验计算

B、局部能量损失

局部能量损失是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。

一般管流中单位重量流体的局部能量损失可以表示为：

$h_j=\mathrm{\ξ}\frac{v^2}{2g}---(1-4)$

式中，ξ为局部损失系数，为无量纲系数。

当截面突然缩小时，有：

当截面突然扩大时，有：

因此，对于单位重量的流体来说，总的水头损失应等于各个段中的沿程水头损失和局部水头损失之和。

连续性方程为：

流体力学中的连续性方程是质量守恒定律应用于流体力学的具体表现形式，简化后得知总流各有效截面上的流量相等，可以表示为：

$\frac{f\left(h_1\right)}{f\left(h_2\right)}=\frac{S_1}{S_2}=\frac{v_2}{v_1}---(1-7)$

其中：v₁，v₂——分别为截面1，2处的流体速度；

S₁，S₂——分别为截面1，2的截面积。

(6)变流量工艺图线绘制

结合内浇口入口速度规律可以针对不同铸件得到相应的数学模型。然后根据内浇口入口速度值计算出铸件分段后，每个截面处的速度值，将各段速度值代入数学模型，计算铸件每—阶段所需要的充型压力P，相加后计算出总的压力值。根据铸件充型百分比每一分段处对应的的充型时间，结合前面计算的每部分压力，得到变流量P-t曲线，然后再进行模拟校正。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明详细流程图

图2是工字型铸件CAD图

图3是工字型铸件柱状图

图4是工字型铸件充型加压过程图

具体实施方式

以工字型铸件为设计实例：

(1)工字型铸件CAD图

图2工字型铸件CAD图

(2)铸件截面积及高度变化关系

通过工字型铸件三维STL文件计算绘制柱状图。如图3所示，四组数据分别代表：X轴为铸件充型到不同位置的垂直高度，1为每个高度对应的当量直径，2为截面积，3为周边长度。

图3工字件柱状图

(3)传统工艺工字件充型压力计算

传统工艺充型压力计算：

P_充＝μρgH＝1.27×2400×9.8×0.45＝13441Pa

可见，虽然工字型铸件在不同高度上有截面上的变化，但用传统工艺计算充型压力时，这一点对其计算并不产生影响。

(4)变流量充型压力计算

根据柱状图，可以得到截面积与高度的相关函数表达式：

S＝f(h)                 (2-1)

$\frac{f\left(h_1\right)}{f\left(h_2\right)}=\frac{S_1}{S_2}=\frac{v_2}{v_1}---(2-2)$

式中：f(h)——面积关于高度的函数；

v₁——内浇口处的速度；

v₂——液面上升到某—高度时的平均速度，根据平板件得到的结论，当内浇口与型腔比值为30∶200时，充型速度可以达到7.5cm/s，因此在工字件中v₂取7.5cm/s。即：

v₁＝0.075f(h₂)/f(h₁)          (2-3)

液体伯努利方程为：

$\frac{p_1}{\mathrm{\ρg}}+z_1+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v_1}^2}{2g}=\frac{p_2}{\mathrm{\ρg}}+z_2+\frac{{\mathrm{\α}}_2{v_2}^2}{2g}+h_w---(2-4)$

将基准面取在内浇口处，依据伯努利方程计算金属液体到达到某一高度时所需要的充型压力的大小。此时z₁＝0，p₂＝0(相对压力)。

$\mathrm{\α}=\frac{{\∫}_A\mathrm{\ρ}\frac{u^2}{2}\mathrm{udA}}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{\mathrm{vv}}^2}=\frac{{\∫}_A{u}^3\mathrm{dA}}{v^{3}A}---(2-6)$

$\frac{v_1}{v_2}=\frac{S_2}{S_1}---(2-7)$

其中：v₁，v₂——分别为截面1，2处的流体速度；

S₁，S₂——分别为截面1，2的截面积。

根据局部损失系数公式(2-5)、动能修正系数公式(2-6)、连续性方程(2-7)可以得到：

$P_1=\mathrm{\ρg}(z_2+h_w)+0.0028125\mathrm{\ρ}[{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1\frac{f^2\left(h_2\right)}{f^2\left(h_1\right)}]---(2-8)$

式中：z₂——金属液充型到某—高度时的位置水头；

h_w——两个断面的能量损失；

α₁、α₂——表示动能修正系数，一般取值为1；

f(h)——关于铸件截面积的函数。

首先根据工字型铸件的外形特点，在两次截面发生变化处将其划分为三部分，高度为h₁＝h₂＝h₃＝150mm。厚度为15mm的铸件，当型腔与内浇口的宽度比为200∶30时，其临界内浇口速度为0.5m/s，由于本文例件内浇口设置高度很小，暂且不考虑其所需的压力值，因此若从内浇口进入型腔时刻开始考虑，假设内浇口速度值恒定，由于位置①、③处的截面积相同，所以速度相同。

$P_1=\mathrm{\ρg}(z_2+h_w)+0.0028125\mathrm{\ρ}[{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1\frac{f^2\left(h_2\right)}{f^2\left(h_1\right)}]---(2-9)$

$h_w=\mathrm{\Σ}{h}_f+\mathrm{\Σ}{h}_j=\mathrm{\Σ\λ}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g}+\mathrm{\Σ\ξ}\frac{v^2}{2g}={\mathrm{\λ}}_1\frac{l_1+l_3}{d_1}\frac{{v_1}^2}{2g}+{\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}\frac{{v_2}^2}{2g}+{\mathrm{\ξ}}_1\frac{{v_1}^2}{2g}+{\mathrm{\ξ}}_2\frac{{v_2}^2}{2g}---(2-10)$

●阻力系数的计算

位置①、③处的沿程阻力系数λ₁，位置②处的沿程阻力系数λ₂，根据铸件的内部形状结构，可知局部损失系数包括由截面突变缩小损失系数ξ₁、截面突变扩大损失ξ₂。通过查阅相关的手册，选取：

截面突变缩小损失ξ₁＝0.298

截面突变扩大损失ξ₂＝0.25

另外，由于截面形状为矩形，故：

水力半径 $R_1=\frac{S_1}{X_1}=\frac{0.2\×0.015}{2\×(0.2+0.015)}=0.007m$

水力半径 $R_2=\frac{S_2}{X_2}=\frac{0.1\×0.015}{2\×(0.1+0.015)}=0.0065m$

其中：S₁为有效断面的面积，X₁湿周。

根据式2-2算得到①、③处速度v₁＝0.075m/s，②v₂＝0.15m/s，与上面预测的型腔内液体上升速度吻合。经过多组模拟证明，型腔内金属液上升速度为7.5cm/s时，充型比较平稳。

雷诺数 ${\mathrm{Re}}_1=\frac{4R_1{v}_1\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\η}}=\frac{4\×0.007\×0.075\×2.4\×{10}^3}{1.573\×{10}^{-3}}=3204.07$

雷诺数 ${\mathrm{Re}}_2=\frac{4R_2{v}_2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\η}}=\frac{4\×0.0065\×0.15\×2.4\×{10}^3}{1.573\×{10}^{-3}}=5950.41$

其中：v₁——流速；

η——运动粘度系数。

阻力系数 ${\mathrm{\λ}}_1=\frac{64}{3204.07}=0.02$

阻力系数 ${\mathrm{\λ}}_2=\frac{0.3164}{{5950.41}^{0.25}}=0.036$

则根据式2-10得：

$\mathrm{\Σ}{h}_f={\mathrm{\λ}}_1\frac{l_1+l_3}{d_1}\frac{{v_1}^2}{2g}{+\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}\frac{{v_2}^2}{2g}=0.02\×\frac{0.15+0.15}{4\×0.007}\×\frac{{0.075}^2}{2\×9.8}+0.036\×\frac{0.15}{4\×0.0065}\×\frac{{0.15}^2}{2\×9.8}$

$=6.15\×{10}^{-5}+23.84\×{10}^{-5}=2.999\×{10}^{-4}m$ 铝柱

局部损失：

$\mathrm{\Σ}{h}_j={\mathrm{\ξ}}_1\frac{{v_1}^2}{2g}+{\mathrm{\ξ}}_2\frac{{v_2}^2}{2g}=0.298\×\frac{{0.075}^2}{2\×9.8}+0.25\×\frac{{0.15}^2}{2\×9.8}$

$=8.55\×{10}^{-5}+28.7\×{10}^{-5}=3.725\×{10}^{-4}m$ 铝柱

分别利用式2-9写出内浇口到①处的压力P_①，位置①到位置②的压力P_②、位置②到位置③处的压力P_③，即：

式2-11、2-12、2-13相加得到：

(4)工艺曲线绘制

通过对工字件传统以及改进工艺的模拟分析，可以得到充型过程中随着截面积变化，所施加的压力与时间的变化曲线，如图4所示：

图4工字件充型加压过程图

以上所述实施例，只是本发明所拥有的众多实施例中较为优选的一部分，本领域技术人员在本专利基础上对其个别流程所做的简单修改或替换，均应包括在本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，应用于先进制造技术领域，其特征在于：其充型流程分为以下几部分：对铸件及工艺图进行三维建模；生成三维STL数据文件；根据铸件每一层剖分的大小计算出该层对应的铸件高度(h)、截面积(s)以及周长(l)和每个高度对应的当量直径(d)并利用每处的当量直径值，计算出平均等流管的直径，从而将复杂的截面突变型铸件转化成为等流管型的简单铸件；依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值；利用流体力学实际液体伯努利方程进行不同界面处压力的计算，从而确定出铸件的变流量充型工艺P-t曲线；根据变流量P-t曲线利用电磁力控制金属液低压充型。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，采用UG，PROE，SolidWwork，Ideas等三维造型软件进行三维建模。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，三维建模采用STL(stereo lithography)文件格式。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，利用vc++语言开发截面积计算软件，计算不同高度层对应的截面积、周长和每个高度对应的当量直径。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，依据平板铸件数值模拟得到的铸件型腔面积与内浇口面积比值对应的内浇口临界入口速度值的规律曲线，得到铸件入口处的速度值。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，根据伯努利方程及连续性方程计算不同截面的压力P。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金熔液变流量电磁低压充型方法，其特征在于，根据铸件充型百分比每一分段处对应的的充型时间，结合已经计算出的每部分压力，得到变流量P-t曲线，再进行模拟校正。

Images