CN104183188B - 一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属半固态铸造成形技术领域，特别涉及一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法。本发明装置分为半固态浆料制备系统、充型系统和实验记录系统三部分。根据相似理论，选用与金属半固态浆料具有相似流变特性的透明液体，即丁二腈-水半固态浆料作为模拟充型介质，首先将丁二腈水溶液制备成特定固相分数的半固态浆料，然后通过输送管将半固态浆料输送至充型系统料筒，并在注射活塞的推动下充填透明模具型腔，充型过程由高速摄像机记录，从而实现了金属半固态浆料充型过程的可视化模拟。

Description

一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法

技术领域

本发明属于金属半固态铸造成形技术领域，特别涉及一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法。

背景技术

铸造是一个复杂的多参数过程，例如浇注温度、速度，浇注系统尺寸、结构，铸型，金属液充型时速度场、温度场，金属液冷却凝固速度、方向等都将影响铸件的质量；并且这一材料成形过程往往是在半封闭、不透明的铸型内进行的，金属液的流动状态、凝固过程中温度场及应力场的变化都是不可见的。铸造缺陷如气孔、夹杂、冲砂等都与浇注系统和铸型内液态金属的流动行为有关。铸造工作者总是梦想着能够观察到它的充型和凝固过程，以便更好地设计浇注系统，消除铸造缺陷。首先用于充型过程观察的是水模拟技术，根据流体模拟的相似理论和相关准则，用水代替金属液倒入预先设计好的透明的浇注系统中，通过观察水的流动状况，判断浇注系统设计的合理性。

国内已研制了一些水模拟试验台，应用于重力铸造、低压铸造等工艺，并且充型液态介质也不再仅仅局限于水，氯化铵水溶液、聚丙烯酰胺水溶液、丁二腈水溶液等类金属透明液体与金属熔体具有更接近的流动特性以及凝固方式，不仅可以实现铸造充型过程的流动行为模拟，还可体现金属凝固过程中的偏析行为、晶粒生长及微观组织形貌。另一方面，随着计算机技术、图像处理技术及激光技术的发展，铸造充型过程可视化技术开始了从定性观察到定量分析的转变。

金属半固态铸造成形技术通过外部积极有效的干预凝固过程，可以精确控制凝固组织形貌(包括晶粒尺寸、形态、分布)，从而有效提高铸件性能。金属半固态浆料非液非固，初生固相颗粒均匀悬浮于液相之中，具有独特的流变学行为，与液态金属的根本区别在于具有剪切变稀的特性，其粘度值在充型过程中不断变化，并且存在固液相分离的现象，因此与传统重力铸造、低压铸造等工艺的金属熔体流动行为具有明显的区别，传统的浇注系统设计准则及经验不能应用于金属半固态铸造模具及浇注系统设计，开发半固态浆料充型流动过程的可视化模拟装置，进而总结半固态浆料流动充型规律，建立模具及浇注系统设计准则显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法。

一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置，该装置分为半固态浆料制备系统、充型系统和实验记录系统三部分；

所述的半固态浆料制备系统由旋转式粘度计、通气管、搅拌叶片、制浆容器、恒温水槽和热电偶组成；所述的充型系统由透明有机玻璃模具、料筒、注射活塞、伺服电动缸、位移速度控制仪器、加热带、输送管、工作台和限位块组成；所示的实验记录系统为高速摄像机；

所述恒温水槽位于工作台的下层平台上，制浆容器位于恒温水槽内；所述制浆容器上设置密封盖，密封盖上设置通气管，通气管通过密封盖与制浆容器相通；所述旋转式粘度计位于制浆容器外部，其旋转杆穿过密封盖，所述旋转杆下端位于制浆容器内，所述旋转杆的下端与搅拌叶片相连；所述热电偶穿过密封盖，其下端位于制浆容器内；

所述输送管的底端与制浆容器的底部侧面相连，其下部位于恒温水槽内，其顶端与料筒的底部相连；所述输送管和料筒的外侧均设置一层加热带；所述限位块、透明有机玻璃模具、料筒、注射活塞和伺服电动缸均设置在工作台的上层平台上；所述限位块与透明有机玻璃模具的底座相连，用以控制其位置并固定；所述料筒的一端与透明有机玻璃模具的下部进料口相连，所述注射活塞位于料筒内，并通过连杆与伺服电动缸相连；所述位移速度控制仪器与伺服电动缸相连，用以控制注射活塞的移动速度和距离；

所述高速摄像机的镜头正对透明有机玻璃模具中部，用来记录液体动态充型过程。

所述旋转式粘度计不仅能够通过搅拌叶片制备半固态浆料，还能够实时监测旋转杆的扭矩来测定半固态浆料的粘度；此外，选配同轴转子时，还能够测定剪切速率。

所述位移速度控制仪器的速度调节范围为0～2m/s，重复定位精度±0.05mm，同时还能够监测充型过程中注射活塞的推力。

一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟方法，其具体步骤如下：

a.将配制好的丁二腈水溶液倒入制浆容器中，丁二腈水溶液在冷却过程中受到搅拌叶片的剪切搅拌，初生固相转变为球形，形成半固态浆料；

b.通过调节恒温水槽内水的温度来调节丁二腈水溶液的冷却速率和最终温度；通过热电偶测定、计算出丁二腈-水半固态浆料达到其半固态的温度区间及固相分数后，打开通气管的阀门，向制浆容器内通入压缩空气，使丁二腈-水半固态浆料在压力作用下通过输送管进入料筒中；输送管和料筒表面设置的加热带用以保证丁二腈-水半固态浆料输送前后的温度一致；

c.当料筒内丁二腈-水半固态浆料体积与透明有机玻璃模具型腔体积相同时，关闭通气管的阀门，并启动伺服电动缸，注射活塞将丁二腈-水半固态浆料压入透明有机玻璃模具的型腔中，从而完成充型过程；

d.丁二腈-水半固态浆料的整个充型过程由高速摄像机记录下来，通过分析丁二腈-水半固态浆料充型过程的流动方式、自由表面状态及固相分布现象，总结出金属半固态浆料充型的规律；

e.采用电吹风或红外线灯照射加热透明有机玻璃模具，使丁二腈-水半固态浆料模拟介质重新熔化为液态，然后将注射活塞后退至充型前位置，丁二腈-水溶液在重力作用下重新流回到搅拌容器中，留待下次实验再次利用。

所述步骤a的搅拌速度不大于200rpm。

位移速度控制仪器与所述伺服电动缸相连，用以控制注射活塞的移动速度和距离；所述位移速度控制仪器的速度调节范围为0～2m/s，重复定位精度±0.05mm，同时还能够监测充型过程中注射活塞的推力。

所述丁二腈-水半固态浆料中水的摩尔分数为3％～15％。

本发明的有益效果为：

1、丁二腈-水半固态浆料流变行为与金属半固态浆料相似，同样存在剪切变稀现象，同时其固液界面结构上也与金属相似，使二者的凝固特点也基本一致；采用丁二腈-水模拟充型介质进行金属半固态浆料充型过程可视化模拟可信度高；

2、采用旋转式粘度计可实现半固态浆料制备和粘度测定的同步进行，选配同轴转子时还可测定剪切速率；搅拌叶片转速精确可调，可制备出多种初生固相大小及形貌的半固态浆料，便于分析初生固相对充型流动行为的影响规律；同时，水浴加热保证了半固态浆料固相分数的精确控制；

3、选用伺服电动缸提供充型动力，可实现注射活塞速度、位移的精确控制，并可测定注射活塞的推力，具有定位精确、运行平稳、实验重复性好等优点；

4、模拟充型介质回收方便，可重复利用，同时有机玻璃模具拆装方便，只需卸下限位块便可轻松更换模具；整个装置设计合理、结构紧凑、操作方便、控制精确。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明实施例1采用的透明有机玻璃模具的主视剖面图；

图3为本发明实施例1采用的透明有机玻璃模具的侧视剖面图；

图4为本发明实施例2采用的透明有机玻璃模具的主视剖面图；

图5为本发明实施例2采用的透明有机玻璃模具的侧视剖面图；

图中标号：1-高速摄像机；2-透明有机玻璃模具；3-料筒；4-注射活塞；5-伺服电动缸；6-位移速度控制仪器；7-旋转式粘度计；8-通气管；9-搅拌叶片；10-制浆容器；11-恒温水槽；12-热电偶；13-加热带；14-输送管；15-工作台；16-限位块。

具体实施方式

本发明提供了一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置，其特征在于：该装置分为半固态浆料制备系统、充型系统和实验记录系统三部分；

所述的半固态浆料制备系统由旋转式粘度计7、通气管8、搅拌叶片9、制浆容器10、恒温水槽11和热电偶12组成；所述的充型系统由透明有机玻璃模具2、料筒3、注射活塞4、伺服电动缸5、位移速度控制仪器6、加热带13、输送管14、工作台15和限位块16组成；所示的实验记录系统为高速摄像机1；

所述恒温水槽11位于工作台15的下层平台上，制浆容器10位于恒温水槽11内；所述制浆容器10上设置密封盖，密封盖上设置通气管8，通气管8通过密封盖与制浆容器10相通；所述旋转式粘度计7位于制浆容器10外部，其旋转杆穿过密封盖，所述旋转杆下端位于制浆容器10内，所述旋转杆的下端与搅拌叶片9相连；所述热电偶12穿过密封盖，其下端位于制浆容器10内；

所述输送管14的底端与制浆容器10的底部侧面相连，，其下部位于恒温水槽11内，其顶端与料筒3的底部相连；所述输送管14和料筒3的外侧均设置一层加热带13；所述限位块16、透明有机玻璃模具2、料筒3、注射活塞4和伺服电动缸5均设置在工作台15的上层平台上；所述限位块16与透明有机玻璃模具2的底座相连，用以控制其位置并固定；所述料筒3的一端与透明有机玻璃模具2的下部进料口相连，所述注射活塞4位于料筒3内，并通过连杆与伺服电动缸5相连；所述位移速度控制仪器6与伺服电动缸5相连，用以控制注射活塞4的移动速度和距离；

所述高速摄像机1的镜头正对透明有机玻璃模具2中部，用来记录液体动态充型过程。

所述旋转式粘度不仅能够通过搅拌叶片制备半固态浆料，还能够实时监测旋转杆的扭矩来测定半固态浆料的粘度；此外，选配同轴转子时，还能够测定剪切速率。

所述位移速度控制仪器6的速度调节范围为0～2m/s，重复定位精度±0.05mm，同时还能够监测充型过程中注射活塞4的推力。

实施例1

本实施实例采用的模拟介质为丁二腈-水溶液，其中水的摩尔分数为5％。

具体过程如下：

(1)将图2及图3所示的透明有机玻璃模具2安装在工作台15上，并用限位块16固定其位置；该模具主要用来分析半固态浆料在开放型腔中(浇口或充型截面积突然增大的情况)的流动规律以及固相分布；

(2)将配置好的丁二腈-水溶液(初始温度为80℃)倒入制浆容器10中，然后盖上密封盖将制浆容器10密封，恒温水槽11内水的温度设定为45℃；

开启旋转式粘度计7对丁二腈-水溶液进行搅拌，搅拌叶片9的转速为50rpm，丁二腈-水溶液温度逐渐降低，初生固相形核长大，并在剪切搅拌的作用下演变为球形，形成半固态浆料，其粘度值可从旋转式粘度计7显示屏幕上实时监测。当热电偶12测定半固态浆料温度稳定在45℃(固相分数约为15％)后，打开通气管8的阀门，向制浆容器10内通入高压空气，使丁二腈-水半固态浆料在压力作用下通过输送管14流入料筒3，当达到预定体积后关闭通气管8的阀门；输送过程中，输送管14和料筒3的温度通过加热带13控制为45℃，以保证输送前后半固态浆料固相分数的一致性；

(3)打开高速摄像机1开始记录充型过程，然后启动伺服电动缸5推动注射活塞4向前运动，将丁二腈-水半固态浆料压入透明有机玻璃模具2的型腔中，并在注射活塞4的压力下凝固。注射活塞4的速度为0.5m/s，由位移速度控制仪器6事先设定。充型完毕后关闭高速摄像机1完成记录过程。

(4)最后是丁二腈-水半固态浆料模拟介质的回收：首先卸掉制浆容器10中的压力，然后用电吹风对透明有机玻璃模具2进行加热，当其中的丁二腈-水半固态浆料模拟介质全部熔化为液态后使注射活塞4后退至充型前位置，丁二腈-水溶液在重力作用下重新流回制浆容器10中。整个实验过程完成。

实施例2

本实施实例采用的模拟介质为丁二腈-水溶液，其中水的摩尔分数为8％。

具体过程如下：

(1)将图2所示的透明有机玻璃模具2安装在工作台15上，并用限位块16固定其位置；该模具主要用来分析半固态浆料分流、汇聚等流动状态规律以及固相分布；

(2)将配置好的丁二腈-水溶液(初始温度80℃)倒入制浆容器10中，然后盖上密封盖将制浆容器10密封，恒温水槽11内水的温度设定为40℃；

开启旋转式粘度计7对丁二腈-8％水溶液进行搅拌，搅拌叶片9的转速为100rpm，丁二腈-水溶液温度逐渐降低，并在剪切搅拌的作用下形成半固态浆料。当热电偶12测定半固态浆料温度稳定在40℃(固相分数约为20％)后，打开通气管8的阀门，向制浆容器10内通入高压空气，使丁二腈-水半固态浆料在压力作用下通过输送管14流入料筒3，当达到预定体积后关闭通气管8的阀门；输送过程中，输送管14和料筒3的温度通过加热带13控制为40℃，以保证输送前后半固态浆料固相分数的一致性；

(3)打开高速摄像机1开始记录充型过程，然后启动伺服电动缸5推动注射活塞4向前运动，将丁二腈-水半固态浆料压入透明有机玻璃模具2的型腔中，并在注射活塞4的压力下凝固。注射活塞4的速度为1m/s，由位移速度控制仪器6事先设定。充型完毕后关闭高速摄像机1完成记录过程。

(4)最后是丁二腈-水半固态浆料模拟介质的回收：首先卸掉制浆容器10中的压力，然后用电吹风对透明有机玻璃模具2进行加热，当其中的丁二腈-水半固态浆料模拟介质全部熔化为液态后使注射活塞4后退至充型前位置，丁二腈-水溶液在重力作用下重新流回制浆容器10中。整个实验过程完成。

Claims (7)

1.一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置，其特征在于：该装置分为半固态浆料制备系统、充型系统和实验记录系统三部分；

所述的半固态浆料制备系统由旋转式粘度计(7)、通气管(8)、搅拌叶片(9)、制浆容器(10)、恒温水槽(11)和热电偶(12)组成；所述的充型系统由透明有机玻璃模具(2)、料筒(3)、注射活塞(4)、伺服电动缸(5)、位移速度控制仪器(6)、加热带(13)、输送管(14)、工作台(15)和限位块(16)组成；所示的实验记录系统为高速摄像机(1)；

所述恒温水槽(11)位于工作台(15)的下层平台上，制浆容器(10)位于恒温水槽(11)内；所述制浆容器(10)上设置密封盖，密封盖上设置通气管(8)，通气管(8)通过密封盖与制浆容器(10)相通；所述旋转式粘度计(7)位于制浆容器(10)外部，其旋转杆穿过密封盖，所述旋转杆下端位于制浆容器(10)内，所述旋转杆的下端与搅拌叶片(9)相连；所述热电偶(12)穿过密封盖，其下端位于制浆容器(10)内；

所述输送管(14)的底端与制浆容器(10)的底部侧面相连，其下部位于恒温水槽(11)内，其顶端与料筒(3)的底部相连；所述输送管(14)和料筒(3)的外侧均设置一层加热带(13)；所述限位块(16)、透明有机玻璃模具(2)、料筒(3)、注射活塞(4)和伺服电动缸(5)均设置在工作台(15)的上层平台上；所述限位块(16)与透明有机玻璃模具(2)的底座相连，用以控制其位置并固定；所述料筒(3)的一端与透明有机玻璃模具(2)的下部进料口相连，所述注射活塞(4)位于料筒(3)内，并通过连杆与伺服电动缸(5)相连；所述位移速度控制仪器(6)与伺服电动缸(5)相连，用以控制注射活塞(4)的移动速度和距离；

所述高速摄像机(1)的镜头正对透明有机玻璃模具(2)中部，用来记录液体动态充型过程。

2.根据权利要求1所述的一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置，其特征在于：所述旋转式粘度计(7)不仅能够通过搅拌叶片制备半固态浆料，还能够实时监测旋转杆的扭矩来测定半固态浆料的粘度；此外，选配同轴转子时，还能够测定剪切速率。

3.根据权利要求1所述的一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟装置，其特征在于：所述位移速度控制仪器(6)的速度调节范围为0～2m/s，重复定位精度±0.05mm，同时还能够监测充型过程中注射活塞(4)的推力。

4.一种金属半固态浆料充型过程可视化模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

a.将配制好的丁二腈水溶液倒入制浆容器中，丁二腈水溶液在冷却过程中受到搅拌叶片的剪切搅拌，初生固相转变为球形，形成半固态浆料；

b.通过调节恒温水槽内水的温度来调节丁二腈水溶液的冷却速率和最终温度；通过热电偶测定、计算出丁二腈-水半固态浆料达到其半固态的温度区间及固相分数后，打开通气管的阀门，向制浆容器内通入压缩空气，使丁二腈-水半固态浆料在压力作用下通过输送管进入料筒中；输送管和料筒表面设置的加热带用以保证丁二腈-水半固态浆料输送前后的温度一致；

c.当料筒内丁二腈-水半固态浆料体积与透明有机玻璃模具型腔体积相同时，关闭通气管的阀门，并启动伺服电动缸，注射活塞将丁二腈-水半固态浆料压入透明有机玻璃模具的型腔中，从而完成充型过程；

d.丁二腈-水半固态浆料的整个充型过程由高速摄像机记录下来，通过分析丁二腈-水半固态浆料充型过程的流动方式、自由表面状态及固相分布现象，总结出金属半固态浆料充型的规律；

e.采用电吹风或红外线灯照射加热透明有机玻璃模具，使丁二腈-水半固态浆料模拟介质重新熔化为液态，然后将注射活塞后退至充型前位置，丁二腈-水溶液在重力作用下重新流回到搅拌容器中，留待下次实验再次利用。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤a的搅拌速度不大于200rpm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：位移速度控制仪器与所述伺服电动缸相连，用以控制注射活塞的移动速度和距离；所述位移速度控制仪器的速度调节范围为0～2m/s，重复定位精度±0.05mm，同时还能够监测充型过程中注射活塞的推力。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述丁二腈-水半固态浆料中水的摩尔分数为3％～15％。