CN106227954B - 一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法，是基于光滑粒子流体动力学计算方法对平板件重力金属型铸造渣团和气体随金属液流动进行模拟，可以有效的模拟渣团及气体的运动轨迹，在铸造之前进行预测，根据计算结果进行浇注系统及排气系统的优化设计，能有效的避免渣团进入铸件内部及气体无法及时排出，有利于在实际铸造中预测、减少铸造缺陷，通过制备铝合金平板件，采用光滑粒子流体动力学方法建立数学计算模型，以VS2010为开发平台编写程序，进行计算机运行，得出预测结果，显示铝合金平板件重力金属型铸造中渣团及气体的运动轨迹和分布情况；此预测方法使用设备少，计算方法通用、合理，计算速度快，模拟结果准确。

Description

一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法，属于铝合金重力金属型仿真铸造工艺优化及计算的技术领域。

背景技术

铝合金重力金属型铸造是在重力作用下，铝合金熔液充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法；铝合金熔液通过铸模浇口，在重力的作用下金属液进入铸模并充满型腔，冷却凝固后得到铸件。

在铝合金重力金属型铸造的熔炼过程中会产生渣团，渣团进入型腔会造成铸件缺陷；在重力金属型铸造中，型腔内存在气体，这些气体必须及时排出，否则会使铸件产生浇注不足、冷隔、气孔等铸造缺陷；铝合金平板件在浇注过程中渣团、气体随液态金属流动是一个复杂的过程，需要用数值模拟仿真的方法才能真实再现，为优化浇注系统挡渣、撇渣作用、预防和消除铸件缺陷及排气系统的优化提供理论依据。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对铝合金重力金属型铸造特点，对铝合金平板件在充型过程中渣团、气体随金属液运动的轨迹进行预测，通过建立数学模型和程序计算，预测渣团粒子、气体粒子的运动轨迹，为优化浇注系统挡渣、撇渣作用及排气系统提供理论依据。

技术方案

本发明是基于光滑粒子法对金属液中渣团、气体运动轨迹的仿真方法应用于铝合金重力金属型铸造工艺优化，具体的步骤如下：

(1)预制铝合金平板件样件

①制备铝合金平板件用开合式模具，模具材料为工具钢，浇注时，模具的预热温度为300℃±5℃；

②熔炼获得铝合金熔液

称取铝合金4kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至720℃±5℃，并对熔液进行搅拌，采用六氯乙烷除气，随后除渣，静置后铝合金熔液温度降至690℃±5℃，待用；

③重力金属型铸造过程

将铝合金熔液注入开合式模具浇口，在重力作用下金属液进入模具型腔并充满型腔；

④铸件冷却及出型

待铸件凝固，打开开合式模具，取出平板铸件；

⑤清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面、用机械切除铸件余头、用砂纸打磨铸件表面，平板铸件成型；

(2)建立粒子运动轨迹预测模型

①对粒子进行初始化设计

首先对粒子进行初始配置，光滑粒子法是一种基于粒子的计算方法，要对模具固壁、铝合金熔液、渣团及型腔中的气体进行粒子化，确定粒子的物性参数，具体步骤如下：

1)三维实体的建立及粒子化

用三维建模软件建立模具固壁、铝合金熔液、渣团及型腔中气体的三维模型，采用计算机程序进行粒子化；

2)确定粒子的物性参数

按照粒子类型，进行质量、密度、初始速度、粘度的设置；

②建立相互作用粒子的搜索方法

采用链表搜索方法，确定相互作用粒子，并进行配对，为下一步计算建立基础，先把计算区域划分为多个相同大小的单元格，所有粒子均分布在各个单元格内；

分别对每个粒子的支持域内与其相互作用的粒子进行搜索配对，对于三维问题，在搜索过程中，单元格按照从左至右，从下至上，从前至后的搜索顺序，每次搜索十三个单元格，在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子配对；

③计算粒子下一时刻的位置及速度

金属液粒子、气体粒子和渣团粒子下一时刻的位置及速度的计算步骤如下：1)计算金属液粒子或气体粒子的加速度值；

粒子i所受的力为压力、重力、粘性力、表面张力，计算公式如下：

f_i＝f_i ^p+f_i ^v+f_i ^g+f_i ^t

f_i ^g＝g∑_jm_jw_ij

对于粒子i表面张力的求解：当相互作用的粒子i和粒子j为金属液粒子与气体粒子或者为气体粒子与金属液粒子时，考虑表面张力，计算公式如下：

则粒子i的动量方程表达式如下：

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i ^p表示粒子i受到的压力，f_i ^v表示粒子i受到的粘性力，f_i ^g表示粒子i受到的重力，f_i ^t表示粒子i受到的表面张力，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通过连续性方程获得，r_ij表示粒子间的位置差，r_ij ²表示粒子间距离的平方，w_ij表示光滑函数，g表示重力加速，表示光滑函数梯度，η_i表示粒子i的动力粘性系数，η_j表示粒子j的动力粘性系数，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，β表示表面张力系数，表示粒子i的单位法向量的散度，n_i表示法向量，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及运动状态发生变化，为完成上述的计算需要求解压力，粒子i的压力求解方程如下：

其中c₀表示声速，γ是一个常数，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的压力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度变化率，求解表达式如下：

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i与粒子j的速度差，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，w_ij表示光滑函数，表示光滑函数梯度，表示粒子i密度的变化率；

粒子在力f的作用下，可以计算出粒子加速度；

2)计算渣团粒子的加速度值；

渣团粒子i所受的力为压力、重力、粘性力和渣团粒子间的相互作用力，计算公式如下：

f_i＝f_i ^p+f_i ^v+f_i ^g+f_i ^s

f_i ^g＝g∑_jm_jw_ij

则粒子i的动量方程表达式如下：

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i ^p表示粒子i受到的压力，f_i ^v粒子i受到的粘性力，f_i ^g粒子i受到的重力，f_i ^s表示渣团粒子间的相互作用力(包括渣团间的阻尼力和排斥力)，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通过求解连续性方程获得，r_ij表示粒子间的位置差，r_ij ²表示粒子间距离的平方，w_ij表示光滑函数，g表示重力加速，表示光滑函数梯度，η_i表示粒子i的动力粘性系数，η_j表示粒子j的动力粘性系数，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及运动状态发生变化，为完成上述的计算需要求解压力，粒子i的压力求解方程如下：

其中c₀表示声速，γ是一个常数，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的压力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度变化率，求解表达式如下：

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i与粒子j的速度差，w_ij表示光滑函数，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，表示光滑函数梯度，表示粒子i密度的变化率；

粒子在力f的作用下，可以计算出粒子加速度；

3)经过一个时间步长后，对粒子的速度、位置进行更新

在经过一个时间步长后，对金属液粒子、渣团粒子及气体粒子进行速度、位置更新，具体步骤如下：

首先，获得作用于各个金属液粒子、渣团粒子和气体粒子的合力，进而求得加速度；

其次，金属液粒子、渣团粒子和气体粒子在n+Δt时刻的速度值等于n-Δt时刻的速度值加上加速度乘以两倍的时间步长；金属液粒子、渣团粒子和气体粒子在n+Δt时刻的位置值等于n时刻的位置值加上其在n时刻的速度值乘以时间步长再加上加速度乘以时间步长的平方乘以二分之一，其中n表示当前计算时刻，Δt表示时间步长；

一个时间步长计算完成后，重新进行粒子的搜索配对和粒子速度、位置的计算，直至充满型腔，并得到渣团粒子、气体粒子的运动轨迹；

铝合金平板件重力金属型铸造渣团及气体运动轨迹的预测由计算机程序完成，以VS2010为开发平台进行程序编写，计算程序如下：

(3)预测结果

数值模拟结果表明有渣团进入铸件内部，且铸件出现气体难以排出的现象，根据模拟结果，修改浇注系统及排气系统的设计，经过再次模拟计算，渣团集中到集渣包中，未进入到铸件中，并且气体能够及时排出。

有益效果：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是基于光滑粒子流体动力学计算方法对平板件重力金属型铸造渣团和气体随金属液流动进行模拟，可以有效的模拟渣团及气体的运动轨迹，在铸造之前进行预测，根据计算结果进行浇注系统及排气系统的优化设计，能有效的避免渣团进入铸件内部及气体无法及时排出，有利于在实际铸造中预测、减少铸造缺陷，通过制备铝合金平板件，采用光滑粒子流体动力学方法建立数学计算模型，以VS2010为开发平台编写程序，进行计算机运行，得出预测结果，显示铝合金平板件重力金属型铸造中渣团及气体的运动轨迹和分布情况；此预测方法使用设备少，计算方法通用、合理，计算速度快，模拟结果准确，十分适合铝合金平板件重力金属型铸造下渣团及气体的运动轨迹预测，从而优化浇注系统和排气系统，避免铸件缺陷的产生，此预测方法也可用于其它有色金属重力金属型铸造渣团及气体运动轨迹的预测，同时对浇注系统和排气系统进行优化。

附图说明

图1、铝合金平板件整体结构图

图2、铝合金平板件金属型铸造状态图

图中所示，附图标记清单如下：

1.铝合金平板件，2.铝合金金属液，3.横浇道，4.工具钢模具，5、内浇道，6.直浇道，7.浇注口，8.模具型腔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为铝合金平板件整体结构图，铝合金平板件为矩形板状。

图2所示，为铝合金平板件金属型铸造状态图，外部为工具钢模具4，工具钢模具4内部为模具型腔8；工具钢模具4右上部为浇注口7，浇注口7下部连接直浇道6，直浇道6下部连接横浇道3，横浇道3中部设有内浇道5，内浇道5连通模具型腔8，模具型腔8内为铝合金金属液2。

Claims (2)

1.一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法，其特征在于：是基于光滑粒子法对金属液中渣团、气体运动轨迹的仿真方法应用于铝合金重力金属型铸造工艺优化，具体的步骤如下：

(1)预制铝合金平板件样件

①制备铝合金平板件用开合式模具，模具材料为工具钢，浇注时，模具的预热温度为300℃±5℃；

②熔炼获得铝合金熔液

称取铝合金4kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至720℃±5℃，并对熔液进行搅拌，采用六氯乙烷除气，随后除渣，静置后铝合金熔液温度降至690℃±5℃，待用；

③重力金属型铸造过程

将铝合金熔液注入开合式模具浇口，在重力作用下金属液进入模具型腔并充满型腔；

④铸件冷却及出型

待铸件凝固，打开开合式模具，取出平板铸件；

⑤清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面、用机械切除铸件余头、用砂纸打磨铸件表面，平板铸件成型；

(2)建立粒子运动轨迹预测模型

①对粒子进行初始化设计

首先对粒子进行初始配置，光滑粒子法是一种基于粒子的计算方法，要对模具固壁、铝合金熔液、渣团及型腔中的气体进行粒子化，确定粒子的物性参数，具体步骤如下：

1)三维实体的建立及粒子化

用三维建模软件建立模具固壁、铝合金熔液、渣团及型腔中气体的三维模型，采用计算机程序进行粒子化；

2)确定粒子的物性参数

按照粒子类型，进行质量、密度、初始速度、粘度的设置；

②建立相互作用粒子的搜索方法

采用链表搜索方法，确定相互作用粒子，并进行配对，为下一步计算建立基础，先把计算区域划分为多个相同大小的单元格，单元格的尺寸为0.0706mm，所有粒子均分布在各个单元格内；

分别对每个粒子的支持域内与其相互作用的粒子进行搜索配对，对于三维问题，在搜索过程中，单元格按照从左至右，从下至上，从前至后的搜索顺序，每次搜索十三个单元格，在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子配对；

③计算粒子下一时刻的位置及速度

金属液粒子、气体粒子和渣团粒子下一时刻的位置及速度的计算步骤如下：1)计算金属液粒子或气体粒子的加速度值；

粒子i所受的力为压力、重力、粘性力、表面张力，计算公式如下：

f_i＝f_i ^p+f_i ^v+f_i ^g+f_i ^t

${f_i}^p=-{\mathrm{\Σ}}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}$

${f_i}^v={\mathrm{\Σ}}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}$

f_i ^g＝g∑_jm_jw_ij

对于粒子i表面张力的求解：当相互作用的粒子i和粒子j为金属液粒子与气体粒子或者为气体粒子与金属液粒子时，考虑表面张力，计算公式如下：

${f_i}^t=\mathrm{\β}(\▿{\hat{n}}_i)n_i$

则粒子i的动量方程表达式如下：

$\frac{{\mathrm{dv}}_i}{dt}=-{\Σ}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}+{\Σ}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}+g+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}\mathrm{\β}(\▿{\hat{n}}_i)n_i$

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i ^p表示粒子i受到的压力，f_i ^v表示粒子i受到的粘性力，f_i ^g表示粒子i受到的重力，f_i ^t表示粒子i受到的表面张力，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通过连续性方程获得，r_ij表示粒子间的位置差，r_ij ²表示粒子间距离的平方，w_ij表示光滑函数，g表示重力加速，表示光滑函数梯度，η_i表示粒子i的动力粘性系数，η_j表示粒子j的动力粘性系数，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，β表示表面张力系数，表示粒子i的单位法向量的散度，n_i表示法向量，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及运动状态发生变化，为完成上述的计算需要求解压力，粒子i的压力求解方程如下：

$P_i=\frac{c_0^2{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\mathrm{\γ}}-1\]$

其中c₀表示声速，γ是一个常数，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的压力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度变化率，求解表达式如下：

$\frac{{\mathrm{d\ρ}}_i}{dt}={\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\Σ}}_j{v}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}$

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i与粒子j的速度差，w_ij表示光滑函数，表示光滑函数梯度，表示粒子i密度的变化率；

粒子在力f的作用下，可以计算出粒子加速度；

2)计算渣团粒子的加速度值；

渣团粒子i所受的力为压力、重力、粘性力和渣团粒子间的相互作用力，计算公式如下：

f_i＝f_i ^p+f_i ^v+f_i ^g+f_i ^s

${f_i}^p=-{\mathrm{\Σ}}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}$

${f_i}^v={\mathrm{\Σ}}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}$

f_i ^g＝g∑_jm_jw_ij

则粒子i的动量方程表达式如下：

$\frac{{\mathrm{dv}}_i}{dt}=-{\Σ}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}+{\Σ}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}+g+{f_i}^s/{\mathrm{\ρ}}_i$

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i ^p表示粒子i受到的压力，f_i ^v粒子i受到的粘性力，f_i ^g粒子i受到的重力，f_i ^s表示渣团粒子间的相互作用力(包括渣团间的阻尼力和排斥力)，∑_j表示对粒子i支持域内与其相互作用的粒子加权求和，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通过求解连续性方程获得，r_ij表示粒子间的位置差，r_ij ²表示粒子间距离的平方，w_ij表示光滑函数，g表示重力加速，表示光滑函数梯度，η_i表示粒子i的动力粘性系数，η_j表示粒子j的动力粘性系数，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及运动状态发生变化，为完成上述的计算需要求解压力，粒子i的压力求解方程如下：

$P_i=\frac{c_0^2{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\mathrm{\γ}}-1\]$

其中c₀表示声速，γ是一个常数，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的压力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度变化率，求解表达式如下：

$\frac{{\mathrm{d\ρ}}_i}{dt}={\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\Σ}}_j{v}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}$

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i与粒子j的速度差，w_ij表示光滑函数，表示光滑函数梯度，表示粒子i密度的变化率；

粒子在力f的作用下，可以计算出粒子加速度；

3)经过一个时间步长后，对粒子的速度、位置进行更新

在经过一个时间步长后，对金属液粒子、渣团粒子及气体粒子进行速度、位置更新，具体步骤如下：

首先，获得作用于各个金属液粒子、渣团粒子和气体粒子的合力，进而求得加速度；

其次，金属液粒子、渣团粒子和气体粒子在n+Δt时刻的速度值等于n-Δt时刻的速度值加上加速度乘以两倍的时间步长；金属液粒子、渣团粒子和气体粒子在n+Δt时刻的位置值等于n时刻的位置值加上其在n时刻的速度值乘以时间步长再加上n时刻的加速度乘以时间步长的平方乘以二分之一，其中n表示当前计算时刻，Δt表示时间步长；

一个时间步长计算完成后，重新进行粒子的搜索配对和粒子速度、位置的计算，直至充满型腔，并得到渣团粒子、气体粒子的运动轨迹；

(3)预测结果

数值模拟结果表明有渣团进入铸件内部，且铸件出现浇不足、气体难以排除的现象，根据模拟结果，修改浇注系统及排气系统的设计，经过再次模拟计算，渣团集中到集渣包中，未进入到铸件中，并且气体能够及时排出，没有浇不足现象。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金重力金属型铸造工艺优化方法，其特征在于：铝合金平板件金属型铸造是在工具钢模具内进行的，外部为工具钢模具(4)，工具钢模具(4)内部为模具型腔(8)；工具钢模具(4)右上部为浇注口(7)，浇注口(7)下部连接直浇道(6)，直浇道(6)下部连接横浇道(3)，横浇道(3)中部设有内浇道(5)，内浇道(5)连通模具型腔(8)，模具型腔(8)内为铝合金金属液(2)。