CN113102733B - 多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法 - Google Patents

多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法，其装置包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，金属凝固装置本体包括铸模组件、超声振动组件和止推杆，金属凝固数据采集及控制器包括声信号采集电路、计算机、多路信号发生器、多路信号放大器和声压传感器；其方法包括步骤：一、装合金原料；二、安装金属凝固装置本体；三、安装声压传感器；四、设置振动参数初始值；五、母合金熔炼；六、熔体浇注；七、相位和振幅反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固；八、卸载铸件。本发明设计新颖合理，提高了超声传递效率，实现了大体积合金熔体中超声场的有效控制，能够改善金属熔铸条件，促进成分组织均匀化，提高材料性能。

Description

多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法
技术领域
本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法。
背景技术
铸造过程是金属熔体在型腔内逐步凝固的过程。采用铸造工艺制备的金属零件广泛应用于航空航天飞行器发动机部件、翼型支撑构件、汽车发动机气缸与变速箱体、汽车轮毂及许多机械装置的复杂零件。所采用的材料包括铝合金、镁合金、铜合金、镍基高温合金等绝大部分常用金属材料。铸件性能提升的关键是改善其内部的微观组织结构。
在金属或合金凝固过程中施加超声振动，是改善其组织结构、提高性能的有效的方法之一。研究表明，在金属凝固过程中施加超声场，可以利用超声波在液相内产生的空化和声流等一系列非线性效应，显著影响金属熔体的形核、热量与溶质传输，可以消除气孔、抑制偏析、细化晶粒，提高力学性能。然而目前的超声铸造尚未真正进入工业铸造领域，其主要原因是现有技术中存在以下缺陷：
(1)现有技术中，大多采用将超声变幅杆浸没在熔体中发射超声波，这种方式会导致变幅杆过热，其内部的传播声速变化，从而使得变幅杆的共振特性发生变化而停止工作。当处理高温合金(如Fe合金、Ni合金)时，变幅杆甚至会发生软化、塑性变形或者出现裂纹，造成变幅杆的损坏。
(2)少量现有技术中，变幅杆刚性连接于铸模外壁面，构成一个整体的异形结构，导致振动特性发生变化。并且由于铸模整体质量较大，振动传递效率很低，同时会导致超声系统振动负载过大，超声电源无法承受而停止工作。
(3)现有技术中，多将固定频率和振幅的一维超声波直接施加到金属熔体中，振动能量快速衰减、作用范围小，一般有效细化晶粒的长度距离只有几厘米。
(4)现有技术中，一维超声只能实现沿着超声发射方向的一维梯度场，而无法实现匀强场以及其它的分布场形式，超声场分布形式不可调控，无法对液固相变过程实时精细控制。
(5)现有技术一般只能调节超声波发射功率，而缺乏熔体中实际存在的声压及其分布的测定，无法精确给定有效的工艺参数，从而无法实现对凝固组织的有效调控。
鉴于现有先进材料制备及加工领域仍未解决高温、大体积液态、半固态金属熔体中超声场的有效、可控施加问题，研发一种铸模壁自由振动的三维超声金属熔体反馈调节处理装置及方法成为当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其设计新颖合理，有效提高了超声传递效率，能够实现大体积合金熔体中超声场的有效控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模组件和设置在铸模组件外壁的多个方向上的超声振动组件，所述铸模组件的外壁上设置有与超声振动组件形成对抗力以防止铸模组件发生移动的止推杆，所述超声振动组件和止推杆均压紧铸模组件的外壁，所述铸模组件的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向内铸模组件浇铸的母合金池；
所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路、计算机、多路信号发生器和多路信号放大器，以及布设在铸模组件内的多个声压传感器，所述声压传感器与声信号采集电路连接；所述超声振动组件与多路信号放大器的输出端连接，所述多路信号放大器与计算机连接。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述铸模组件包括铸模主体和可拆卸且密封连接在铸模主体上的多个活动侧壁，每个所述活动侧壁均通过一个超声振动组件压紧在铸模主体上。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述铸模组件为直四棱柱体形，所述铸模组件包括铸模主体、铸模活动侧壁和耐高温柔性垫，所述铸模主体包括底部的长方形/正方形框架结构以及设置在框架结构上的直角面和立柱，所述立柱设置在直角面的对角位置上，所述铸模活动侧壁的数量为三个且分别位于底面和两个侧面上，所述耐高温柔性垫的数量为三个且分别夹装在三个铸模主体和三个铸模活动侧壁之间；所述超声振动组件的数量为三个且分别压紧在三个铸模活动侧壁的外壁上，所述止推杆设置在与设置超声振动组件相对的三个正交方向上。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述铸模活动侧壁的壁面厚度h根据公式h＝kh·h0确定，其中，h0为采用有限元仿真的方法确定的临界壁面厚度，kh为铸模活动侧壁的壁面厚度的取值安全系数。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，采用有限元仿真的方法确定临界壁面厚度的具体过程为：
步骤A1、建立尺寸、材质模型：对铸模组件、超声振动组件和止推杆进行尺寸建模，并输入各个零件的材料参数；
步骤A2、建立零件之间的连接关系和边界条件，在零件之间设置摩擦系数，设定止推杆为固定不动，设定超声振动组件的振动函数及振动参数，并划分网格；所述振动参数包括振幅和振动频率；
步骤A3、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看是否报错，当计算过程中报错时，说明材料被破坏，所输入的铸模活动侧壁的壁面厚度小于了临界壁面厚度；当正常完成计算时，说明材料处于正常弹性范围，所输入的铸模活动侧壁的壁面厚度为安全数值；
步骤A4、输入不同的铸模活动侧壁的壁面厚度，进行多次振动过程的模拟计算，找出能够正常完成计算的铸模活动侧壁的最小壁面厚度，确定为临界壁面厚度h0。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述母合金池的底部流出孔处连接有连通到铸模组件内的浇铸管道，所述母合金池内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述超声振动组件包括导向套和设置在导向套内且能够在导向套内滑行运动的超声换能器，所述超声换能器的后端连接有用于带动超声换能器运动的动力机构，所述超声换能器的前端连接有用于压紧铸模组件的外壁的变幅杆。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述动力机构包括气缸和测力计，所述测力计的后端与气缸的活塞推杆连接，所述测力计的前端与超声换能器的后端连接。
上述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，所述变幅杆的长度L的取值在尽量小的情况下满足公式
Figure BDA0002999926830000041
且满足公式L＞kL·(Tw-ΔTi-Tc)/η；其中，m为倍数系数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆内的超声波波长，kL为变幅杆的长度的取值安全系数，Tw为浇铸后铸模组件外表面的最高温度，ΔTi为铸模组件与变幅杆头部传输温度损耗，Tc为超声换能器内部振动晶体的失效温度，η为变幅杆的温降系数。
本发明还公开了一种能够提高超声振动效率、改善金属熔铸条件、促进成分组织均匀化，提高材料性能的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进母合金池内；
步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆固定后，先将铸模组件的外壁靠紧在止推杆上，再将超声振动组件压紧铸模组件的外壁，且使超声振动组件和止推杆相对设置；
步骤三、安装声压传感器：将多个声压传感器均匀布设在铸模组件内，将声压传感器与声信号采集电路连接，并将各个声压传感器的目标声压值输入计算机；
步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件的挤压力F、振幅和振动频率，以及多个超声振动组件之间的相位差；
步骤五、母合金熔炼：对母合金池内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；
步骤六、熔体浇注：将母合金池内的熔体浇注入铸模组件内；
步骤七、相位和振幅反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：
步骤701、计算机根据振动参数初始值，将相位差指令发送给多路信号发生器，将振幅指令发送给多路信号放大器；多路信号发生器发出的电信号传输到多路信号放大器，多路信号放大器放大后的信号输出给超声振动组件，驱动超声振动组件，超声振动组件按照振动参数初始值开始振动；超声振动组件振动过程中，声压传感器在熔体中同时采集多点的声压信号，并将采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路，再传输给计算机，计算机将采集到的声压信号与目标声压值进行比对，得到偏差评估值；
步骤702、计算机将多个超声振动组件之间的相位差作为调控参数，在0～2π的取值范围内，按照设定的步长，更改相位差参数，超声振动组件按照更改相位差后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机将相位差参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的相位差参数确定为最优相位差参数；
步骤703、计算机按照最优相位差参数控制超声振动组件振动，并将多个超声振动组件的振幅作为调控参数，在0～Amax的取值范围内，按照设定的步长，更改振幅参数，超声振动组件按照更改振幅后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机将振幅参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的振幅参数确定为最优振幅参数；其中，Amax为超声振动组件能够达到的最大振幅；
步骤704、计算机显示已找到最优相位差参数和最优振幅参数的提示；
步骤705、计算机按照最优相位差参数和最优振幅参数控制超声振动组件振动，直到合金熔体完全凝固；
步骤706、关闭超声振动组件；
以上工作过程中，计算机实时显示偏差评估值、相位差参数和振幅参数；
步骤八、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件和止推杆，卸载铸模组件，取出铸件。
上述的方法，步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件每个方向的单独振动实验确定，确定其中任意一个方向的挤压力F的具体过程为：
步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；
步骤B2、在材料参数表中查询铸模组件所用材料在熔体浇注入铸模组件内时的温度下的屈服强度和超声振动组件所用材料在浇铸后铸模组件外表面的最高温度下的屈服强度，并取两者的较小值，记为σs；
步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中，KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件5与铸模组件4的接触面积；
步骤B4、设定超声振动组件的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件，计算机将最大振幅指令发送给多路信号放大器，多路信号放大器放大后的信号输出给超声振动组件，驱动超声振动组件，超声振动组件开始振动；超声振动组件振动过程中，在10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机采集任意一个声压传感器检测到的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1-exp(-F/f0)]进行曲线拟合，得到挤压力特征参数f0；其中，U0为饱和声压；
步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数。
上述的方法，所述铸模组件为直四棱柱体形，所述超声振动组件的数量为三个且分别为X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件，所述X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件设置在铸模组件外壁的三个正交方向上，所述止推杆设置在铸模组件外壁的另外三个正交方向上；
步骤三中还将各个声压传感器的坐标数据输入计算机；步骤三中计算机将第i个声压传感器检测到的目标声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,S′i]；步骤七中计算机将第i个声压传感器检测到的声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,Si]；其中，xi为第i个声压传感器的X轴坐标值，yi为第i个声压传感器的Y轴坐标值，zi为第i个声压传感器的Z轴坐标值，i的取值为1～n的自然数，n为声压传感器的总数量；S′i为第i个声压传感器的目标声压值，Si为第i个声压传感器检测到的声压值；
步骤四中所述挤压力F包括X轴超声振动组件的挤压力FX、Y轴超声振动组件的挤压力FY和Z轴超声振动组件的挤压力FZ；
步骤四中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；相位差φ1和相位差φ2的初始值均为0；步骤四中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；振幅AX的初始值为AXmax、振幅AY的初始值为AYmax、振幅AZ的初始值为AZmax；AXmax为X轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AYmax为Y轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AZmax为Z轴超声振动组件能够达到的最大振幅；步骤四中所述振动频率包括X轴超声振动组件的振动频率fX、Y轴超声振动组件的振动频率fY和Z轴超声振动组件的振动频率fZ；
步骤701和步骤702中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；步骤702中所述步长为
Figure BDA0002999926830000071
在0～2π的取值范围内，按照设定的步长并按照相位差φ1和相位差φ2组成二维数组的形式全面取值；
步骤701和步骤703中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；步骤703中所述步长包括振幅AX变化的步长0.1AXmax、振幅AY变化的步长0.1AYmax、振幅AZ变化的步长0.1AZmax，振幅AX在0～AXmax的取值范围内，振幅AY在0～AYmax的取值范围内，振幅AZ在0～AZmax的取值范围内，按照设定的步长并按照振幅AX、振幅AY和振幅AZ组成三维数组的形式全面取值；
步骤701、步骤702和步骤703中所述偏差评估值σ的计算公式为
Figure BDA0002999926830000081
其中，Si′为第i个声压传感器的目标声压值，Si为第i个声压传感器检测到的声压值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将超声振动组件压紧设置在铸模组件的外壁上，即采用了壁面振动的形式，避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题。铸模组件采用了组合式的结构，多个壁面独立振动，减小了超声换能器的负载，提高了超声传递效率，处理熔体时，变幅杆的振动作用完全作用于铸模壁上，减小了超声系统带动铸模整体振动时所承受的负载，延长了设备的工作寿命，实现了更好的超声处理效果。
2、本发明铸模组件采用了组合式的结构，通过设置铸模活动侧壁和耐高温柔性垫，加载多维超声振动时，多维超声之间不会在铸模上相互干扰叠加，产生能量损耗，多束超声波相互叠加作用于熔体内中心及边缘质点，扩大了空化和声流效应的范围，增加了超声能量的传递效率。
3、本发明通过设置金属凝固数据采集及控制器，实现了熔体中声场的自动反馈控制，提出的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固方法，通过声压传感器对熔体中的超声场的空间特性和时间特性进行实时采集，并通过分析矫正操控三维超声的频率、相位、振幅等参数，实现了大体积合金熔体中超声场的有效控制，能够改善金属熔铸条件，促进成分组织均匀化，提高材料性能。
4、本发明给出了变幅杆长度的具体设计方法，避免了在超声振动过程中变幅杆由于过热出现系统故障，中断超声的输出，甚至变幅杆发生塑性变形或者出现裂纹等，造成变幅杆的永久失效，造成凝固过程中超声处理的失效，无法有效改善铸件的微观组织和性能。
5、本发明给出了挤压力F的具体设计方法，既不会因为挤压力太小而导致振动传导效率太低，也不会因为挤压力太大损坏铸模组件，能够有效保证多维超声振动的同时加载。
综上所述，本发明的设计新颖合理，有效提高了超声传递效率，实现了大体积合金熔体中超声场的有效控制，能够改善金属熔铸条件，促进成分组织均匀化，提高材料性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置的结构示意图；
图2为本发明铸模组件的分解结构示意图；
图3为本发明采用ABAQUS软件进行有限元仿真确定临界壁面厚度时建立的铸模组件、超声振动组件和止推杆的模型图；
图4为本发明超声振动组件的结构示意图；
图5为本发明多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固方法的方法流程框图；
图6为本发明确定挤压力F时拟合得到的声压U随着挤压力F变化的曲线图；
图7为本发明模拟试验时声压传感器在铸模组件内的布设位置示意图；
图8为本发明模拟试验时各个不同调控阶段的声压分布曲线图；
图9A为本发明模拟试验中φ1为0、φ2为0时的声压分布图；
图9B为本发明模拟试验中φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000101
时的声压分布图；
图9C为本发明模拟试验中φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000102
时的声压分布图；
图9D为本发明模拟试验中φ1为
Figure BDA0002999926830000103
φ2为
Figure BDA0002999926830000104
时的声压分布图；
图9E为本发明模拟试验中φ1为
Figure BDA0002999926830000105
φ2为
Figure BDA0002999926830000106
时的声压分布图；
图9F为本发明模拟试验中φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000107
时的声压分布图。
附图标记说明:
1—母合金池； 2—塞杆； 3—浇铸管道；
4—铸模组件； 4-1—铸模主体； 4-11—框架结构；
4-12—直角面； 4-13—立柱； 4-2—铸模活动侧壁；
4-3—耐高温柔性垫； 5—超声振动组件； 5-1—变幅杆；
5-2—超声换能器； 5-3—导向套； 5-4—测力计；
5-5—气缸； 5-6—活塞推杆； 6—止推杆；
7—声压传感器； 8—声信号采集电路； 9—计算机；
10—多路信号放大器； 11—多路信号发生器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模组件4和设置在铸模组件4外壁的多个方向上的超声振动组件5，所述铸模组件4的外壁上设置有与超声振动组件5形成对抗力以防止铸模组件4发生移动的止推杆6，所述超声振动组件5和止推杆6均压紧铸模组件4的外壁，所述铸模组件4的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向内铸模组件4浇铸的母合金池1；
所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路8、计算机9、多路信号发生器11和多路信号放大器10，以及布设在铸模组件4内的多个声压传感器7，所述声压传感器7与声信号采集电路8连接；所述超声振动组件5与多路信号放大器10的输出端连接，所述多路信号放大器10与计算机9连接。
本实施例中，所述铸模组件4包括铸模主体和可拆卸且密封连接在铸模主体上的多个活动侧壁，每个所述活动侧壁均通过一个超声振动组件5压紧在铸模主体上。
如图2所示，本实施例中，所述铸模组件4为直四棱柱体形(直四棱柱体具有四个侧面且底面为长方形或正方形)，所述铸模组件4包括铸模主体4-1、铸模活动侧壁4-2和耐高温柔性垫4-3，所述铸模主体4-1包括底部的长方形/正方形框架结构4-11以及设置在框架结构4-11上的直角面4-12和立柱4-13，所述立柱4-13设置在直角面4-12的对角位置上，所述铸模活动侧壁4-2的数量为三个且分别位于底面和两个侧面上，所述耐高温柔性垫4-3的数量为三个且分别夹装在三个铸模主体4-1和三个铸模活动侧壁4-2之间；所述超声振动组件5的数量为三个且分别压紧在三个铸模活动侧壁4-2的外壁上，所述止推杆6设置在与设置超声振动组件5相对的三个正交方向上。
具体实施时，所述长方形/正方形框架结构4-11、直角面4-12和立柱4-13一体成型；所述耐高温柔性垫4-3的形状为U形，所述铸模主体4-1上开有定位孔，所述耐高温柔性垫4-3上开有柔性垫通孔，所述铸模活动侧壁4-2上开有活动侧壁通孔，所述铸模活动侧壁4-2通过穿入活动侧壁通孔、柔性垫通孔和定位孔内的定位销与耐高温柔性垫4-3和铸模主体4-1对齐闭合连接为一体，形成一个完整的铸模组件4；通过止推杆6和超声振动组件5相配合压紧铸模组件4，再通过定位销进行定位，能够防止铸模组件4发生移动。
具体实施时，顶面上设置有四个止推杆6且四个止推杆6分别设置在铸模组件4的四个角上。
本实施例中，所述铸模活动侧壁4-2的壁面厚度h根据公式h＝kh·h0确定，其中，h0为采用有限元仿真的方法确定的临界壁面厚度，kh为铸模活动侧壁4-2的壁面厚度的取值安全系数。
具体实施时，kh的取值范围为1.2～1.5。
本实施例中，采用有限元仿真的方法确定临界壁面厚度的具体过程为：
步骤A1、建立尺寸、材质模型：对铸模组件4、超声振动组件5和止推杆6(即所有与振动传导有关的零件)进行尺寸建模，并输入各个零件的材料参数；
具体实施时，所述材料参数包括密度、弹性模量、泊松比、阻尼和塑性；
步骤A2、建立零件之间的连接关系和边界条件，在零件之间设置摩擦系数，设定止推杆6为固定不动，设定超声振动组件5的振动函数(例如正弦函数)及振动参数，并划分网格；所述振动参数包括振幅和振动频率；
步骤A3、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看是否报错，当计算过程中报错时，说明材料被破坏，所输入的铸模活动侧壁4-2的壁面厚度小于了临界壁面厚度；当正常完成计算时，说明材料处于正常弹性范围，所输入的铸模活动侧壁4-2的壁面厚度为安全数值；
具体实施时，设定时间总长度为
Figure BDA0002999926830000121
步长为
Figure BDA0002999926830000122
f为超声换能器5-2的振动频率。
步骤A4、输入不同的铸模活动侧壁4-2的壁面厚度，进行多次振动过程的模拟计算，找出能够正常完成计算的铸模活动侧壁4-2的最小壁面厚度(精度取两位有效数字)，确定为临界壁面厚度h0。
具体实施时，采用了ABAQUS软件进行有限元仿真，在ABAQUS软件中建立的铸模组件4、超声振动组件5和止推杆6的模型如图3所示。
具体实施时，按照折半查找法，输入在0～C取值范围内不同的铸模活动侧壁4-2的壁面厚度，其中，C为进行有限元仿真时选取的铸模活动侧壁4-2的最大壁面厚度，是根据经验选取安全的C的值。
在确定的振源下，铸模活动侧壁4-2的壁面厚度减小时，振动传递效率提高，但是同时会导致局部应力过大，当铸模活动侧壁4-2的壁面厚度低至一临界壁面厚度时，铸模活动侧壁4-2上的应力最大点达到屈服应力，铸模活动侧壁4-2被破坏。
本实施例中，所述母合金池1的底部流出孔处连接有连通到铸模组件4内的浇铸管道3，所述母合金池1内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆2。
本实施例中，所述声压传感器7的数量为5～20个。每个声传感器能够独立地将其采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路8，再传输给计算机9。
本实施例中，如图4所示，所述超声振动组件5包括导向套5-3和设置在导向套5-3内且能够在导向套5-3内滑行运动的超声换能器5-2，所述超声换能器5-2的后端连接有用于带动超声换能器5-2运动的动力机构，所述超声换能器5-2的前端连接有用于压紧铸模组件4的外壁的变幅杆5-1。
具体实施时，所述变幅杆5-1与超声换能器5-2采用螺纹连接。
本实施例中，所述动力机构包括气缸5-5和测力计5-4，所述测力计5-4的后端与气缸5-5的活塞推杆5-6连接，所述测力计5-4的前端与超声换能器5-2的后端连接。
具体实施时，通过控制气缸5-5内的气流方式和气压大小，能够控制活塞推杆5-6以及其前部测力计5-4、超声换能器5-2和变幅杆5-1的运动，调节超声振动组件5对铸模组件4的挤压力，并由测力计5-4显示挤压力。
具体实施时，要实现变幅杆5-1与铸模组件4之间的相对运动与压力调节，所述动力机构也可以更换为滑轨结合丝杠传动的形式、液压缸传动的形式等，通过驱动电机带动减速机、再带动丝杠运动、丝杠带动超声换能器5-2和变幅杆5-1运动，或通过液压缸带动超声换能器5-2和变幅杆5-1运动。
本实施例中，所述变幅杆5-1的材质选取时需要满足变幅杆5-1的蠕变温度Tr高于浇铸后铸模组件4外表面的最高温度Tw；所述变幅杆5-1的长度L的取值在尽量小的情况下(以减小损耗)满足公式
Figure BDA0002999926830000131
且满足公式L＞kL·(Tw-ΔTi-Tc)/η；其中，m为倍数系数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆5-1内的超声波波长，kL为变幅杆5-1的长度的取值安全系数，ΔTi为铸模组件4与变幅杆5-1头部传输温度损耗，Tc为超声换能器5-2内部振动晶体的失效温度，η为变幅杆5-1的温降系数，表示沿着传热方向单位长度上温度的降低数值。
具体实施时，通过实验测得浇铸后铸模组件4外表面的最高温度Tw，就可以确定变幅杆5-1的蠕变温度Tr，然后根据变幅杆5-1的蠕变温度Tr选取合适材质制作变幅杆5-1。
具体实施时，kL的取值范围为1.2～1.5。
如图5所示，本实施例的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固方法，包括以下步骤：
步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进母合金池1内；
本实施例中，是采用塞杆2塞住所述流出孔后，将多组分合金固体原料装进母合金池1内的；
步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆6固定后(固定到桌面上或其他固定装置上)，先将铸模组件4的外壁靠紧在止推杆6上，再将超声振动组件5压紧铸模组件4的外壁，且使超声振动组件5和止推杆6相对设置；
本实施例中，将定位销穿入活动侧壁通孔、柔性垫通孔和定位孔内，将铸模活动侧壁4-2与耐高温柔性垫4-3和铸模主体4-1对齐闭合连接为一体，形成一个完整的铸模组件4；耐高温柔性垫4-3能够起到密封的作用；
本实施例中，安装超声振动组件5时，调节气缸5-5的气压和进气方向，使变幅杆5-1压紧铸模组件4的外壁；
步骤三、安装声压传感器：将多个声压传感器7均匀布设在铸模组件4内，将声压传感器7与声信号采集电路8连接，并将各个声压传感器7的目标声压值输入计算机；
步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件5的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件5的挤压力F、振幅和振动频率，以及多个超声振动组件5之间的相位差；
步骤五、母合金熔炼：对母合金池1内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；
具体实施时，加热采用高频感应加热、电阻炉加热等加热方式；加热温度需要比液态完全混熔温度高100℃以上，保温30min；
步骤六、熔体浇注：将母合金池1内的熔体浇注入铸模组件4内；
具体实施时，是移除塞杆2，母合金池1内的熔体通过底部流出孔和浇铸管道3流入铸模组件4内；另外，在不设置浇铸管道3和塞杆2的情况下，还可以采用侧翻倾倒模式，将将母合金池1内的熔体浇注入铸模组件4内；
步骤七、相位和振幅反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：
步骤701、计算机9根据振动参数初始值，将相位差指令发送给多路信号发生器11，将振幅指令发送给多路信号放大器10；多路信号发生器11发出的电信号传输到多路信号放大器10，多路信号放大器10放大后的信号输出给超声振动组件5，驱动超声振动组件5，超声振动组件5按照振动参数初始值开始振动；超声振动组件5振动过程中，声压传感器7在熔体中同时采集多点的声压信号，并将采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路8，再传输给计算机9，计算机9将采集到的声压信号与目标声压值进行比对，得到偏差评估值；
步骤702、计算机9将多个超声振动组件5之间的相位差作为调控参数，在0～2π的取值范围内，按照设定的步长，更改相位差参数，超声振动组件5按照更改相位差后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机9将相位差参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的相位差参数确定为最优相位差参数；
步骤703、计算机9按照最优相位差参数控制超声振动组件5振动，并将多个超声振动组件5的振幅作为调控参数，在0～Amax的取值范围内，按照设定的步长，更改振幅参数，超声振动组件5按照更改振幅后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机9将振幅参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的振幅参数确定为最优振幅参数；其中，Amax为超声振动组件5能够达到的最大振幅；
步骤704、计算机9显示已找到最优相位差参数和最优振幅参数的提示；工作人员看到提示后，可以移出多个声压传感器7；
步骤705、计算机9按照最优相位差参数和最优振幅参数控制超声振动组件5振动，直到合金熔体完全凝固；
步骤706、关闭超声振动组件5；
以上工作过程中，计算机9实时显示偏差评估值、相位差参数和振幅参数；工作人员根据显示的偏差评估值能够看出相位差参数和振幅参数的优劣程度；偏差评估值越小，说明相对应的相位差参数或振幅参数越好。
步骤八、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件5和止推杆6，卸载铸模组件4，取出铸件。
本实施例中，步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件5每个方向的单独振动实验确定，确定其中任意一个方向的挤压力F的具体过程为：
步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；
步骤B2、在材料参数表中查询铸模组件4所用材料在熔体浇注入铸模组件4内时的温度下的屈服强度和超声振动组件5所用材料在浇铸后铸模组件4外表面的最高温度下的屈服强度，并取两者的较小值，记为σs；
步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中，KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件5与铸模组件4的接触面积；
步骤B4、设定超声振动组件5的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件5，计算机9将最大振幅指令发送给多路信号放大器10，多路信号放大器10放大后的信号输出给超声振动组件5，驱动超声振动组件5，超声振动组件5开始振动；超声振动组件5振动过程中，在10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机9采集任意一个声压传感器7检测到的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1-exp(-F/f0)]进行曲线拟合，得到挤压力特征参数f0；其中，U0为饱和声压；
具体实施时，更改挤压力F的值5～20次；
步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数，取值范围为2～4。
具体实施时，当kf的取值为3，且将挤压力F的最优取值取为3f0时，声压U能够达到饱和声压U0的95％左右。
例如，采用本发明的装置和方法对某铝硅合金进行凝固时，该铝合金熔体最高温度为700℃，浇铸后铸模组件4外表面的最高温度为600℃，在材料参数表中查表得到铸模组件4所用材料45#钢在700℃下的屈服强度为50MPa，超声振动组件5中的变幅杆5-1所用材料45#钢在600℃下的屈服强度为100MPa，σs取50Mpa；超声振动组件5与铸模组件4的接触面积S是1cm2，将KF的值取为0.8，将σs和S的取值带入公式KFσs·S，计算得到4000牛顿，因此，挤压力F的取值范围为10牛顿～4000牛顿；对F取值为23、45、98、196、294、392牛顿，分别采集声压传感器7检测到的声压值，按照U＝U0[1-exp(-F/f0)]进行曲线拟合，得到的声压U随着挤压力F变化的曲线图如图6所示，得到饱和声压U0为216dB，挤压力特征参数f0为36.2牛顿，再将kf的值取为3，计算得到kff0为108.6牛顿，KFσs·S为4000牛顿，因此，将kff0确定为挤压力F的最优取值，即挤压力F的最优取值为108.6牛顿，此时，U为205dB，其为饱和声压U0的95％。
本实施例中，所述铸模组件4为直四棱柱体形(直四棱柱体具有四个侧面且底面为长方形或正方形)，所述超声振动组件5的数量为三个且分别为X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件，所述X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件设置在铸模组件4外壁的三个正交方向上，所述止推杆6设置在铸模组件4外壁的另外三个正交方向上；
步骤三中还将各个声压传感器7的坐标数据输入计算机；步骤三中计算机9将第i个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,Si′]；步骤七中计算机9将第i个声压传感器7检测到的声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,Si]；其中，xi为第i个声压传感器7的X轴坐标值，yi为第i个声压传感器7的Y轴坐标值，zi为第i个声压传感器7的Z轴坐标值，i的取值为1～n的自然数，n为声压传感器7的总数量；Si′为第i个声压传感器7的目标声压值，Si为第i个声压传感器7检测到的声压值；
步骤四中所述挤压力F包括X轴超声振动组件的挤压力FX、Y轴超声振动组件的挤压力FY和Z轴超声振动组件的挤压力FZ；
步骤四中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；相位差φ1和相位差φ2的初始值均为0；步骤四中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；振幅AX的初始值为AXmax、振幅AY的初始值为AYmax、振幅AZ的初始值为AZmax；AXmax为X轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AYmax为Y轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AZmax为Z轴超声振动组件能够达到的最大振幅；步骤四中所述振动频率包括X轴超声振动组件的振动频率fX、Y轴超声振动组件的振动频率fY和Z轴超声振动组件的振动频率fZ；
步骤701和步骤702中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；步骤702中所述步长为
Figure BDA0002999926830000181
在0～2π的取值范围内，按照设定的步长并按照相位差φ1和相位差φ2组成二维数组的形式全面取值；
具体实施时，二维数组表示为
Figure BDA0002999926830000182
i′的取值为0～32的整数，j′的取值为为0～32的整数；即取值为[0,0]，[0,π/16]，[0,π/8],…，[0,2π],[π/16,0],…，[π/16,2π],……，[2π,15π/16]，[2π,2π]；
步骤701和步骤703中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；步骤703中所述步长包括振幅AX变化的步长0.1AXmax、振幅AY变化的步长0.1AYmax、振幅AZ变化的步长0.1AZmax，振幅AX在0～AXmax的取值范围内，振幅AY在0～AYmax的取值范围内，振幅AZ在0～AZmax的取值范围内，按照设定的步长并按照振幅AX、振幅AY和振幅AZ组成三维数组的形式全面取值；
具体实施时，振幅参数以三维数组表示为[AX,AY，AZ]＝[0.1i″AXmax，0.1j″AYmax，0.1z″AZmax]，i″，j″，z″各自独立取值为0～10的整数，即三维数组取值为[AXmax,AYmax,AZmax]、[AXmax,AYmax,0.9AZmax]…，[AXmax,AYmax,0]…，[0,0,0]；
步骤701、步骤702和步骤703中所述偏差评估值σ的计算公式为
Figure BDA0002999926830000191
其中，Si′为第i个声压传感器7的目标声压值，Si为第i个声压传感器7检测到的声压值。
为了验证本发明的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置的技术效果，进行了模拟试验，试验采用的铸模组件4是边长为5cm的立方体形，期望得到一个对角线方向的线性梯度声压场，如图7所示，在对角线上均布6个声压传感器7；
步骤三中计算机9将第1个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[0,0,0,0]，将第2个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[1,1,1,0.106]，将第3个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[2,2,2,0.212]，将第4个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[3,3,3,0.32]，将第5个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[4,4,4,0.424]，将第6个声压传感器7检测到的目标声压值以数组的形式记录为[5,5,5,0.53]，目标声压值的单位为MPa；
步骤四中设定的X轴超声振动组件的挤压力FX为108.6牛顿，Y轴超声振动组件的挤压力FY为108.6牛顿，Z轴超声振动组件的挤压力FZ为108.6牛顿，X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1为0，X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2为0，振动频率为20kHz，X轴超声振动组件的振幅AX为20μm，Y轴超声振动组件的振幅AY为20μm，Z轴超声振动组件的振幅AZ为20μm；
振动开始后，得到初始声压分布曲线如图8中点状线所示；执行完步骤702后，得到最优相位差参数为：X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1为
Figure BDA0002999926830000201
X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2为
Figure BDA0002999926830000202
计算机9按照最优相位差参数控制超声振动组件5振动时声压分布曲线如图8中虚线所示；执行完步骤703后，得到最优振幅参数为：X轴超声振动组件的振幅AX为0μm，Y轴超声振动组件的振幅AY为20μm，Z轴超声振动组件的振幅AZ为20μm；计算机9按照最优相位差参数和最优振幅参数控制超声振动组件5振动时声压分布曲线如图8中实线所示；此时的偏差评估值最小，为8.5％。
为了较为全面地验证更多情况下壁面振动三维超声金属凝固的调控可能性，使用COMSOL软件，在X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅和Z轴超声振动组件的振幅AZ的振幅不变的条件下，进行了系列相位差参数下的声压分布计算，得到φ1为0、φ2为0时的声压分布图如图9A所示，得到φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000203
时的声压分布图如图9B所示，得到φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000204
时的声压分布图如图9C所示，得到φ1为
Figure BDA0002999926830000205
φ2为
Figure BDA0002999926830000206
时的声压分布图如图9D所示，得到φ1为
Figure BDA0002999926830000207
φ2为
Figure BDA0002999926830000208
时的声压分布图如图9E所示，得到φ1为0、φ2为
Figure BDA0002999926830000209
时的声压分布图如图9F所示，从图9A～图9F可以看出，不同相位差的振动可以产生截然不同的声压场特征，图9A具有显著的匀强场特征并且整体能量较高，图9C具有顶面上的较大声压梯度，图9D具有体对角线上的大声压梯度(这与以上图8所述优化验证实验结果是相符)；步骤702中对相位差参数进行调控寻求最后相位差参数，是非常有意义的；经过步骤702进行相位差参数调控，步骤703进行振幅参数调控，能够获得最优的振动效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (11)

1.一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模组件(4)和设置在铸模组件(4)外壁的多个方向上的超声振动组件(5)，所述铸模组件(4)的外壁上设置有与超声振动组件(5)形成对抗力以防止铸模组件(4)发生移动的止推杆(6)，所述超声振动组件(5)和止推杆(6)均压紧铸模组件(4)的外壁，所述铸模组件(4)的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向内铸模组件(4)浇铸的母合金池(1)；
所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路(8)、计算机(9)、多路信号发生器(11)和多路信号放大器(10)，以及布设在铸模组件(4)内的多个声压传感器(7)，所述声压传感器(7)与声信号采集电路(8)连接；所述超声振动组件(5)与多路信号放大器(10)的输出端连接，所述多路信号放大器(10)与计算机(9)连接；
所述铸模组件(4)包括铸模主体和可拆卸且密封连接在铸模主体上的多个活动侧壁，每个所述活动侧壁均通过一个超声振动组件(5)压紧在铸模主体上。
2.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模组件(4)为直四棱柱体形，所述铸模组件(4)包括铸模主体(4-1)、铸模活动侧壁(4-2)和耐高温柔性垫(4-3)，所述铸模主体(4-1)包括底部的长方形/正方形框架结构(4-11)以及设置在框架结构(4-11)上的直角面(4-12)和立柱(4-13)，所述立柱(4-13)设置在直角面(4-12)的对角位置上，所述铸模活动侧壁(4-2)的数量为三个且分别位于底面和两个侧面上，所述耐高温柔性垫(4-3)的数量为三个且分别夹装在三个铸模主体(4-1)和三个铸模活动侧壁(4-2)之间；所述超声振动组件(5)的数量为三个且分别压紧在三个铸模活动侧壁(4-2)的外壁上，所述止推杆(6)设置在与设置超声振动组件(5)相对的三个正交方向上。
3.按照权利要求2所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度h根据公式h＝kh·h0确定，其中，h0为采用有限元仿真的方法确定的临界壁面厚度，kh为铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度的取值安全系数。
4.按照权利要求3所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：采用有限元仿真的方法确定临界壁面厚度的具体过程为：
步骤A1、建立尺寸、材质模型：对铸模组件(4)、超声振动组件(5)和止推杆(6)进行尺寸建模，并输入各个零件的材料参数；
步骤A2、建立零件之间的连接关系和边界条件，在零件之间设置摩擦系数，设定止推杆(6)为固定不动，设定超声振动组件(5)的振动函数及振动参数，并划分网格；所述振动参数包括振幅和振动频率；
步骤A3、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看是否报错，当计算过程中报错时，说明材料被破坏，所输入的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度小于了临界壁面厚度；当正常完成计算时，说明材料处于正常弹性范围，所输入的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度为安全数值；
步骤A4、输入不同的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度，进行多次振动过程的模拟计算，找出能够正常完成计算的铸模活动侧壁(4-2)的最小壁面厚度，确定为临界壁面厚度h0。
5.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述母合金池(1)的底部流出孔处连接有连通到铸模组件(4)内的浇铸管道(3)，所述母合金池(1)内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆(2)。
6.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述超声振动组件(5)包括导向套(5-3)和设置在导向套(5-3)内且能够在导向套(5-3)内滑行运动的超声换能器(5-2)，所述超声换能器(5-2)的后端连接有用于带动超声换能器(5-2)运动的动力机构，所述超声换能器(5-2)的前端连接有用于压紧铸模组件(4)的外壁的变幅杆(5-1)。
7.按照权利要求6所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述动力机构包括气缸(5-5)和测力计(5-4)，所述测力计(5-4)的后端与气缸(5-5)的活塞推杆(5-6)连接，所述测力计(5-4)的前端与超声换能器(5-2)的后端连接。
8.按照权利要求6所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述变幅杆(5-1)的长度L的取值在尽量小的情况下满足公式
Figure FDA0003421680200000031
且满足公式L＞kL·(Tw-ΔTi-Tc)/η；其中，m为倍数系数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆(5-1)内的超声波波长，kL为变幅杆(5-1)的长度的取值安全系数，Tw为浇铸后铸模组件(4)外表面的最高温度，ΔTi为铸模组件(4)与变幅杆(5-1)头部传输温度损耗，Tc为超声换能器(5-2)内部振动晶体的失效温度，η为变幅杆(5-1)的温降系数。
9.一种采用如权利要求1所述金属凝固装置进行多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进母合金池(1)内；
步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆(6)固定后，先将铸模组件(4)的外壁靠紧在止推杆(6)上，再将超声振动组件(5)压紧铸模组件(4)的外壁，且使超声振动组件(5)和止推杆(6)相对设置；
步骤三、安装声压传感器：将多个声压传感器(7)均匀布设在铸模组件(4)内，将声压传感器(7)与声信号采集电路(8)连接，并将各个声压传感器(7)的目标声压值输入计算机(9)；
步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件(5)的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件(5)的挤压力F、振幅和振动频率，以及多个超声振动组件(5)之间的相位差；
步骤五、母合金熔炼：对母合金池(1)内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；
步骤六、熔体浇注：将母合金池(1)内的熔体浇注入铸模组件(4)内；
步骤七、相位和振幅反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：
步骤701、计算机(9)根据振动参数初始值，将相位差指令发送给多路信号发生器(11)，将振幅指令发送给多路信号放大器(10)；多路信号发生器(11)发出的电信号传输到多路信号放大器(10)，多路信号放大器(10)放大后的信号输出给超声振动组件(5)，驱动超声振动组件(5)，超声振动组件(5)按照振动参数初始值开始振动；超声振动组件(5)振动过程中，声压传感器(7)在熔体中同时采集多点的声压信号，并将采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路(8)，再传输给计算机(9)，计算机(9)将采集到的声压信号与目标声压值进行比对，得到偏差评估值；
步骤702、计算机(9)将多个超声振动组件(5)之间的相位差作为调控参数，在0～2π的取值范围内，按照设定的步长，更改相位差参数，超声振动组件(5)按照更改相位差后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机(9)将相位差参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的相位差参数确定为最优相位差参数；
步骤703、计算机(9)按照最优相位差参数控制超声振动组件(5)振动，并将多个超声振动组件(5)的振幅作为调控参数，在0～Amax的取值范围内，按照设定的步长，更改振幅参数，超声振动组件(5)按照更改振幅后的振动参数振动，偏差评估值随之改变；计算机(9)将振幅参数的整个取值范围内偏差评估值最小时对应的振幅参数确定为最优振幅参数；其中，Amax为超声振动组件(5)能够达到的最大振幅；
步骤704、计算机(9)显示已找到最优相位差参数和最优振幅参数的提示；
步骤705、计算机(9)按照最优相位差参数和最优振幅参数控制超声振动组件(5)振动，直到合金熔体完全凝固；
步骤706、关闭超声振动组件(5)；
以上工作过程中，计算机(9)实时显示偏差评估值、相位差参数和振幅参数；
步骤八、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件(5)和止推杆(6)，卸载铸模组件(4)，取出铸件。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件(5)每个方向的单独振动实验确定，确定其中任意一个方向的挤压力F的具体过程为：
步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；
步骤B2、在材料参数表中查询铸模组件(4)所用材料在熔体浇注入铸模组件(4)内时的温度下的屈服强度和超声振动组件(5)所用材料在浇铸后铸模组件(4)外表面的最高温度下的屈服强度，并取两者的较小值，记为σs；
步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中，KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件5与铸模组件4的接触面积；
步骤B4、设定超声振动组件(5)的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件(5)，计算机(9)将最大振幅指令发送给多路信号放大器(10)，多路信号放大器(10)放大后的信号输出给超声振动组件(5)，驱动超声振动组件(5)，超声振动组件(5)开始振动；超声振动组件(5)振动过程中，在10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机(9)采集任意一个声压传感器(7)检测到的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1-exp(-F/f0)]进行曲线拟合，得到挤压力特征参数f0；其中，U0为饱和声压；
步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数。
11.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述铸模组件(4)为直四棱柱体形，所述超声振动组件(5)的数量为三个且分别为X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件，所述X轴超声振动组件、Y轴超声振动组件和Z轴超声振动组件设置在铸模组件(4)外壁的三个正交方向上，所述止推杆(6)设置在铸模组件(4)外壁的另外三个正交方向上；
步骤三中还将各个声压传感器(7)的坐标数据输入计算机；步骤三中计算机(9)将第i个声压传感器(7)检测到的目标声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,S′i]；步骤七中计算机(9)将第i个声压传感器(7)检测到的声压值以数组的形式记录为[xi,yi,zi,Si]；其中，xi为第i个声压传感器(7)的X轴坐标值，yi为第i个声压传感器(7)的Y轴坐标值，zi为第i个声压传感器(7)的Z轴坐标值，i的取值为1～n的自然数，n为声压传感器(7)的总数量；S′i为第i个声压传感器(7)的目标声压值，Si为第i个声压传感器(7)检测到的声压值；
步骤四中所述挤压力F包括X轴超声振动组件的挤压力FX、Y轴超声振动组件的挤压力FY和Z轴超声振动组件的挤压力FZ；
步骤四中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；相位差φ1和相位差φ2的初始值均为0；步骤四中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；振幅AX的初始值为AXmax、振幅AY的初始值为AYmax、振幅AZ的初始值为AZmax；AXmax为X轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AYmax为Y轴超声振动组件能够达到的最大振幅，AZmax为Z轴超声振动组件能够达到的最大振幅；步骤四中所述振动频率包括X轴超声振动组件的振动频率fX、Y轴超声振动组件的振动频率fY和Z轴超声振动组件的振动频率fZ；
步骤701和步骤702中所述相位差包括X轴超声振动组件和Y轴超声振动组件的相位差φ1以及X轴超声振动组件和Z轴超声振动组件的相位差φ2；步骤702中所述步长为
Figure FDA0003421680200000071
在0～2π的取值范围内，按照设定的步长并按照相位差φ1和相位差φ2组成二维数组的形式全面取值；
步骤701和步骤703中所述振幅包括X轴超声振动组件的振幅AX、Y轴超声振动组件的振幅AY和Z轴超声振动组件的振幅AZ；步骤703中所述步长包括振幅AX变化的步长0.1AXmax、振幅AY变化的步长0.1AYmax、振幅AZ变化的步长0.1AZmax，振幅AX在0～AXmax的取值范围内，振幅AY在0～AYmax的取值范围内，振幅AZ在0～AZmax的取值范围内，按照设定的步长并按照振幅AX、振幅AY和振幅AZ组成三维数组的形式全面取值；
步骤701、步骤702和步骤703中所述偏差评估值σ的计算公式为
Figure FDA0003421680200000072
其中，S′i为第i个声压传感器(7)的目标声压值，Si为第i个声压传感器(7)检测到的声压值。
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