CN113333715B - 基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，包括：步骤1，材料准备；步骤2，安装压力传感器并与示波器连接；步骤3，根据设定初始充型阻力系数计算初始背压力；步骤4，低压铸造背压力记录；步骤5，修正充型压力曲线；步骤6，低压铸造背压力记录；计算当前轮次和上一轮次的低压铸造背压力的平均绝对误差ΔQ，若平均绝对误差ΔQ≤5mbar，则停止循环；若平均绝对误差ΔQ≥5mbar，则继续修正充型压力曲线；如此循环往复，最终得到满足条件的修正后的充型压力曲线。本发明能够精准地设计出充型压力曲线。
Description
技术领域
本发明属于有色金属低压铸造技术领域，具体涉及一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法。
背景技术
低压铸造是在密封的且装有能保持一定温度金属液的保温炉中通入经过干燥的压缩空气(或惰性气体)，金属液在一定的气压作用下，沿升液管自下而上经浇道注入型腔，待充满铸型后增大压力，一直保持到铸件完全凝固，然后解除压力，使升液管和浇道中未凝固的金属液回落到保温炉中，最后开模取件。由于金属液充型是在外界压力作用下强迫流动的，因此低压铸造充型压力曲线的设计好坏对于控制金属液在型腔中的流动状态有着直接影响。充型速度太快，充型过程金属液流动不平稳，以及型腔中的气体来不及排出，均会形成较大的背压力(又称反压力)，会产生紊流、飞溅和氧化，从而形成气孔、表面“冻纹”和氧化夹渣等缺陷；充型速度太慢，对于形状复杂的薄壁铸件，尤其是采用金属型时，容易产生冷隔、浇不足等缺陷。
目前，行业内普遍采用的做法是在设计充型压力曲线时，考虑到充型背压力的影响，人为地增加充型阻力系数(一般取1.0～1.5)。但是，这样的做法存在明显的不足之处：首先，充型阻力系数的确定更多的依靠专家或工艺人员的现场经验，但现实中模具排气状态、铸件结构种类变化千差万别，难以有效固化和传承；其次，传统经验将充型阻力系数考虑为恒定值，这也是不合理的，因为在充型时，型腔内空气受热膨胀，给金属液的“反压力”是波动的，而不是线性变化的，用常规设计方法难以控制平稳的充型速度。
因此，有必要开发一种新的基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，能精准设计出充型压力曲线。
本发明所述的一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，包括以下步骤：
步骤1，材料准备，具体包括金属模具、金属模具固定及开合装置、砂芯组、示波器、压力传感器、浇口杯、保温炉和金属铝液；
步骤2，在金属模具的上模具型腔顶部开设孔，将压力传感器埋入该孔并固定，同时将压力传感器与示波器连接；
步骤3，设定初始充型阻力系数为λ0，根据λ0设计出初始的充型压力曲线P0(t)，并计算出所假定的初始背压力曲线Q0(t)，具体为：
首先根据液体压强公式P＝ρ*g*h计算出将密度为ρ的液体升至高度h所需要的压力P， g为重力常数,这一过程在充型阻力系数为λ0，时间Δt内匀速充型完成，则得出P0(t)＝(ρ *g*h*λ0)*(t/Δt)，再通过Q0(t)＝P0(t)-(ρ*g*h)*(t/Δt)计算得出所假定的初始背压力曲线Q0(t)；
步骤4，安装好模具后，根据充型压力曲线P0(t)进行第1轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Q1(t)；
步骤5，将Q1(t)与Q0(t)比较，若Q1(t)整体比Q0(t)大或Q1(t)整体比Q0(t)小，则需要对充型压力曲线P0(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线P1(t)；其中，对P0(t)进行修正的方法为：P1(t)＝P0(t)+Q1(t)-Q0(t)；
步骤6，设定i的初始值为1，重复执行以下各步骤：
6a.根据充型压力曲线Pi(t)进行第i+1轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Qi+1(t)；
6b.根据Qi+1(t)与Qi(t)计算第i+1轮次和第i轮次的低压铸造背压力的平均绝对误差△Q，若平均绝对误差△Q大于等于预设压力阈值，则对Pi(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线Pi+1(t)，其中，对Pi(t)进行修正的方法为：Pi+1(t)＝Pi(t)+Qi+1(t)-Qi(t)；令i＝i+1，并返回步骤6a；若平均绝对误差△Q小于预设压力阈值时，则停止循环，得到满足条件的充型压力曲线Pi(t)。
可选地，所述步骤2中，压力传感器的探头露出型腔表面的高度不超过0.5mm。
可选地，所述步骤3中，所述λ0取值范围为1≤λ0≤1.5。
可选地，所述预设压力阈值为5mbar。
本发明具有以下优点：
(1)科学的精准工艺设计：本发明所述方法通过实际背压力的测量并融入到充型压力曲线设计中，避免了现有传统方法按照经验进行设计，消除了人为因素的不利影响，故能够精准地设计出充型压力曲线；
(2)提升了铸件质量：本发明所述方法设计出的充型压力曲线最大限度地实现了低压匀速平稳充型，避免了金属液紊流、飞溅，有效地改善了铸件成型质量；
(3)节创价值高：借助于本发明，企业能够实时地监测充型过程中背压力变化是否存在异常情况，及时地排查异常并解决，避免了目前在不知情的情况下继续生产不合格品的情况，有效降低了企业生产成本。
附图说明
图1为本实施例的流程图；
图2为本实施例中低压铸造模型示意图；
图3为采用传统方法与本实施例中所述方法设计出的充型压力曲线对比图；
图中：1、金属模具，2、金属模具固定及开合装置，3、砂芯组，4、示波器，5、压力传感器，6、浇口杯，7、保温炉，8、金属铝液，9、充型背压力曲线，10、传统设计压力曲线，11、变斜率的充型压力曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本实施例中，一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，以下某汽车用低压铸造铝合金发动机缸盖铸件进行充型压力曲线设计为例，其设计方法包括以下步骤：
步骤1，材料准备：材料包括金属模具1、金属模具固定及开合装置2、砂芯组3、示波器4、压力传感器5及相关导线、浇口杯6、保温炉7和金属铝液8。
步骤2，安装压力传感器并与示波器连接：在金属模具1的上模具型腔顶部开设孔，将压力传感器5埋入该孔并固定，压力传感器5需露出型腔表面高度不超过0.5mm(本实施例中，约0.3mm)，同时将压力传感器5与示波器4连接，以便实时获取检测压力值随时间变化曲线。
步骤3，根据设定初始充型阻力系数计算初始背压力：设定初始充型阻力系数为λ0，λ0取值范围为1≤λ0≤1.5，本实施例中，λ0取值为1.4；根据λ0设计出初始的充型压力曲线P0(t)，并计算出所假定的初始背压力曲线Q0(t)。
本实施例中，首先根据液体压强公式P＝ρ*g*h计算出将密度为ρ的液体升至高度h所需要的压力P，g为重力常数,这一过程在充型阻力系数为λ0，时间Δt内匀速充型完成，则得出P0(t)＝(ρ*g*h*λ0)*(t/Δt)，再通过Q0(t)＝P0(t)-(ρ*g*h)*(t/Δt)计算得出所假定的初始背压力曲线Q0(t)。
步骤4，低压铸造背压力记录：安装好模具后，根据初始充型压力曲线P0(t)进行第1 轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Q1(t)。
步骤5，修正充型压力曲线：将Q1(t)与Q0(t)比较，若Q1(t)整体比Q0(t)大或Q1(t)整体比Q0(t)小，则需要对充型压力曲线P0(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线P1(t)；其中，对P0(t)进行修正的方法为：P1(t)＝P0(t)+Q1(t)-Q0(t)。
本实施例中，Q1(t)和Q0(t)为背压力随时间变化的曲线，当Q1(t)所对应的曲线在Q0(t) 所对应的曲线的上方，则表示Q1(t)整体比Q0(t)大，说明初始充型阻力系数为λ0比实际值偏低，需要对充型压力曲线P0(t)进行修正。当Q1(t)所对应的曲线在Q0(t)所对应的曲线的下方，则表示Q1(t)整体比Q0(t)小，则说明初始充型阻力系数为λ0比实际值偏高，需要对充型压力曲线P0(t)进行修正。
步骤6，设定i的初始值为1，重复执行以下各步骤：
6a.低压铸造背压力记录：根据充型压力曲线Pi(t)进行第i+1轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Qi+1(t)。
6b.将△Q与预设压力阈值进行判断：根据Qi+1(t)与Qi(t)计算第i+1轮次和第i轮次的低压铸造背压力的平均绝对误差△Q，若平均绝对误差△Q大于等于预设压力阈值，则对 Pi(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线Pi+1(t)，其中，对Pi(t)进行修正的方法为：Pi+1(t)＝Pi(t)+Qi+1(t)-Qi(t)；令i＝i+1，并返回步骤6a；若平均绝对误差△Q小于预设压力阈值时，则停止循环，得到满足条件的充型压力曲线Pi(t)。
本实施例中，在计算相邻两轮次低压铸造背压力平均绝对误差时，由于背压力Q随时间t是连续性变化的，为便于近似求出背压力平均绝对误差，可将时间t划分为n等分，求和后取平均值，具体为：
。
如图3所示，为传统充型压力曲线10与采用本实施例中所述方法设计出充型压力曲线 11的对比图。结果显示由于充型过程中，模具型腔中空气被不断加热，同时随着充型的进行，有效排气面积在不断减小，充型背压力在逐渐增大(参见图3中的充型背压力曲线9)，且不是线性增加，而是先慢后快。通过本实施例中所述方法得到的变斜率的充型压力曲线 11，通过不断抵消增加的背压力，实现金属液匀速平稳的充型。
本方法能够实时地监控充型过程中型腔内的背压力随时间变化的规律，从而精准地设计出充型压力曲线，确保了金属液匀速平稳地充型。
通过金属液充型过程背压力的检测，调整充型压力曲线，从而改变充型状态，但是充型状态的改变反过来又会影响充型背压力，因此本方法还提供一种逼近真实背压力计算的方法(即通过m次循环后，逐步逼近后的满足Qm(t)-Qm-1(t)绝对误差小于5mbar条件的真实背压力值)。本实施例中的方法不仅弥补了传统低压充型压力曲线设计考虑不足之外，还减少了由于充型导致的铸件缺陷，另外还能够及时发现在实际生产过程中，背压力异常情况(砂芯发气冷凝形成焦油堵塞排气通道、金属液钻入排气顶杆或分型间隙堵塞排气、排气塞脱落等等)，及时排查并发现问题，避免继续生产报废品，降低了企业生产成本。
Claims (4)
1.一种基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，材料准备，具体包括金属模具(1)、金属模具固定及开合装置(2)、砂芯组(3)、示波器(4)、压力传感器(5)、浇口杯(6)、保温炉(7)和金属铝液(8)；
步骤2，在金属模具(1)的上模具型腔顶部开设孔，将压力传感器(5)埋入该孔并固定，同时将压力传感器(5)与示波器(4)连接；
步骤3，设定初始充型阻力系数为λ0，根据λ0设计出初始的充型压力曲线P0(t)，并计算出所假定的初始背压力曲线Q0(t)，具体为：
首先根据液体压强公式P＝ρ*g*h计算出将密度为ρ的液体升至高度h所需要的压力P，g为重力常数,这一过程在充型阻力系数为λ0，时间Δt内匀速充型完成，则得出P0(t)＝(ρ*g*h*λ0)*(t/Δt)，再通过Q0(t)＝P0(t)-(ρ*g*h)*(t/Δt)计算得出所假定的初始背压力曲线Q0(t)；
步骤4，安装好模具后，根据充型压力曲线P0(t)进行第1轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Q1(t)；
步骤5，将Q1(t)与Q0(t)比较，若Q1(t)整体比Q0(t)大或Q1(t)整体比Q0(t)小，则需要对充型压力曲线P0(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线P1(t)；其中，对P0(t)进行修正的方法为：P1(t)＝P0(t)+Q1(t)-Q0(t)；
步骤6，设定i的初始值为1，重复执行以下各步骤：
6a.根据充型压力曲线Pi(t)进行第i+1轮次低压充型铸造，通过示波器输出得到充型背压力随时间变化曲线Qi+1(t)；
6b.根据Qi+1(t)与Qi(t)计算第i+1轮次和第i轮次的低压铸造背压力的平均绝对误差△Q，若平均绝对误差△Q大于等于预设压力阈值，则对Pi(t)进行修正，得到修正后的充型压力曲线Pi+1(t)，其中，对Pi(t)进行修正的方法为：Pi+1(t)＝Pi(t)+Qi+1(t)-Qi(t)；将i+1的值重新赋予给i，并返回步骤6a；若平均绝对误差△Q小于预设压力阈值时，则停止循环，得到满足条件的充型压力曲线Pi(t)；
其中，△Q的计算方法为：
将时间t划分为n等分，求和后取平均值，具体为：
2.根据权利要求1所述的基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，其特征在于：所述步骤2中，压力传感器的探头露出型腔表面的高度不超过0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，其特征在于：所述步骤3中，所述λ0取值范围为1≤λ0≤1.5。
4.根据权利要求3所述的基于背压力的低压铸造充型压力曲线设计方法，其特征在于：所述预设压力阈值为5mbar。
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