CN114309476B - 一种金属铸型超声波辅助铸造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属铸型超声波辅助铸造方法及装置，本发明的方法包括如下步骤：S1、对金属铸型进行三维建模；S2、将创建的金属铸型三维模型直接或间接导入到振动仿真软件中；S3、对所创建的金属铸型三维模型进行超声波谐振分析，确定超声装置施加的形式；S4、根据振动仿真软件确定的超声装置施加的形式，在实际金属铸型上施加相应的超声装置；S5、在采用金属铸型铸造过程中，开启超声装置进行辅助铸造。本发明通过软件仿真的形式，对三维建模进行施加超声装置后进行谐振分析，通过谐振分析获取超声装置的最佳施加方式，既能够有效促进金属液在金属铸型型腔内的流动，特别适用于薄壁件的铸造和加工，还能够提升超声装置的使用寿命。

Description

一种金属铸型超声波辅助铸造方法及装置

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，具体地说是一种金属铸型超声波辅助铸造 方法及装置。

背景技术

金属的铸造成型是指将熔融的金属液浇注到特定形状的铸型，待冷却凝固 后获得铸件的方法，铸型的材质一般为砂型、陶瓷型、金属铸型等。其中砂型 是最为传统的铸型，通常用硅砂加粘结剂制作，而现在随着铝合金等有色合金 铸造的发展，金属铸型应用越来越为广泛，金属铸型故名思意，相对于砂型铸 型即为通过金属代替传统硅砂，而相对于砂型，金属铸型的使用寿命长，可以反复使用，多用于有色金属铸造，如铝合金、镁合金的铸造常采用金属作为铸 型。

但是采用金属铸型也存在着明显的局限性：金属铸型透气性差、无退让性、 对金属液的激冷作用强等，这使得铸造过程中铸件凝固快，容易造成卷气、铸 件浇不足、开裂等缺陷，这些问题在铸造薄壁、形状复杂的铸件时尤为突出， 导致废品率增高。为解决上述问题，尤其是为生产复杂铸件，人们在铸造过程 中对金属液施加压力，相应的产生了低压铸造和、差压铸造、高压铸造等方法，但这些方法对设备要求高，生产成本高，不适应于液相线温度较高的金属铸造 成型。

现在虽然存在利用超声波进行辅助铸造的现有技术，但是他们是将超声波 变幅杆直接插入到浇注液中，基于浇注液自身的材料属性以及形态属性，超声 波在浇注液中的传播衰减严重，影响范围有限。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足，提供一种金属铸型超声波辅助铸造方法， 解决现在金属铸型在使用过程中合金液冷却快、充填型腔能力差的问题，还提 供一种用于实现上述方法的金属铸型超声波辅助铸造装置。

本发明所采用技术方案是：

一种金属铸型超声波辅助铸造方法，包括如下步骤：

S1、对金属铸型进行三维建模；

S2、将创建的金属铸型三维模型直接或间接导入到振动仿真软件中；

S3、对所创建的金属铸型三维模型进行谐振分析，选择能够产生产生声压 梯度的超声装置施加形式；

S4、根据振动仿真软件确定的超声装置施加的形式，在实际金属铸型上施 加相应的超声装置；

S5、在采用金属铸型铸造过程中，开启超声装置进行辅助铸造。

作为对本发明方法的进一步优化，本发明步骤S3中，对所创建的金属铸型 三维模型进行谐振分析的过程包括：

S301、在金属铸型的端面的上施加超声装置，进行多组工况模拟，每组模 拟工况下在金属铸型上施加的超声装置的数量和/或位置不同，记录每组模拟工 况下施加超声装置后的金属铸型整体的谐振频率；

S302、确定超声设备的工作频率范围，筛选上述谐振频率位于超声设备工 作频率范围内的模拟工况；当存在多个模拟工况下的谐振频率位于超声设备的 工作频率范围内时，选择超声设备振动幅度最小的模拟工况。

作为对本发明方法的进一步优化，本发明步骤S302中，软件模拟仿真与 实际超声波振动会存在误差，位于超声设备工作频率范围内的模拟工况下的谐 振频率，与超声设备工作频率范围的边界值小于0.1的模拟工况应被排除。

作为对本发明方法的进一步优化，本发明步骤S4中，所述超声装置包括超 声波发生器、换能器和变幅杆，所述超声波发生器用于模拟产生超声波信号， 并将超声波信号发送给换能器用于产生实际振动，所述换能器通过所述变幅杆 作用在金属铸型的端面上，所述变幅杆的端部连接在金属铸型的端面上。

作为对本发明方法的进一步优化，本发明所述变幅杆与金属铸型固定连接 的方式为螺栓连接、键销连接、焊接、卡扣连接和粘接中的其中一种。

作为对本发明方法的进一步优化，本发明所述换能器的外侧设置有冷却组 件，所述冷却组件包括冷却盘管，所述冷却盘管用于流通冷却液，冷却盘管包 裹在换能器的外侧，冷却盘管的低位端为进液口，高位端为出液口。

本发明还提供一种金属型超声波辅助铸造装置，包括超声波仿真组件、金 属型和施加在金属型上的超声装置，其中：

所述超声波仿真组件用于对金属铸型进行三维建模，并对三维模型进行超 声波谐振分析，确定超声装置在金属铸型上的施加形式；

所述超声装置用于根据上述超声波仿真组件确定的施加形式，固定设置在 金属铸型的端面上，所述施加形式包括超声装置的设置数量和施加位置。

作为对本发明装置的进一步优化，本发明所述超声波仿真组件对金属型的 三维模型进行超声波谐振分析包括在金属铸型的端面上施加超声装置，进行多 组工况模拟，每组模拟工况下在金属铸型上施加的超声装置的数量和/或位置不 同，记录每组模拟工况下施加超声装置后的金属铸型整体的谐振频率，筛选上述谐振频率位于超声设备工作频率范围内的模拟工况，且当存在多个模拟工况 下的谐振频率位于超声设备的工作频率范围内时，选择金属铸型梯度振动，超 声设备振动幅度最小的模拟工况，将该模拟工况的超声装置施加形式作为实际 超声装置的施加形式。

作为对本发明装置的进一步优化，本发明所述超声装置包括超声波发生器、 换能器和变幅杆，所述超声波发生器用于模拟产生超声波信号，并将超声波信 号发送给换能器用于产生实际振动，所述换能器与变幅杆通过变幅杆作用在金 属铸型的端面上，所述变幅杆的端部连接在金属铸型的端面上，且所述换能器 的外侧设置有冷却组件，用于避免在铸造过程中的热传导现象影响换能器的正常工作。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过软件仿真的形式，先对金属铸型进行三维建模后，再对三维 建模进行施加超声装置后进行谐振分析，通过谐振分析获取超声装置的最佳施 加方式，既能够有效促进金属液在金属铸型型腔内的流动，特别适用于薄壁件的铸造和加工，还能够提升超声装置的使用寿命；

2、本发明通过在金属铸型的端面上施加超声装置，能够通过超声波驱动金 属铸型高频微振动使得铸造过程中合金液与金属铸型内壁之间的润湿条件改 善，并在界面处产生扰动波，该扰动波能够降低合金液与金属铸型之间的摩擦， 提高合金液的流动性以及充填铸型的能力，此外，金属液与金属铸型型壁之间的气体在高频微振动下随着金属液充填型腔更容易排出，从而避免因窝气导致 的铸件避免凹坑等缺陷，提高所得铸件的完整度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中描述中 所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为施加超声装置的金属型结构示意图；

图2为第一应用实例的未加超声装置铸造的铸件结构；

图3为第一应用实例在施加一个超声装置的软件仿真截图；

图4为第一应用实例在施加两个个超声装置的软件仿真截图；

图5为第一应用实例在施加三个超声装置的第一种布置方式的软件仿真截 图(金属铸型分析)；

图6为第一应用实例在施加三个超声装置的第一种布置方式的软件仿真截 图(铸件分析)；

图7为第一应用实例在施加三个超声装置的第二种布置方式的软件仿真截 图(金属铸型分析)；

图8为第一应用实例在施加三个超声装置的第二种布置方式的软件仿真截 图(铸件分析)；

图9为第一应用实例在施加三个超声装置的第三种布置方式的软件仿真截 图(金属铸型分析)；

图10为第一应用实例在施加三个超声装置的第三种布置方式的软件仿真 截图(铸件分析)；

图11为第一应用实例施加超声装置后的铸造结构图；

图12为第二应用实例未加超声装置的铸造结构图；

图13为第二应用实例金属铸型的结构示意图；

图14为第二应用实例最终确定的超声装置的施加形式示意图；

图15为第二应用实例在施加超声装置后的铸造结构示意图。

其中：1、超声波发生器，2、冷却盘管，3、变幅杆，4、金属铸型，5、型 腔，6、进液口，7、换能器，8、出液口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人 员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定， 在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

需要理解的是，在本发明实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用 于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示 或暗示顺序。在本发明实施例中的“多个”，是指两个或两个以上。

本发明实施例中的属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系， 表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是 一种“或”关系。

本实施例提供一种金属铸型超声波辅助铸造方法，特别适用于在形状复杂 的薄壁件的铸造加工上，包括如下步骤：

S1、对金属铸型4进行三维建模；

S2、将创建的金属铸型三维模型直接或间接导入到振动仿真软件中，本实 施例所采用的振动仿真软件为COMSOL；

S3、对所创建的金属铸型三维模型进行超声波谐振分析，确定超声装置施 加的形式；

其中，对所创建的金属铸型三维模型进行超声波谐振分析的过程包括：

S301、在金属铸型的端面的上施加超声装置，进行多组工况模拟，每组模 拟工况下在金属铸型上施加的超声装置的数量和/或位置不同，记录每组模拟工 况下施加超声装置后的金属铸型整体的谐振频率；

S302、确定超声设备的工作频率范围，筛选上述谐振频率位于超声设备工 作频率范围内的模拟工况；当存在多个模拟工况下的谐振频率位于超声设备的 工作频率范围内时，选择金属铸型梯度振动，超声设备振动幅度最小的模拟工 况；

软件模拟仿真与实际超声波振动会存在误差，位于超声设备工作频率范围 内的模拟工况下的谐振频率，与超声设备工作频率范围的边界值小于0.1的模 拟工况应被排出。

S4、根据振动仿真软件确定的超声装置施加的形式，在实际金属铸型4上 施加相应的超声装置；

其中，如图1所示，所述超声装置包括超声波发生器1、换能器7和变幅 杆3，所述超声波发生器1用于模拟产生超声波信号，并将超声波信号发送给 换能器7用于产生实际振动，所述换能器7所述变幅杆3作用在金属铸型4的 端面上，所述变幅杆3的端部连接在金属铸型4的端面上，所述换能器7的外 侧设置有冷却组件，所述冷却组件包括冷却盘管2，所述冷却盘管2用于流通 冷却液，冷却盘管2包裹在换能器7的外侧，冷却盘管2的低位端为进液口6，高位端为出液口8。

所述变幅杆3与金属铸型4固定连接的方式为螺栓连接、键销连接、焊接、 卡扣连接和粘接中的其中一种；

S5、在采用金属铸型4铸造过程中，开启超声装置进行辅助铸造，熔炼金 属液后，向开启超声装置的金属铸型4的型腔5内浇注金属液。

本实施例还提供一种金属型超声波辅助铸造装置，包括超声波仿真组件、 金属型和施加在金属型上的超声装置，其中：

所述超声波仿真组件用于对金属铸型进行三维建模，并对三维模型进行超 声波谐振分析，确定超声装置在金属铸型4上的施加形式；

所述超声波仿真组件对金属型的三维模型进行超声波谐振分析包括在金属 铸型的端面上施加超声装置，进行多组工况模拟，每组模拟工况下在金属铸型 上施加的超声装置的数量和/或位置不同，记录每组模拟工况下施加超声装置后 的金属铸型整体的谐振频率，筛选上述谐振频率位于超声设备工作频率范围内的模拟工况，且当存在多个模拟工况下的谐振频率位于超声设备的工作频率范 围内时，选择金属铸型梯度振动，超声设备振动幅度最小的模拟工况，将该模 拟工况的超声装置施加形式作为实际超声装置的施加形式。

所述超声装置用于根据上述超声波仿真组件确定的施加形式，固定设置在 金属铸型4的端面上，所述施加形式包括超声装置的设置数量和施加位置。

所述超声装置包括超声波发生器、换能器和变幅杆，所述超声波发生器用 于模拟产生超声波信号，并将超声波信号发送给换能器用于产生实际振动，所 述换能器与变幅杆通过变幅杆作用在金属铸型的端面上，所述变幅杆的端部连 接在金属铸型的端面上，且所述换能器的外侧设置有冷却组件，用于避免在铸 造过程中的热传导现象影响换能器的正常工作。

为了便于理解本实施例的技术方案，本实施例提供一种上述铸造方法的具 体两个应用实例：

第一个应用实例的铸件结构如图2所示(为施加超生装置)，该铸件为H 型结构的薄壁构件，其铸件材质为AC4B铸造铝合金，基于上述铸造方法，本应 用实例的铸造过程包括：

首先对用于铸造该铸件的金属铸型进行三维建模，并对其进行谐振分析， 本应用实例中所述建模和谐振分析均在COMSOL中进行，分别进行多组模拟工 况，所述模拟工况以及相对应谐振频率如下图3-图10所示：

一、在金属铸型的中部施加一个超声装置，金属铸型与超声装置整体的谐 振频率为25687Hz，软件仿真结果如图3所示；

二、在金属铸型的中部施加两个超声装置，金属铸型与超声装置整体的谐 振频率为25326Hz，软件仿真结果如图4所示；

三、在金属铸型上施加三个超声装置，且三个超声装置在摆放时，会因为 布置的形式不同也会造成谐振频率的不同，如图5所示的摆放形式，金属铸型 与超声装置整体的谐振频率为25061Hz，如图7所示的摆放形式，金属铸型与 超声装置整体的谐振频率为25106Hz，如图9所示的摆放形式，金属铸型与超 声装置整体的谐振频率为25399Hz；

施加三个超声装置的模拟工况已经产生较为理想的谐振频率，因此可以不 再进行更多数量的超声装置的施加模拟仿真。

超声设备的最佳工作频率范围在24.9KHz—25.4KHz，进行筛选时，应确保 超声设备与金属铸型连接后的整体机构仍能在工作频率范围内产生良好的谐 振，通过对比上述仿真结果，可以发现施加两个超声装置的模拟工况的谐振频 率和施加三个超声装置的谐振频率均在超声装置的工作频率范围内，但是仿真 与实际的工作状态会存在一定的误差，因此在选择时，应排除掉其谐振频率与 超声装置工作频率较为接近的模拟工况，如如图4所示的施加两个超声装置时 的模拟工况的谐振频率为25326Hz，如图9所示的施加三个产生装置的谐振频 率为25399Hz，均与超声设备的工作频率的边界值25.4KHz较为接近，因此直 接排除这两个模拟工况。

超声装置在每种模拟工况下的振动幅度也是都会存在差异，超声装置的换 能器中存在压电片，当存在较大程度的振幅时就会容易损坏，因此通过对比如 图5和图7所示的模拟工况的振动频率，图5所示的模拟工况的振动幅度更小， 因此选择图5所示的模拟工况的超声装置的施加形式。

而且软件模拟仿真中结果，图5所示的超声装置施加形式下，金属铸型如 图6所示，浇道部分的振动分布表现为上部分振动产生的位移较大，下部分位 移较小，这种振幅的衰减会在金属液中形成一定的声压梯度，产生超声声流效应，进而促进金属液的流动，而图7和图9所示的模拟工况下，金属铸型的振 动如图8和图10所示，振动位移分布具有一定的周期性，对流动性的提升有限。因此图5所示的模拟工况的超声装置的施加形式相对于普通的超声装置的施加 形式存在更优异的效果。

通过上述软件谐振仿真分析确定超声装置的施加形式后，将实际的金属铸 型上施加相应形式的超声装置，即将变幅杆连接到金属铸型上，换能器设置在 变幅杆上，并设定超声波发生器的参数，功率为3KW，振动时间为55秒，脉冲超声时间6秒，间隔2秒。

最后，熔炼铝合金液，向开启超声装置金属铸型中浇注铝合金液，待模具 冷却后开模，取出铸件，如图8所示，对比图2未施加超声装置的铸件成型效 果和图11施加超声装置的建注成型效果可以发现，未施加超声装置的铸件表面 有明显凹陷缺陷，而且铸件试棒上端存在浇不足缺陷，施加超声装置的铸件表 面光洁、试棒完整，无明显缺陷。

第二个应用实例如图12所示(未施加超声装置)，该应用实例的铸件为一 个螺旋状的盘状薄件，且铸件材质采用AC4B铸造铝合金，通过上述相同的步骤， 用于加工第二应用实例的金属铸型如13所示，最终确定超声装置的施加数量为 两个，施加形式如图14所示，然后按确定的施加样式将超声装置设置在金属铸 型上，设置超声波发生器的参数，功率为2400W，振动时间为40秒，脉冲超声 时间为5秒间隔1秒。最后，熔炼铝合金液，向开启超声装置金属铸型中浇注 铝合金液，待模具冷却后开模，取出铸件，如图15所示。

如图12所示的未加超声装置的铸件的长度为100mm，如图15所示的施加 了超声装置的铸件的长度为140mm，通过对比可以发现，相较于未施加超声波 振动的情况，施加超声波振动铸造所获得的铝合金螺旋铸件长度提升了40％。 也即，采用超声波辅助铸件成型提高了铝合金液的流动性，促进铝合金液充填 型腔，提高了铸造所获得的螺旋试样的长度。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的 保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或 变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种金属铸型超声波辅助铸造方法，适用于在形状复杂的薄壁件的铸造加工上，其特征在于：包括如下步骤：

S1、对金属铸型进行三维建模；

S2、将创建的金属铸型三维模型直接或间接导入到振动仿真软件中；

S3、对所创建的金属铸型三维模型进行超声波谐振分析，选择能够产生声压梯度的超声装置施加形式；

其过程包括：S301、在金属铸型的端面上施加超声装置，进行多组工况模拟，每组模拟工况下在金属铸型上施加的超声装置的数量和位置不同，记录每组模拟工况下施加超声装置后的金属铸型整体的谐振频率及金属铸型的振动分布；

S302、确定超声设备的工作频率范围，筛选上述谐振频率位于超声设备工作频率范围内的模拟工况；当存在多个模拟工况下的谐振频率位于超声设备的工作频率范围内时，选择金属铸型梯度振动，超声设备振动幅度最小的模拟工况；

步骤S302中， 软件模拟仿真与实际超声波振动会存在误差，位于超声设备工作频率范围内的模拟工况下的谐振频率，与超声设备工作频率范围的边界值小于0.1的模拟工况应被排除；

S4、根据振动仿真软件确定的超声装置施加的形式，在实际金属铸型上施加相应的超声装置；

步骤S4中，所述超声装置包括超声波发生器、换能器和变幅杆，所述超声波发生器用于模拟产生超声波信号，并将超声波信号发送给换能器用于产生实际振动，所述换能器通过所述变幅杆作用在金属铸型的端面上，所述变幅杆的端部连接在金属铸型的端面上；

S5、在采用金属铸型铸造过程中，开启超声装置进行辅助铸造。

2.根据权利要求1所述的金属铸型超声波辅助铸造方法，其特征在于：所述变幅杆与金属铸型固定连接的方式为螺栓连接、键销连接、焊接、卡扣连接和粘接中的其中一种。

3.根据权利要求1所述的金属铸型超声波辅助铸造方法，其特征在于：所述换能器的外侧设置有冷却组件，所述冷却组件包括冷却盘管，所述冷却盘管用于流通冷却液，冷却盘管包裹在换能器的外侧，冷却盘管的低位端为进液口，高位端为出液口。

4.根据权利要求1所述的金属铸型超声波辅助铸造方法，其特征在于：步骤S2中，所述振动仿真软件将结构力学与压电物理效应相耦合，从而为真实设备的特性建模，求解应力、变形、固有频率多种问题。

5.一种金属铸型超声波辅助铸造装置，适用于在形状复杂的薄壁件的铸造加工上，其特征在于：包括超声波仿真组件、金属铸型和施加在金属铸型上的超声装置，其中：

所述超声波仿真组件用于对金属铸型进行三维建模，并对三维模型进行超声波谐振分析，确定超声装置在金属铸型上的施加形式；

所述超声波仿真组件对金属铸型的三维模型进行超声波谐振分析，包括在金属铸型的端面上施加超声装置，进行多组工况模拟，每组模拟工况下在金属铸型上施加的超声装置的数量和位置不同，记录每组模拟工况下施加超声装置后的金属铸型整体的谐振频率，筛选上述谐振频率位于超声设备工作频率范围内的模拟工况，且当存在多个模拟工况下的谐振频率位于超声设备的工作频率范围内时，选择金属铸型梯度振动，超声设备振动幅度最小的模拟工况，将该模拟工况的超声装置施加形式作为实际超声装置的施加形式；

所述超声装置用于根据上述超声波仿真组件确定的施加形式，固定设置在金属铸型的端面上，所述施加形式包括超声装置的设置数量和施加位置；

所述超声装置包括超声波发生器、换能器和变幅杆，所述超声波发生器用于模拟产生超声波信号，并将超声波信号发送给换能器用于产生实际振动，所述换能器与变幅杆通过变幅杆作用在金属铸型的端面上，所述变幅杆的端部连接在金属铸型的端面上，且所述换能器的外侧设置有冷却组件，用于避免在铸造过程中的热传导现象影响换能器的正常工作。