專利名稱：一種鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松預測方法，屬于低壓鑄造工藝缺陷的預測預防及計算的技術領域。
背景技術：
低壓鑄造是液態(tài)金屬在壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法，由于所用的壓力與壓力鑄造相比較低，稱之為低壓鑄造，其常見工藝過程是在密閉的坩堝中通入干燥的壓縮空氣，金屬熔液在氣體壓力的作用下沿升液管通過澆口進入型腔，并保持坩堝中液面上的氣體壓力，直到鑄件完全凝固為止，解除金屬熔液液面上的氣體壓力后，升液管中沒有凝固的金屬流回坩堝即完成了低壓鑄造。在低壓鑄造中，由于工藝設置不當易產生縮孔縮松現(xiàn)象，成為鑄件的一大缺陷，還將降低鑄件的力學性能，鋁合金是最常用的鑄造合金之一，如何掌握和預測鋁合金低壓鑄件的縮孔縮松現(xiàn)象，為預防和消除鑄件的縮孔縮松提供理論依據(jù)是一個重要的研究課題。

發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對低壓鑄造特點，對鋁合金低壓鑄件內的縮孔縮松現(xiàn)象進行預測，通過建立模型和程序計算，預測鑄件內部縮孔縮松位置、數(shù)量和大小，為消除和預防鑄件縮孔縮松現(xiàn)象提供理論依據(jù)。技術方案鋁合金低壓鑄造鑄件內的縮孔縮松預測方法如下(1)預制鋁合金啞鈴狀樣件①制備啞鈴狀鑄件用砂型，造型材料采用呋喃樹脂砂，澆口處設置氧化鋯濾網；②配制鋁合金熔液稱取鋁合金^ig士0. lkg，置于熔煉坩堝中，加熱至730°C 士5°C，采用六氯乙烷除氣，隨后除渣，靜置5min后鋁合金熔液溫度降至700°C 士5°C，待用；③低壓鑄造將干燥的壓縮空氣通入密閉坩堝中，鋁合金熔液在氣體壓力的作用下沿升液管通過澆口注入砂型型腔進行充型，充型時間5s，充型壓力9. 88KPa,結殼時間10s，結殼壓力 9. 88KPa，保壓時間300s，保壓壓力19. 88KPa ；④冷卻澆注后，將砂型置于自然空氣中冷卻至25°C ；⑤開箱取出鑄件打開砂型，取出啞鈴狀鑄件；⑥清理鑄件表面用金屬刷清理鑄件表面、機械切除余頭、砂紙打磨， 鈴狀鑄件成型；
(2)建立縮孔縮松預測模型采用動態(tài)孤立多熔池判定法、孤立熔池等效液面下降法及低壓補縮法建立縮孔縮松的計算模型；①采用計算機程序對 鈴狀鑄件進行網格剖分，網格數(shù)為18000個，得到有限差分網格，存放在計算機內存中；凝固過程中的傅里葉導熱偏微分方程進行隱式有限差分離散，采用計算機程序計算溫度場；采用溫度回升法處理結晶潛熱釋放的熱量；②動態(tài)孤立多熔池法判定采用動態(tài)孤立多熔池法搜索鑄件在凝固過程中未凝固的連通鑄件單元，建立計算模型基礎；1)在當前計算時，對鑄件全部18000個網格單元進行搜索判斷，將單元固相率大于合金臨界固相率的單元設定熔池編號為0，將單元固相率小于合金臨界固相率的單元設定熔池編號為-1 ；2)遍歷計算機內存中鑄件全部網格單元，任選一熔池編號為-1的鑄件網格單元進行孤立熔池判斷，將此單元賦予熔池編號1，然后從此單元開始在六個相鄰的單元中尋找液態(tài)單元，若其右側單元是液態(tài)單元，則從右側單元開始繼續(xù)在其相鄰的六個單元尋找新的熔池編號為-1的液態(tài)單元，如此依次尋找，尋找出所有的連通單元，這些單元必處于同一個孤立熔池，給這些單元賦于熔池編號為1 ；3)重復第二步驟，依次賦予熔池編號2、3、…，遍歷計算機內存中鑄件全部網格單元，直至全部單元的熔池編號不為-1為止；4)在下一個計算時刻重復第一步到第三步動態(tài)孤立多熔池法能確定凝固過程中各個時刻的熔池個數(shù)及單元所處熔池狀況， 對于重力收縮，通過計算機程序，熔池從內存中鑄件單元最高處向最低處搜索；對于低壓鑄造，通過計算機程序，熔池從內存中鑄件單元最低處向最高處搜索；③等效液面收縮量法等效液面收縮量法，是定量計算鑄件凝固過程中縮孔縮松發(fā)生的部位、形狀、大小，設定金屬液補縮僅考慮液相向固相轉變時的體積收縮，不考慮熱脹冷縮影響；設定當單元的固相率達到臨界固相率時，此單元喪失補縮能力；等效液面法計算縮孔縮松的具體步驟如下1)單元從液相變?yōu)楣滔鄷r體收縮率為β = ^^(I)
Pl式中β表示凝固收縮率，P s表示固相密度，P L表示液相密度；2)網格單元在一個時間步長內的體積收縮量表示為AVj = β (Afu)Vj (II)式中j表示網格單元編號，Δ Vj表示編號為j的單元在一個時間步長內的體積收縮量，Afu表示編號為j單元的液相率變化值,Vj表示編號為j的單元的體積，β (Afu)Vj 計算結果表示網格單元在一個時間步長內的體積收縮量；3)在一個時間步長內，熔池體積收縮量表示為
權利要求
1. 一種鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松預測方法，其特征在于鋁合金低壓鑄造鑄件內的縮孔縮松預測方法如下1.預制鋁合金啞鈴狀樣件①制備 鈴狀鑄件用砂型，造型材料采用呋喃樹脂砂，澆口處設置氧化鋯濾網；②配制鋁合金熔液稱取鋁合金1kg，置于熔煉坩堝中，加熱至730°C 士 5°C，采用六氯乙烷除氣，隨后除渣，靜置5min后鋁合金熔液溫度降至700°C 士5°C，待用；③低壓鑄造將干燥的壓縮空氣通入密閉坩堝中，鋁合金熔液在氣體壓力的作用下沿升液管通過澆口注入砂型型腔進行充型，充型時間5s，充型壓力9. 88KPa,結殼時間10s，結殼壓力 9. 88KPa，保壓時間300s，保壓壓力19. 88KPa ；④冷卻澆注后，將砂型置于自然空氣中冷卻至25°C ；⑤開箱取出鑄件打開砂型，取出啞鈴狀鑄件；⑥清理鑄件表面用金屬刷清理鑄件表面、機械切除余頭、砂紙打磨， 鈴狀鑄件成型；
2.建立縮孔縮松預測模型采用動態(tài)孤立多熔池判定法、孤立熔池等效液面下降法及低壓補縮法建立縮孔縮松的計算模型；①采用計算機程序對 鈴狀鑄件進行網格剖分，網格數(shù)為18000個，得到有限差分網格，存放在計算機內存中；凝固過程中的傅里葉導熱偏微分方程進行隱式有限差分離散，采用計算機程序計算溫度場；采用溫度回升法處理結晶潛熱釋放的熱量；②動態(tài)孤立多熔池法判定采用動態(tài)孤立多熔池法搜索鑄件在凝固過程中未凝固的連通鑄件單元，建立計算模型基石出；1)在當前計算時，對鑄件全部18000個網格單元進行搜索判斷，將單元固相率大于合金臨界固相率的單元設定熔池編號為0，將單元固相率小于合金臨界固相率的單元設定熔池編號為-1 ；2)遍歷計算機內存中鑄件全部網格單元，任選一熔池編號為-1的鑄件網格單元進行孤立熔池判斷，將此單元賦予熔池編號1，然后從此單元開始在六個相鄰的單元中尋找液態(tài)單元，若其右側單元是液態(tài)單元，則從右側單元開始繼續(xù)在其相鄰的六個單元尋找新的熔池編號為-1的液態(tài)單元，如此依次尋找，尋找出所有的連通單元，這些單元必處于同一個孤立熔池，給這些單元賦于熔池編號為1 ；3)重復第二步驟，依次賦予熔池編號2、3、…，遍歷計算機內存中鑄件全部網格單元， 直至全部單元的熔池編號不為-1為止；4)在下一個計算時刻重復第一步到第三步動態(tài)孤立多熔池法能確定凝固過程中各個時刻的熔池個數(shù)及單元所處熔池狀況，對于重力收縮，通過計算機程序，熔池從內存中鑄件單元最高處向最低處搜索；對于低壓鑄造，通過計算機程序，熔池從內存中鑄件單元最低處向最高處搜索； ③等效液面收縮量法等效液面收縮量法，是定量計算鑄件凝固過程中縮孔縮松發(fā)生的部位、形狀、大小，設定金屬液補縮僅考慮液相向固相轉變時的體積收縮，不考慮熱脹冷縮影響；設定當單元的固相率達到臨界固相率時，此單元喪失補縮能力； 等效液面法計算縮孔縮松的具體步驟如下1)單元從液相變?yōu)楣滔鄷r體收縮率為式中β表示凝固收縮率，P 3表示固相密度，P ^表示液相密度；2)網格單元在一個時間步長內的體積收縮量表示為 AVj = β (Afu)Vj (II)式中j表示網格單元編號，AVj表示編號為j的單元在一個時間步長內的體積收縮量，Afu表示編號為j單元的液相率變化值，\表示編號為j的單元的體積，β (Afu)Vd+ 算結果表示網格單元在一個時間步長內的體積收縮量；3)在一個時間步長內，熔池體積收縮量表示為AFp=XAFj=^(XAflj)Vj.(III)式中P表示熔池編號，m表示一個時間步長內P號熔池中發(fā)生固液轉變的網格單元的個數(shù)，δ Vp表示P號熔池總的體積收縮量，Σ表示求和，風Σ/計算結果表示熔池體積收縮量；4)比較編號為P的熔池最高層中單元固相率小于合金臨界固相率的單元體積之和與 AVp的大小，出現(xiàn)兩種情況情況1:若VkS Δ Vp式中k表示熔池中網格層數(shù)，Vk表示編號為ρ的熔池中最高層即第k層中單元固相率小于合金臨界固相率的單元體積之和，液面仍處在第k層網格中，對于單元固相率小于合金臨界固相率的各個單元，其單元液量減少，單元液量體積可以表示為式中表示第k層編號為j單元的液體體積，Nk表示第k層單元固相率小于合金臨界固相率的單元個數(shù)； 情況2:若Vk < Δ Vp第k層中單元固相率小于合金臨界固相率的單元變成空單元，液面下降一層，第k-Ι層中單元固相率小于合金臨界固相率的單元其金屬液量進一步減少，k-Ι層單元液量變?yōu)槭街?Vf1表示第k-Ι層編號為j單元的液體體積，Nk^1表示第k-Ι層單元固相率小于合金臨界固相率的單元個數(shù)；若第k層和第k-Ι層中可用于補縮的液體之和不足于補縮，則液面將下降至k-2層，處理方法一致；其余熔池處理方法一致；④壓力下臨界固相率的變化壓力對臨界固相率選擇有影響，壓力與臨界固相率關系如下1)當壓力在0至p'm之間時，合金的臨界固相率可看成一條直線，其方程式為 fsc = k' ρ' +b (VI)式中P'表示壓力，p' m表示臨界壓力值，fs。表示合金的臨界固相率，k'和b表示兩個參數(shù)，其值大小由實驗確定；2)當壓力大于p'm時，臨界固相率的變化比較緩慢，此時可把它看成一條水平線來處理；⑤低壓液面收縮量法根據(jù)低壓鑄造特點，其補縮狀態(tài)為由下向上補縮，采用低壓液面收縮量法計算收縮缺陷的大小，在計算前做如下假設金屬液補縮僅考慮液相向固相轉變時的體積收縮，不考慮熱脹冷縮影響；當單元的固相率達到臨界固相率時，此單元喪失補縮能力；在低壓狀態(tài)下， 金屬液僅在低壓的影響下凝固，不考慮重力的影響； 具體步驟如下1)單元從液相變?yōu)楣滔鄷r體收縮率為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松預測方法，是針對鋁合金低壓鑄造存在的縮孔縮松現(xiàn)象及弊端，在鑄造前進行預測，有利于在實際鑄造中預防、減小和消除縮孔縮松現(xiàn)象，通過制備啞鈴狀鑄件，采用動態(tài)孤立多熔池判定、孤立熔池等效液面下降法及低壓補縮法建立縮孔縮松的計算模型，以計算機VC++為開發(fā)平臺編寫程序，進行計算機運算，得出預測結論，使鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松現(xiàn)象的分布情況、大小、位置有一個理論上的量化數(shù)據(jù)，預測準確率為99％，此預測方法使用設備少，計算方法通用、合理，計算速度快，模擬結果準確，是十分理想的鋁合金低壓鑄造的縮孔縮松預測方法，此預測方法也可用于鎂合金、黑色金屬的低壓鑄造缺陷預測。
文檔編號B22D18/08GK102274947SQ201110236748
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權日2011年8月16日
發(fā)明者侯華, 牛曉峰, 王 忠, 趙宇宏, 趙宇輝, 靳玉春 申請人:中北大學