專利名稱：一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種物理模擬裝置。
背景技術：
金屬液體的流動能力和流動行為是鑄件能否完整成形的關鍵因素，由于鑄造過程的不可視性，液態(tài)金屬在鑄型型腔內(nèi)的具體是怎樣流動的，這個問題一直困擾著鑄造工作者。目前的研究集中于兩個方向一是數(shù)值模擬，借助計算機輔助系統(tǒng)和各類商業(yè)軟件實現(xiàn)對鑄造過程的模擬再現(xiàn)，一是物理模擬，借助物理模擬裝置和模擬流體，在符合一定相似準則的基礎上，對鑄造過程實現(xiàn)可視化的再現(xiàn)。物理模擬的方法由于具有可視性，所以更直接，同時由于計算機技術和高速成像技術的發(fā)展，使得物理模擬過程能夠?qū)崿F(xiàn)從定性觀察到定量分析的飛躍，成為了數(shù)值模擬技術的有效補充，尤其是在鑄件形狀復雜，數(shù)學模型不能有效建立的情況。隨著微機械系統(tǒng)(MEMS)研究的深入發(fā)展，微尺度下的流動問題已日益受到研究人員的重視。現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)指出受微尺度效應的影響，微尺度下的流動過程在很多方面與常規(guī)尺度表現(xiàn)出不同。由于現(xiàn)有模擬軟件并未有針對微尺度條件的設置，所以其模擬結(jié)果可靠性有待考證。這種情況下，物理模擬的重要性就顯現(xiàn)出來。通過可視化定性、定量分析微尺度空間內(nèi)模擬流體的流動行為，還原實際液態(tài)金屬的流動過程，為微鑄造工藝過程澆注系統(tǒng)設計、工藝參數(shù)選擇提供理論基礎。目前，并未有相關方面的報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動行為的物理模擬。本發(fā)明的微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置包括離心動力裝置、有機玻璃鑄型、引流漏斗、攝像機和計算機信息采集系統(tǒng)；所述有機玻璃鑄型由4層透明有機玻璃圓板組成，第I層圓板的中心開有上圓形孔，第2層圓板的中心開有下圓形孔，上圓形孔和下圓形孔相連通，在第2層圓板的上表面設置有橫澆道、微流道和溢流槽，所述橫澆道與第2層圓板中心的下圓形孔連通且垂直于第2層圓板的半徑，每兩條橫澆道組成一對且對稱設置于下圓形孔的兩側(cè)，所述橫澆道的圓周外側(cè)設置有溢流槽，橫澆道與溢流槽之間均勻分布有多條微流道；在第2層圓板的下表面和第3層圓板之間放置一張與圓板的圓表面面積相同的光粉銅版紙；所述有機玻璃鑄型的下表面中心固定安裝于離心動力裝置上并與離心動力裝置同軸旋轉(zhuǎn)；所述引流漏斗設置在所述有機玻璃鑄型的上圓形孔上方；所述攝像機設置在所述有機玻璃鑄型的側(cè)上方，使攝像機的鏡頭對準有機玻璃鑄型；所述攝像機的視頻信號輸出端與所述計算機信息采集系統(tǒng)的信號輸入端連接。在微熔模精鑄成形過程中，由于鑄型是不透明的，因此不清楚金屬液在微尺度空間是如何流動的。本發(fā)明提供的物理模擬裝置可以物理模擬微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流 動過程，并通過計算機采集系統(tǒng)采集模擬流體充型流動過程數(shù)據(jù)，進行微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬充型流動過程的觀察與分析。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，能夠?qū)崿F(xiàn)微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動行為的物理模擬。為微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬的流動行為和流動理論提供了研究工具，豐富了流動理論組成，模擬結(jié)果可以為實際的金屬液充型過程中澆注系統(tǒng)設計和工藝參數(shù)選擇提供理論基礎。
圖I為本發(fā)明微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置的結(jié)果示意圖，圖中I為離心動力裝置，2為有機玻璃鑄型,3為引流漏斗,4為攝像機,5為計算機信息采集系統(tǒng)；圖2為有機玻璃鑄型2的半剖示意圖，圖中6為第I層圓板，7為第2層圓板，10為第3層圓板，8為上圓形孔，9為下圓形孔，14為光粉銅版紙；圖3為有機玻璃鑄型中第2層圓板的俯視圖，圖中7為第2層圓板，9為下圓形孔，11為橫澆道，12為微流道，13為溢流槽；圖4 為具體實施方式
一中在不同轉(zhuǎn)速時0. 3mmX0. Imm微流道內(nèi)模擬流體充型速度與時間的關系曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置包括離心動力裝置I、有機玻璃鑄型2、引流漏斗3、攝像機4和計算機信息采集系統(tǒng)5 ;所述有機玻璃鑄型2由4層透明有機玻璃圓板組成，第I層圓板6的中心開有上圓形孔8，第2層圓板7的中心開有下圓形孔9，上圓形孔8和下圓形孔9相連通，在第2層圓板7的上表面設置有橫澆道11、微流道12和溢流槽13，所述橫澆道11與第2層圓板7中心的下圓形孔9連通且垂直于第2層圓板7的半徑，每兩條橫澆道11組成一對且對稱設置于下圓形孔9的兩側(cè)，所述橫澆道11的圓周外側(cè)設置有溢流槽13，橫澆道11與溢流槽13之間均勻分布有多條微流道12 ;在第2層圓板7的下表面和第3層圓板10之間放置一張與圓板的圓表面面積相同的光粉銅版紙14 ;所述有機玻璃鑄型2的下表面中心固定安裝于離心動力裝置I上并與離心動力裝置I同軸旋轉(zhuǎn)；所述引流漏斗3設置在所述有機玻璃鑄型2的上圓形孔8上方；所述攝像機4設置在所述有機玻璃鑄型2的側(cè)上方，使攝像機4的鏡頭對準有機玻璃鑄型2 ;所述攝像機4的視頻信號輸出端與所述計算機信息采集系統(tǒng)5的信號輸入端連接。本實施方式所述計算機信息采集系統(tǒng)5需要具有大容量的采集卡，最大可采集4GB容量的數(shù)據(jù)。本實施方式的微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置的結(jié)果示意圖如圖I所示。圖I中I為離心動力裝置，2為有機玻璃鑄型,3為引流漏斗,4為攝像機,5為計算機信息采集系統(tǒng)。所述有機玻璃鑄型2的側(cè)視圖如圖2所示，圖中6為第I層圓板，7為第2層圓板，10為第3層圓板，8為上圓形孔，9為下圓形孔，14為光粉銅版紙。
有機玻璃鑄型2中第2層圓板的俯視圖如圖3所示，圖中7為第2層圓板，9為下圓形孔，11為橫澆道，12為微流道，13為溢流槽。本實施方式的裝置在使用時，通過離心動力裝置I的控制面板設定轉(zhuǎn)速，同時，打開攝像機4和計算機信息采集系統(tǒng)5內(nèi)的數(shù)據(jù)采集軟件，當離心動力裝置I轉(zhuǎn)動平穩(wěn)時向引流漏斗3中傾倒模擬流體，同時點擊采集軟件開始系統(tǒng)，模擬流體在離心力的作用下開始充型，直至充型過程結(jié)束，最后對高速攝像機獲得的圖像數(shù)據(jù)進行觀察分析。本實施方式能夠很清楚的借助高速攝像機拍攝到的照片觀察模擬流體的充型流動行為，進而了解微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬的充型流動行為。通過觀察分析，能夠知道充型過程中離心轉(zhuǎn)速，澆道尺寸，鑄件分布等對液面形態(tài)，充填速度，充填方式的影響，根據(jù)這個結(jié)果可以優(yōu)化澆注系統(tǒng)設計和工藝參數(shù)選擇，保證微構(gòu)件的完整成形。為驗證本實施方式的效果，進行以下實驗以Zn-4% Al合金作為被模擬對象，以 添加增粘劑的水溶液作為模擬流體，理論分析表明，當Zn-4% Al合金的實際旋轉(zhuǎn)速度與模擬流體的旋轉(zhuǎn)速度之比為= I. 54時，即可滿足模型與原型相似。選取三種旋轉(zhuǎn)速度500rpm, IOOOrpm, 1500rpm,對應的模擬裝置的旋轉(zhuǎn)速度分別為324rpm、649rpm和974rpm。結(jié)果表明隨著轉(zhuǎn)速的增大，充型時間急速變短，由324rpm時的4. 2秒左右減小到974rpm時的0. 31秒；充型過程中，模擬流體優(yōu)先通過直徑最大的流道，且轉(zhuǎn)速達到649rpm,才會充填0. ImmXO. Imm的微流道；模擬流體在流道中的橫截面積隨轉(zhuǎn)速增加而減?。怀湫退俣入S時間的增加而增大，先是迅速達到一個極值，隨后變化逐漸趨于平緩。轉(zhuǎn)速對于充型速度的影響十分顯著，在不同轉(zhuǎn)速時0. 3mmXO. Imm微流道內(nèi)模擬流體充型速度與時間的關系曲線如圖4所示，圖4中-■-表示轉(zhuǎn)速為324rpm,_ -表示轉(zhuǎn)速為649rpm,_ ▲-表示轉(zhuǎn)速為974rpm。由圖4可看出轉(zhuǎn)速達到974rpm的時候,充型速度最大達到I. 36m/sec。由此可以制定出實際生產(chǎn)的離心轉(zhuǎn)速和充填時間等工藝參數(shù)，以保證在液態(tài)金屬未凝固之前充填鑄型。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述微流道12為3 5條，寬度為0. I 0. 5_，深度為0. 1_，每條微流道12之間平行。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是所述攝像機4的拍攝速度為500巾貞/s。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是所述離心動力裝置I的最大轉(zhuǎn)速為4000rpm。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
權利要求
1.一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，其特征在于微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置包括包括離心動力裝置(I)、有機玻璃鑄型(2)、引流漏斗(3)、攝像機(4)和計算機信息采集系統(tǒng)(5);所述有機玻璃鑄型(2)由4層透明有機玻璃圓板組成，第I層圓板(6)的中心開有上圓形孔(8)，第2層圓板(7)的中心開有下圓形孔(9)，上圓形孔(8)和下圓形孔(9)相連通，在第2層圓板(7)的上表面設置有橫澆道(11)、微流道(12)和溢流槽(13)，所述橫澆道(11)與第2層圓板(7)中心的下圓形孔(9)連通且垂直于第2層圓板(7)的半徑，每兩條橫澆道(11)組成一對且對稱設置于下圓形孔(9)的兩側(cè)，所述橫澆道(11)的圓周外側(cè)設置有溢流槽(13)，橫澆道(11)與溢流槽(13)之間均勻分布有多條微流道(12);在第2層圓板(7)的下表面和第3層圓板(10)之間放置一張與圓板的圓表面面積相同的光粉銅版紙(14);所述有機玻璃鑄型(2)的下表面中心固定安裝于離心動力裝置(I)上并與離心動力裝置(I)同軸旋轉(zhuǎn)；所述引流漏斗(3)設置在所述有機玻璃鑄型(2)的上圓形孔(8)上方；所述攝像機(4)設置在所述有機玻璃鑄型(2)的側(cè)上方，使攝像機(4)的鏡頭對準有機玻璃鑄型(2);所述攝像機(4)的視頻信號輸出端與所述計算機信息采集系統(tǒng)(5)的信號輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，其特征在于所述微流道(12)為3 5條，寬度為0. I 0. 5mm，深度為0. 1_，每條微流道(12)之間平行。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，其特征在于所述攝像機(4)的拍攝速度為500巾貞/s。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，其特征在于所述離心動力裝置(I)的最大轉(zhuǎn)速為4000rpm。
全文摘要
一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，涉及一種物理模擬裝置。本發(fā)明的目的是提供一種微尺度空間內(nèi)金屬液體充型流動物理模擬裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動行為的物理模擬。模擬裝置包括離心動力裝置、有機玻璃鑄型、引流漏斗、攝像機和計算機信息采集系統(tǒng)；所述有機玻璃鑄型由4層透明有機玻璃圓板組成；所述有機玻璃鑄型固定安裝于離心動力裝置上；所述引流漏斗設置在有機玻璃鑄型的上圓形孔上方；所述攝像機設置在有機玻璃鑄型的側(cè)上方，使攝像機的鏡頭對準有機玻璃鑄型；所述攝像機與所述計算機信息采集系統(tǒng)連接。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，能夠?qū)崿F(xiàn)微尺度空間內(nèi)液態(tài)金屬流動行為的物理模擬。應用于微鑄造領域。
文檔編號G01N11/00GK102706776SQ20121022901
公開日2012年10月3日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權日2012年7月4日
發(fā)明者任明星, 李邦盛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學