一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法

摘要

本发明涉及一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，是针对铝合金低压铸造存在的缩孔缩松现象及弊端，在铸造前进行预测，有利于在实际铸造中预防、减小和消除缩孔缩松现象，通过制备哑铃状铸件，采用动态孤立多熔池判定、孤立熔池等效液面下降法及低压补缩法建立缩孔缩松的计算模型，以计算机VC++为开发平台编写程序，进行计算机运算，得出预测结论，使铝合金低压铸造的缩孔缩松现象的分布情况、大小、位置有一个理论上的量化数据，预测准确率为99％，此预测方法使用设备少，计算方法通用、合理，计算速度快，模拟结果准确，是十分理想的铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，此预测方法也可用于镁合金、黑色金属的低压铸造缺陷预测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，属于低压铸造工艺缺 陷的预测预防及计算的技术领域。

背景技术

低压铸造是液态金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法，由于 所用的压力与压力铸造相比较低，称之为低压铸造，其常见工艺过程是：在密闭 的坩埚中通入干燥的压缩空气，金属熔液在气体压力的作用下沿升液管通过浇口 进入型腔，并保持坩埚中液面上的气体压力，直到铸件完全凝固为止，解除金属 熔液液面上的气体压力后，升液管中没有凝固的金属流回坩埚即完成了低压铸 造。

在低压铸造中，由于工艺设置不当易产生缩孔缩松现象，成为铸件的一大缺 陷，还将降低铸件的力学性能，铝合金是最常用的铸造合金之一，如何掌握和预 测铝合金低压铸件的缩孔缩松现象，为预防和消除铸件的缩孔缩松提供理论依据 是一个重要的研究课题。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对低压铸造特点，对铝合金低压铸件内的缩孔缩松现象进 行预测，通过建立模型和程序计算，预测铸件内部缩孔缩松位置、数量和大小， 为消除和预防铸件缩孔缩松现象提供理论依据。

技术方案

铝合金低压铸造铸件内的缩孔缩松预测方法如下：

(1)预制铝合金哑铃状样件

①制备哑铃状铸件用砂型，造型材料采用呋喃树脂砂，浇口处设置氧化锆 滤网；

②配制铝合金熔液

称取铝合金6kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至730℃±5℃，采用六氯乙 烷除气，随后除渣，静置5min后铝合金熔液温度降至700℃±5℃，待用；

③低压铸造

将干燥的压缩空气通入密闭坩埚中，铝合金熔液在气体压力的作用下沿升液 管通过浇口注入砂型型腔进行充型，充型时间5s，充型压力9.88KPa，结壳时间 10s，结壳压力9.88KPa，保压时间300s，保压压力19.88KPa；

④冷却

浇注后，将砂型置于自然空气中冷却至25℃；

⑤开箱取出铸件

打开砂型，取出哑铃状铸件；

⑥清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面、机械切除余头、砂纸打磨，哑铃状铸件成型；

(2)建立缩孔缩松预测模型

采用动态孤立多熔池判定法、孤立熔池等效液面下降法及低压补缩法建立缩 孔缩松的计算模型；

①采用计算机程序对哑铃状铸件进行网格剖分，网格数为18000个，得到 有限差分网格，存放在计算机内存中；凝固过程中的傅里叶导热偏微分方程进行 隐式有限差分离散，采用计算机程序计算温度场；采用温度回升法处理结晶潜热 释放的热量；

②动态孤立多熔池法判定

采用动态孤立多熔池法搜索铸件在凝固过程中未凝固的连通铸件单元，建立 计算模型基础；

1)在当前计算时，对铸件全部18000个网格单元进行搜索判断，将单元固相 率大于合金临界固相率的单元设定熔池编号为0，将单元固相率小于合金临界固 相率的单元设定熔池编号为-1；

2)遍历计算机内存中铸件全部网格单元，任选一熔池编号为-1的铸件网格 单元进行孤立熔池判断，将此单元赋予熔池编号1，然后从此单元开始在六个相 邻的单元中寻找液态单元，若其右侧单元是液态单元，则从右侧单元开始继续在 其相邻的六个单元寻找新的熔池编号为-1的液态单元，如此依次寻找，寻找出 所有的连通单元，这些单元必处于同一个孤立熔池，给这些单元赋于熔池编号为 1；

3)重复第二步骤，依次赋予熔池编号2、3、…，遍历计算机内存中铸件全 部网格单元，直至全部单元的熔池编号不为-1为止；

4)在下一个计算时刻重复第一步到第三步

动态孤立多熔池法能确定凝固过程中各个时刻的熔池个数及单元所处熔池状 况，对于重力收缩，通过计算机程序，熔池从内存中铸件单元最高处向最低处搜 索；对于低压铸造，通过计算机程序，熔池从内存中铸件单元最低处向最高处搜 索；

③等效液面收缩量法

等效液面收缩量法，是定量计算铸件凝固过程中缩孔缩松发生的部位、形状、 大小，设定金属液补缩仅考虑液相向固相转变时的体积收缩，不考虑热胀冷缩影 响；设定当单元的固相率达到临界固相率时，此单元丧失补缩能力；

等效液面法计算缩孔缩松的具体步骤如下：

1)单元从液相变为固相时体收缩率为

$\beta =\frac{{\rho }_S-{\rho }_L}{{\rho }_L}---\left(I\right)$

式中：β表示凝固收缩率，ρ_S表示固相密度，ρ_L表示液相密度；

2)网格单元在一个时间步长内的体积收缩量表示为

ΔV_j＝β(Δf_Lj)V_j    (II)

式中：j表示网格单元编号，ΔV_j表示编号为j的单元在一个时间步长内的体 积收缩量，Δf_Lj表示编号为j单元的液相率变化值，V_j表示编号为j的单元的体 积，β(Δf_Lj)V_j计算结果表示网格单元在一个时间步长内的体积收缩量；

3)在一个时间步长内，熔池体积收缩量表示为

$\Delta V_P=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\Delta V_j=\beta \left(\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\Delta f_{\mathrm{Lj}}\right)V_j---\left(\mathrm{III}\right)$

式中：p表示熔池编号，m表示一个时间步长内p号熔池中发生固液转变的 网格单元的个数，ΔV_P表示p号熔池总的体积收缩量，表示求和， 计算结果表示熔池体积收缩量；

4)比较编号为p的熔池最高层中单元固相率小于合金临界固相率的单元体积 之和与ΔV_P的大小，出现两种情况：

情况1：若V_k≥ΔV_P

式中：k表示熔池中网格层数，V_k表示编号为p的熔池中最高层即第k层中单 元固相率小于合金临界固相率的单元体积之和，液面仍处在第k层网格中，对于 单元固相率小于合金临界固相率的各个单元，其单元液量减少，单元液量体积可 以表示为

$V_{\mathrm{jk}}=V_{\mathrm{jk}}-\frac{\Delta V_P}{N_k}---\left(\mathrm{IV}\right)$

式中：V_jk表示第k层编号为j单元的液体体积，N_k表示第k层单元固相率小 于合金临界固相率的单元个数；

情况2：若V_k＜ΔV_P

第k层中单元固相率小于合金临界固相率的单元变成空单元，液面下降一层， 第k-1层中单元固相率小于合金临界固相率的单元其金属液量进一步减少，k-1 层单元液量变为：

$V_{\mathrm{jk}-1}=V_{\mathrm{jk}-1}-\frac{\Delta V_P-V_k}{N_{k-1}}---\left(V\right)$

式中：V_jk-1表示第k-1层编号为j单元的液体体积，N_k-1表示第k-1层单元固 相率小于合金临界固相率的单元个数；

若第k层和第k-1层中可用于补缩的液体之和不足于补缩，则液面将下降至 k-2层，处理方法一致；

其余熔池处理方法一致；

④压力下临界固相率的变化

压力对临界固相率选择有影响，压力与临界固相率关系如下：

1)当压力在0至p′_m之间时，合金的临界固相率可看成一条直线，其方程式 为：

f_sc＝k′p′+b    (VI)

式中：p′表示压力，p′_m表示临界压力值，f_sc表示合金的临界固相率，k′和b 表示两个参数，其值大小由实验确定；

2)当压力大于p′_m时，临界固相率的变化比较缓慢，此时可把它看成一条水 平线来处理；

⑤低压液面收缩量法

根据低压铸造特点，其补缩状态为由下向上补缩，采用低压液面收缩量法计 算收缩缺陷的大小，在计算前做如下假设：金属液补缩仅考虑液相向固相转变时 的体积收缩，不考虑热胀冷缩影响；当单元的固相率达到临界固相率时，此单元 丧失补缩能力；在低压状态下，金属液仅在低压的影响下凝固，不考虑重力的影 响；

具体步骤如下：

1)单元从液相变为固相时体收缩率为

$\beta =\frac{{\rho }_S-{\rho }_L}{{\rho }_L}---\left(\mathrm{VII}\right)$

2)网格单元在一个时间步长内的体积收缩量表示为

ΔV_j＝β(Δf_Lj)V_j    (VIII)

3)在一个时间步长内，熔池体积收缩量表示为

$\Delta V_P=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\Delta V_j=\beta \left(\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\Delta f_{\mathrm{Lj}}\right)V_j---\left(\mathrm{IX}\right)$

4)比较编号为p的熔池最低层中单元固相率小于合金临界固相率的单元体积 之和与ΔV_P的大小，出现两种情况：

情况1：若V_k″≥ΔV_P

式中：k″表示熔池中网格层数，V_k″表示编号为p的熔池中最低层即第k″层中 单元固相率小于合金临界固相率的单元体积之和，液面仍处在第k″层网格中， 对于单元固相率小于合金临界固相率的各个单元，其单元液量减少，单元液量体 积可以表示为

$V_{{\mathrm{jk}}^{\prime \prime }}=V_{{\mathrm{jk}}^{\prime \prime }}-\frac{\Delta V_P}{N_{k^{\prime \prime }}}---\left(X\right)$

式中：V_jk″表示第k″层编号为j单元的液体体积，N_k″表示第k″层单元固相率 小于合金临界固相率的单元个数；

情况2：若V_k″＜ΔV_P

第k″层中单元固相率小于合金临界固相率的单元变成空单元，液面上升一层， 第k″+1层中单元固相率小于合金临界固相率的单元其金属液量进一步减少， k″+1层单元液量变为：

$V_{{\mathrm{jk}}^{\prime \prime }+1}=V_{{\mathrm{jk}}^{\prime \prime }+1}-\frac{\Delta V_P-V_{k^{\prime \prime }}}{N_{k^{\prime \prime }+1}}---\left(\mathrm{XI}\right)$

式中：V_jk″+1表示第k″+1层编号为j单元的液体体积，N_k″+1表示第k″+1层单 元固相率小于合金临界固相率的单元个数；

若第k″层和第k″+1层中可用于补缩的液体之和不足于补缩，则液面将上升至 k″+2层，处理方法一致；

其余熔池处理方法一致；

⑥铝合金低压铸造的缩孔缩松预测是由计算机程序完成的，计算机程序如 下：以VC++为开发平台进行程序编写：

⑦预测结果

有限差分网格剖分时，哑铃状铸件的网格尺寸为4mm×4mm×4mm，哑铃状铸 件总体积为1152cm³，数值模拟结果表明铸件顶部出现了缩孔缩松，体积为 1.715cm³，在铸件底部由于与升液管连接，未出现缩孔缩松缺陷，模拟结果与实 测结果完全一致。

有益效果

本发明与现有的技术相比具有明显的先进性，是针对铝合金低压铸造存在的 缩孔缩松现象及弊端，在铸造前进行预测，有利于在实际铸造中预防、减小和消 除缩孔缩松现象，通过制备哑铃状铸件，采用动态孤立多熔池判定、孤立熔池等 效液面下降法及低压补缩法建立缩孔缩松的计算模型，以计算机VC++为开发平 台编写程序，进行计算机运算，得出预测结论，使铝合金低压铸造的缩孔缩松现 象的分布情况、大小、位置有一个理论上的量化数据，预测准确率为99％，此预 测方法使用设备少，计算方法通用、合理，计算速度快，模拟结果准确，是十分 理想的铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，此预测方法也可用于镁合金、黑色 金属的低压铸造缺陷预测。

附图说明

图1为铝合金哑铃状铸件主视图

图2为铝合金哑铃状铸件俯视图

图3为铝合金哑铃状铸件侧视图

图4为哑铃状铸件网格剖分图

图5为哑铃状铸件低压铸造状态图

图中所示，附图标记清单如下：

L、哑铃长度，L₁、左铃长度，L₂、右铃长度，L₃、为颈部长度，H₁、哑铃高度， H₂、颈部高度，H₃、颈部宽度。

1.哑铃造型砂箱，2.哑铃型腔，3.砂箱架，4.砂箱架，5.砂箱架，6.砂箱架， 7.浇道口，8.铝合金液，9.左铃，10.右铃，11.颈部。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1、2、3所示，为哑铃状铸件结构图，哑铃状铸件为左右铃对称结构，中 间为颈部11，颈部11左侧为左铃9，颈部11右侧为右铃10，左铃、右铃形状、 尺寸和体积相同，其长度用L、L₁、L₂表示，其高度、宽度用H₁、H₂、H₃表示，其 体积为1152cm³。

图4所示，为哑铃状铸件网格剖分图。

图5所示，为哑铃状铸件低压铸造状态图，各部位置、连接关系要正确，按 序操作，造型砂箱1为矩形，周边为砂箱架3、4、5、6，采用上中下三箱结构， 利用上箱自重及压铁法紧固，内部为哑铃状型腔2，浇注时，铝合金液8通过浇 道口7进入型腔2，并充填，形成低压铸造状态。