立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置及其模拟铸型

摘要

本发明涉及一种立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置及其模拟铸型，模拟铸型包括用于被驱动装置驱动而旋转的模拟铸型本体，模拟铸型本体包括基础部分和透明部分，基础部分与透明部分围成用于容纳模拟流体的模拟浇注型腔，模拟铸型上还设置有用于向模拟浇注型腔中通入气泡的气泡产生结构。通过驱动装置控制模拟铸型转动，达到离心铸造设备的模拟效果，并通过气泡产生结构向型腔内的模拟流体中通入气泡，在模拟铸型本体随离心转盘转动的过程中，通过直观观测气泡的实时位置，并加以分析，可直接得到气泡在模拟铸型中的运动规律，结构比较简单，且通过模拟装置使得试验成本较低，结果直观可得。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置及其模拟铸型。

背景技术

铸件中的气体对其质量有重要影响，气体夹杂在铸件中冷却后会在铸件内部形成气孔，从而显著降低铸件的强度和塑性，对铸件质量产生破坏。气体在铸件中有三种存在形态，即1）以“溶液”或“固溶体”的形式存在，这是气体在合金熔体中的主要存在形式；2）当含量超过其溶解度后以气泡的形式析出并存在，最终形成气孔；3）以化合物或络合态的形式存在。在钛合金熔体的充型与凝固过程中，气体运动的状态及特征直接影响到钛合金熔体中气缩孔缺陷的产生与否，对钛合金铸件最终组织形态及力学性能等起着重要作用。

高温下，钛和钛合金熔体具有极高的化学活性，气体在熔化的钛合金中有很高的溶解度。当钛合金熔体凝固时，熔体的温度下降使得溶解在熔体中的气体逸出并形成气泡。随着凝固过程的进行，形成的气泡有一些析出在固体表面形成表面或表层下气孔，有的则残留在铸件中形成内孔。目前对于钛合金的立式离心精密铸造过程孔洞类缺陷的研究很多，但是大多数都是集中在离心铸造工艺条件下气动缺陷的最终位置及数量的研究，包括设计合理的铸件结构和浇注系统来改善气孔缺陷，工艺参数对铸件孔洞类缺陷的影响规律以及气泡在离心场下运动规律的理论分析，但是这种分析只能依靠离心铸造成型后的气泡位置进行理论研究，对于气泡在铸件成型过程中的真实运动规律无法得知，因此需要设计一种模拟装置来仿真气泡在铸件成型过程中的运动规律，进而可以直观观测到其最终的气泡位置，进而能够在后续中较好的控制气孔的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可直观观测到气泡运动过程的立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置；本发明的目的还在于提供一种该立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置的模拟铸型。

为实现上述目的，本发明模拟铸型的技术方案是：

模拟铸型，包括用于被驱动装置驱动而旋转的模拟铸型本体，模拟铸型本体包括基础部分和透明部分，基础部分与透明部分围成用于容纳模拟流体的模拟浇注型腔，模拟铸型上还设置有用于向模拟浇注型腔中通入气泡的气泡产生结构。

透明部分由一个或两个以上的上下叠设的有机玻璃板构成。

有机玻璃板有两块，其中下层的有机玻璃板上设置有贯通该有机玻璃板上下板面的贯通孔，基础部分包括有基板，所述基板、贯通孔和上层有机玻璃板共同构成所述模拟浇注型腔。

气泡产生结构包括设置在基板上的气泡产生室，所述气泡产生室为贯通基板两个板面的通孔，基板具有用于将通孔的下端密封在转台上的下板面。

模拟浇注型腔包括设置在回转中心两侧的左型腔和右型腔，模拟铸型的回转中心处设置有分别与左、右型腔相通的进液口。

气泡产生结构设置于模拟浇注型腔远离回转中心的一侧。

左、右型腔的其中一个为迷宫式型腔。

本发明的立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置的技术方案是:

立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置，包括模拟铸型和用于驱动模拟铸型转动的驱动装置，模拟铸型包括用于被驱动装置驱动而旋转的模拟铸型本体，模拟铸型本体包括基础部分和透明部分，基础部分与透明部分围成用于容纳模拟流体的模拟浇注型腔，模拟铸型上还设置有用于向模拟浇注型腔中通入气泡的气泡产生结构。

驱动装置包括与模拟铸型固连的转台和用于驱动离心转台转动的电机，所述驱动装置还包括与电机控制连接的用于调整电机转速的控制器。

模拟装置还包括气泡位置检测装置，气泡位置检测装置包括设置在模拟铸型上方的用于实时拍摄模拟流体中气泡的高速摄像机和连接高速摄像机的计算机。

本发明的有益效果是：相比于现有技术，本发明所涉及的立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置，包括用于被驱动装置驱动而旋转的模拟铸型本体，模拟铸型本体包括基础部分和透明部分，基础部分与透明部分围成用于容纳模拟流体的模拟浇注型腔，模拟铸型上还设置有用于向模拟浇注型腔中通入气泡的气泡产生结构，通过驱动装置控制模拟铸型转动，达到离心铸造设备的模拟效果，并通过气泡产生结构向型腔内的模拟流体中通入气泡，在转动过程中，通过直观观测气泡的实时位置，并加以分析，可直接得到气泡在模拟铸型中的运动规律，结构比较简单，且通过模拟装置使得试验成本较低，结果直观可得。

附图说明

图1为本发明立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置的具体实施例结构示意图；

图2为图1中的模拟铸型俯视图；

图3为图2的A向剖视图；

图4为图2中的气泡产生孔的结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置的具体实施例，如图1至图4所示，该模拟装置包括模拟铸型6、设置在模拟铸型6下侧与模拟铸型同步转动的离心转台5，模拟铸型6通过四个六角螺栓65与离心转台5固定，离心转台5下连接有驱动离心转台转动的驱动装置，该驱动装置包括一端与离心转台连接的液力耦合器（其工作原理和结构为现有技术，不再展开），液力耦合器3的另一端连接有三相交流电机2，且驱动装置还包括与三相交流电机控制连接的控制器1，该控制器为HT6000变频器，可调节电动机的旋转频率，进而调整电机的转速，离心转台外部设置有防护罩4，以隔离模拟铸型内的模拟流体在转动时溅出，该模拟装置还包括气泡位置检测装置，气泡位置检测装置包括设置在模拟铸型上方的高速摄影机7，及与高速摄影机信号连接的计算机8，通过高速摄像机7对模拟铸型内的气泡的实时拍摄来获得气泡的位置信息，并通过计算机对数据进行扫描分析。

模拟铸型包括由三块有机玻璃板上下密封叠设而成，其中中层的有机玻璃板67上设置沿转动中心径向的两侧各设置有贯通该有机玻璃板上下板面的贯通孔，其中一个贯通孔的径向截面为“一”字型62，另一贯通孔的径向截面为半“喜”字形63，上层的有机玻璃板66和下层的有机玻璃板68与所述贯通孔扣合形成模拟铸型的型腔即模拟浇注型腔，在上层的有机玻璃板的回转中心处设置有与型腔相通的进液口，进液口上方设置有用于将模拟流体导流入进液口的导向管69；在下层的有机玻璃板上与型腔远离回转中心的端部对应的位置设置有气泡产生孔61，气泡产生孔61为上端缩口的孔状结构，与型腔相通，且在气泡产生孔的下方设置有硅胶垫片加以密封。三个有机玻璃板通过螺钉64固定在一起，且相邻的两块有机玻璃板之间加装有密封垫片，该模拟铸型通过两侧的螺钉固定在离心转台上。本发明中的模拟流体优选为带有增粘剂的水，气泡产生孔内优选设置碳化钙颗粒，通过碳化钙和水接触后反应生成气体在水中的实时位置，来得出气泡实际的运动规律，考虑到水的粘度较低的缘故，向其中加入了增粘剂，从而使其粘度能够符合离心力场下钛合金熔体流动物理模拟的相似准则。同时，为了使拍摄到的画面更清楚，在水中放入了适量的红色染料。

在其他实施例中，控制系统可不设置液力耦合器，直接通过电机控制；控制器可采用其他类型的控制器，比如通过电机的极对数调速或串极调速或换向器电机调速等形式来控制电机的转速；型腔可设置为其他形状的结构，能够满足对于各种不同的型腔，均能检测到气泡的运动规律即可；贯通孔可不止设置为一个，可设置多个不同形状的贯通孔；气泡产生室可设置在中层的有机玻璃板上与型腔相通；气泡产生结构可包括设置在上层有机玻璃板上与型腔相通设置多个打气孔及通过打气孔对转动中的型腔内的模拟流体直接通入气泡的气泵和与气泵连接的用于向型腔内通入气泡的回转接头，打气孔与回转接头上的输出端相连；模拟铸型可以采用透明的塑料一体浇注成型；可不在水中增加染料，反应物可设置为其他与水化学反应产生气体的物质，如碳酸钙，并将水改设为盐酸；有机玻璃板可设置为上下两层，在下层的有机玻璃板上设置有槽，通过槽与上层玻璃板的支撑构成型腔；底层的玻璃板可设置为不透明的；型腔可有一体成型的浇注塑料成型；有机玻璃板可设置有多个，中间部分的有机玻璃板设置有贯通中间部分的全部有机玻璃板的贯通孔。

本发明所涉及的模拟铸型，其具体实施例与上述立式离心铸造的气泡运动物理模拟装置的模拟铸型实施例一致，不再详细展开。