一种真空调速浇注过程的多探针测速方法与装置与流程

本发明属铸造设备技术领域，尤其是涉及一种真空调速浇注过程的多探针测速方法与装置。

背景技术：

铝合金及镁合金因其比强度大、质量轻，铸造性能良好等特点，被广泛地应用于航空航天、汽车、建筑等领域，并在这些领域发挥着越来越重要的作用。伴随着科技的不断发展和进步，也不断地对铝合金及镁合金的性能提出更高的要求。

由于铝合金及镁合金中的铝元素和镁元素均为化学性质极为活泼的元素，很容易与空气中的氧气发生反应而被氧化。因此，在铝合金及镁合金的浇注过程中，如果能够保证熔体不与或者少与空气接触，就能减少合金在浇注过程中的氧化，减少合金熔体内的氧化夹杂，从而最终减少合金铸件的缺陷，提高合金铸件的性能。同时，如果能够在浇注时实现合金的精确定量，就能提高材料的利用率，减少原材料的浪费，减少铸件成型后的二次加工，从而降低生产成本，提高生产效率。同时，在某些铸造方法中，如挤压铸造，浇注过程中由于浇注速度控制不当，非常容易出现金属熔体飞溅，造成充型的不稳定并造成安全隐患，同时也影响了设备的使用寿命，是影响铸件质量的重要因素之一，而要解决飞溅问题，则需要实现金属熔体浇注速度的精确控制，使金属熔体可以在可控条件下充型，但在实际生产中，熔体的摄取和浇注口要反复执行从保温容器摄取-模具或者压室浇注的过程，此过程中摄取和浇注口非常容易出现熔体冻结的现象，使浇注口面积出现变化，因而导致在基于理想状况的浇注参数发生偏移，同时浇注过程通常在高温密封的环境下进行，实时监控具有非常大的难度，因而实现一种浇注过程中对浇注速度的快捷、方便的实时测定方法具有重要的意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空调速浇注过程的多探针测速方法与装置。

本发明完整的技术方案包括：

一种真空调速浇注过程的多探针测速装置，所述的装置具有密封容器，所述密封容器用于在熔炼炉或保温炉处实现金属熔体摄取，并在模具或者压室处实现金属熔体的浇注，在所述的密封容器内部设有若干内部金属液面探针，所述内部金属液面探针用于实时监测容器内合金熔体液面的的高度，每个内部金属液面探针的下端部按照一定的高度差分布在密封容器内部，所述每个内部金属液面探针均与反馈信号接收装置电连接。

所述多探针测速装置还包括用于实现金属熔体摄取和浇注的气动系统和控制系统。

利用所述装置进行浇注过程实时测速的方法，其中测速是指能够在浇注过程中实时监测密封容器内合金熔体液面的下降速度，其特征在于，

在浇注开始时，金属熔体液面高度高于所有探针，此时所有探针均位于液面以下并处于连通状态，此时按预设参数开始浇注，熔体液面下降，第一个探针与熔体分离，设此时密封容器内合金熔体液面的高度是h₁，并开始计时，随着合金熔体液面继续下降，第二个探针与熔体分离，设此时密封容器内合金熔体液面的高度是h₂，设此过程中两个金属液面探针高度差为Δh＝h₁-h₂，经过时间为Δt，根据如下公式计算此过程中熔体的实际浇注速度：

式中，P₁为密封容器内气体预设压强，ρ为合金熔体的密度，P₀为大气压，g为重力加速度。v_1r为密封容器内合金熔体液面的实际下降速度，v_2r为合金熔体出口处的实际流速。

当合金熔体液面继续下降，随后的各探针与熔体分离时，重复上述过程，得到每一阶段实际的浇注速度。

上述计算由所述控制系统实时完成。

本发明的优点是：本发明使用多个内部金属液面探针对密封容器内部的合金熔体液面高度进行监测，并通过计算得到合金熔体的浇注速度。判断浇注速度是否过快或者过慢，从而判断设备是否出现问题，在浇注过程中合金熔体是否会产生卷气或者氧化夹杂等问题，便于浇注过程中问题的发现和解决。

附图说明

图1为本发明的多探针测速装置结构示意图。

图2为本发明的真空调速浇注过程的精确调速设备结构示意图。

图3为本发明的抽真空装置和压缩气体填充装置气路控制系统示意图。

图4为本发明的摄取合金熔体过程示意图。

其中，1—机械装置；2—固定装置；3—气缸；4—真空调速定量浇注装置；5—反馈信号接收装置；6—控制系统；7—合金熔体；8—炉体；9—压室或者模具；31—活塞杆；32—连接杆；41—密封容器；42—内部金属液位检测装置；43—关闭塞；44—外部金属液面探针；45—抽真空装置；46—压缩气体填充装置；411—容器罐；412—容器罐底部开口；413—上盖；414—法兰盘；4131—通气孔；451—真空缓冲罐；452—气动球阀一；461—贮气罐；462—压力计一；463—减压阀；464—气动球阀二；465—数字式组合阀；466—压力计二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种真空调速浇注过程的多探针测速装置，所述的装置具有密封容器，所述密封容器用于在熔炼炉或保温炉处实现金属熔体摄取，并在模具或者压室处实现金属熔体的浇注，在所述的密封容器内部设有若干内部金属液面探针，所述内部金属液面探针用于实时监测容器内合金熔体液面的的高度，每个内部金属液面探针的下端部按照一定的高度差分布在密封容器内部，所述每个内部金属液面探针均与反馈信号接收装置电连接。

所述多探针测速装置还包括用于实现金属熔体摄取和浇注的气动系统和控制系统。

利用所述装置进行浇注过程实时测速的方法，其中测速是指能够在浇注过程中实时监测密封容器内合金熔体液面的下降速度，其特征在于，

在浇注开始时，金属熔体液面高度高于所有探针，此时所有探针均位于液面以下并处于连通状态，此时按预设参数开始浇注，熔体液面下降，第一个探针与熔体分离，设此时密封容器内合金熔体液面的高度是h₁，并开始计时，随着合金熔体液面继续下降，第二个探针与熔体分离，设此时密封容器内合金熔体液面的高度是h₂，设此过程中两个金属液面探针高度差为Δh＝h₁-h₂，经过时间为Δt，根据如下公式计算此过程中熔体的实际浇注速度：

式中，P₁为密封容器内气体预设压强，ρ为合金熔体的密度，P₀为大气压，g为重力加速度。v_1r为密封容器内合金熔体液面的实际下降速度，v_2r为合金熔体出口处的实际流速。

当合金熔体液面继续下降，随后的各探针与熔体分离时，重复上述过程，得到每一阶段实际的浇注速度。

上述计算由所述控制系统实时完成。

优选的，包含所述多探针测速装置的真空调速浇注过程的精确调速设备，所述的装置包括密封容器、浇注口开合装置、抽真空装置、压缩气体填充装置、液面下降速度测定装置、反馈信号接收装置和控制系统；

所述密封容器用于储存金属熔体，并在熔炼炉或保温炉处实现金属熔体摄取，在模具或者压室处实现金属熔体的浇注；

所述浇注口开合装置用以在金属熔体的摄取、转移、浇注过程中实现浇注口的开启或关闭；

所述抽真空装置用以实现密封容器内的抽真空，用以实现金属熔体的摄取；

所述压缩气体填充装置用以实现浇注过程中金属熔体的排出；

所述液面下降速度测定装置用以测定浇注过程中密封容器内金属熔体的实际液面下降速度；

所述反馈信号接收装置用于将金属熔体摄取和排出过程中，密封容器内金属熔体液面高度、密封容器进入熔炼炉或保温炉内熔体深度等数据反馈给控制系统；

所述控制系统控制抽真空装置和浇注口开合装置的启动/停止、压缩气体填充装置进行气体填充的压力值。

更优选的，所述的真空调速浇注过程的精确调速设备具体为：

合金熔体真空调速定量浇注设备，包括机械装置1、固定装置2、气缸3、真空调速定量浇注装置4、反馈信号接收装置5、控制系统6。真空调速定量浇注装置4又包含密封容器41、内部金属液位监测装置42、关闭塞43、外部金属液面探针44、抽真空装置45、压缩气体填充装置46。固定装置2为一T字形横梁，一端固定一个气缸3，一端固定真空调速定量浇注装置4，最后一端固定在机械装置1上，这样既保证了气缸3和真空调速定量浇注装置4的相对固定，同时使整个设备可以在机械装置1的控制下移动或者转动。气缸3包括一个活塞杆31和一个连接杆32。气缸3固定在固定装置2上。连接杆32为一个细杆，连接杆32一端连接活塞杆31，另一端连接关闭塞43，关闭塞43就能够在气缸3的控制下实现开启和关闭。密封容器41由容器罐411、容器罐底部开口412、上盖413、法兰盘414这三部分组成。其中，罐411是一个圆柱形的空心容器，底部中心部位有容器罐底部开口412。容器罐411通过法兰盘414固定在上盖413上，连接处有密封圈保证装置的气密性。连接杆32通过上盖413上面的通孔插入密封容器，通孔处设有密封圈保证装置的气密性。上盖413上面的通气孔4131通过未画出的弹性补偿管连接抽真空装置45和压缩气体填充装置46。即，抽真空装置45和压缩气体填充装置46通过通气孔4131对密封容器41抽真空和填充气体。关闭塞43为一圆台形堵头，它一端连接到连接杆32上，通过气缸3的控制实现开闭。内部金属液位监测装置42固定在上盖413上，作用是监测合金熔体液面的实际高度和下降速度。外部金属液面探针44固定在法兰盘414上，作用是监测容器罐底部开口412是否浸入合金熔体7的液面下一定的深度，保证在液面以下摄取合金熔体7。内部金属液位监测装置42、外部金属液面探针44均电连接到反馈信号接收装置5，用将物理信号转换化为电信号。抽真空装置45包括一个真空缓冲罐451和一个气动球阀452，通过开关气动球阀一来控制真空缓冲罐451对密封容器41抽真空动作的启停。压缩气体填充装置46包括贮气罐461、气压计一462、减压阀463、气动球阀464、数字式组合阀465、气压计二466。贮气罐461中贮存压缩空气或者惰性气体，作为压缩气体填充装置46的气源。气压计一462用来监测和反馈贮气罐461中气体的压力。减压阀463的作用是对从贮气罐461中流入管路的气体进行减压。通过对气动球阀二464的开关实现贮气罐461中压缩空气或者惰性气体对密封容器41的填充的启停。数字式组合阀465对压缩气体的压强进行实时调节。气压计二466作用是监测和反馈密封容器41中的气压。机械装置1、气缸3、抽真空装置45、压缩气体填充装置46、反馈信号接收装置5均电连接到控制系统6上，以实现整个设备的自动控制。

以恒定速度浇注为例，对所述的合金熔体真空调速定量浇注设备的工作过程进行说明，具体步骤包括：

1、确定需要摄取的合金熔体7的量以及浇注速度预设值和浇注量，输入控制系统6；

2、通过控制系统6控制机械装置1使设备在炉体8内向下移动，直到外部金属液面探针44接触到合金熔体7的液面，外部金属液面探针44通过反馈信号接收装置5将信号传给控制系统6，控制系统6控制机械装置1停止移动；

3、通过控制系统6控制气缸3动作，使活塞杆31位于1工位，此时关闭塞43打开；

4、通过控制系统6启动抽真空装置45，即开启气动球阀一452，通过通气孔4131对密封容器41抽真空；

5、密封容器41内液面在内外压差的作用下上升，内部金属液位监测装置42实时监测液面位置并通过反馈信号接收装置5反馈给控制系统6，当合金熔体7的摄入量到达指定量时，在控制系统6作用下，气缸31动作，使活塞杆31位于2工位，此时关闭塞43关闭，同时气动球阀一452关闭，抽真空装置45停止对密封容器41抽真空；

6、控制系统6控制机械装置1移动定量浇注装置4到压室9的上方；

7、通过控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆31位于1工位，此时关闭塞43打开，同时气动球阀二464开启，启动压缩气体填充装置46，向通气孔4131内通入压缩气体，合金熔体在压缩气体推力及重力的作用下浇入压室9；

其中，在本步骤中，初始的浇注速度为预设值，该浇注速度的预设值通过密封容器内的预设气体压强来实现，该预设气体压强由以下方法确定：

设预设的浇注速度为v₂，根据如下公式(1)(2)确定得到v₂所需要的密封容器内的预设气体压强P₁：

v₂＝Cv₁ (2)

上式中，P₁为密封容器内气体预设压强，h为合金熔体液面实时高度，v₁为密封容器内部合金熔体液面下降速度，v₂为密封容器底部开口处合金熔体的流速即浇注速度v₂，C为容器罐径向截面积和容器罐底部开口径向截面积之初始比，ρ为合金熔体的密度，P₀为大气压，g为重力加速度。

8、由于在浇注过程中，合金熔体液面实时高度h是实时发生变化的，因而密封容器内气体预设压强P₁也应该实时发生变化，因而控制系统6根据设定的浇注速度和压力计二466、内部金属液位监测装置42的反馈信号，通过数字式组合阀465实时调整压缩气体填充装置46的压强，从而实现对浇注速度的控制。

9、浇注过程中，通过内部金属液位监测装置42实时监测密封容器内金属液面实际下降速度v_1r，并通过反馈信号接收装置5反馈给控制系统6，所述的金属液面实际下降速度v_1r采用本发明所述的多探针方式，并根据如下公式(3)(4)确定容器罐径向截面积和容器罐开口处径向截面积的真实比值C_r。

v_2r＝C_rv_1r (4)

根据确定的容器罐径向截面积和容器罐开口处径向截面积的真实比值C_r对密封容器内预设气体压强调整进行调整，方法为将C_r，所需的浇注速度v₂及目前时刻合金熔体液面高度h参数，代入公式(1)(2)，得到目前时刻容器内所需压强P_1r。

在浇注过程中，以上计算由控制系统不断地执行，从而根据实际情况的改变实现对浇注速度的精确调整。

10、当达到预设的浇注量时，控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆31位于2工位，此时关闭塞43关闭，同时控制气动球阀二464关闭，压缩气体填充装置46停止向密封容器41充气；

11、控制系统6控制机械装置1带动真空调速定量浇注装置4从压室移开，等待下一次浇注或者摄取熔体。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。