专利名称：一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法
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^ig士0. lkg，置于熔炼坩埚中，加热至730°C 士5°C，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°C 士5°C，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°C ；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， 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 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β = ^^(I)
Pl式中β表示凝固收缩率，P s表示固相密度，P 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AVj = β (Afu)Vj (II)式中j表示网格单元编号，Δ Vj表示编号为j的单元在一个时间步长内的体积收缩量，Afu表示编号为j单元的液相率变化值,Vj表示编号为j的单元的体积，β (Afu)Vj 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
权利要求
1. 一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，其特征在于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 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1kg，置于熔炼坩埚中，加热至730°C 士 5°C，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°C 士5°C，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°C ；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， 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 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，建立计算模型基石出；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式中β表示凝固收缩率，P 3表示固相密度，P ^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 AVj = β (Afu)Vj (II)式中j表示网格单元编号，AVj表示编号为j的单元在一个时间步长内的体积收缩量，Afu表示编号为j单元的液相率变化值，\表示编号为j的单元的体积，β (Afu)Vd+ 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AFp=XAFj=^(XAflj)Vj.(III)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，δ Vp表示P号熔池总的体积收缩量，Σ表示求和，风Σ/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 AVp的大小，出现两种情况情况1:若VkS Δ Vp式中k表示熔池中网格层数，Vk表示编号为ρ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式中表示第k层编号为j单元的液体体积，Nk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Vk < Δ Vp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-Ι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-Ι层单元液量变为式中=Vf1表示第k-Ι层编号为j单元的液体体积，Nk^1表示第k-Ι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-Ι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 fsc = k' ρ' +b (VI)式中P'表示压力，p' m表示临界压力值，fs。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
全文摘要
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。
文档编号B22D18/08GK102274947SQ201110236748
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者侯华, 牛晓峰, 王 忠, 赵宇宏, 赵宇辉, 靳玉春 申请人:中北大学