一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法
【专利摘要】本发明一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，属于电磁泵低压铸造【技术领域】，所要解决的技术问题为提供一种在电磁泵低压铸造充型过程中，能够根据截面大小来调整充型速度，即适时改变充型压力的方法；采用的技术方案为：按下述步骤进行：第一步，作出铸件的铸造工艺三维模型，第二步，将铸件沿Z方向即浇注方向进行切片分析，第三步，将铸件沿Z方向即浇注方向分解成若干个部分，第四步，形成铸件整体的压力-时间曲线P(t)，第五步，将第四步中的P(t)修正为PM(t)，第六步，将PM(t)压力-时间曲线转换为I(t)电流-时间曲线，第七步，将高温激光液面测距仪安装在铝液上方，并打开，第八步，测试并记录液面初始位置；第九步，安装铸型，执行低压铸造充型工艺。
【专利说明】一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，属于电磁泵低压铸造【技术领域】，特别涉及电磁泵低压铸造中充型工艺的设计和控制方法。
【背景技术】
[0002]电磁泵低压铸造与传统的气压式低压铸造加压方式不同。气压式低压铸造所产生的气压可以直接测量，在执行铸造工艺过程时对于充型压力和保压压力随时采集、实时反馈，实现闭环控制，而电磁泵严格按照设定的参数进行压力输出。
[0003]电磁泵低压铸造所产生的动力是通过电场和磁场的共同作用而实现的。用电磁泵和保温炉组成的铝合金低压铸造装置与传统的气压式铝合金低压铸造系统相比，具有压力精确可调，连续生产过程中铝液吸气量少，铸件质量好等优点。但在充型过程中无法直接测量高温金属液的流量和压力，在执行铸造工艺路线时只能是开环控制。因而对外加电场及磁场与金属液流量及所产生的压力之间的关系及控制方法直接决定了该技术执行铸造工艺的准确性。
[0004]低压铸造过程一般分为升液、充型、结壳、增压、保压、卸压等六个阶段，升液和充型过程对铸件质量有重要的影响，其工艺参数的选择将决定铸件是否会出现卷气、二次夹杂、冷隔、浇不足等铸造缺陷，增压和保压阶段的设置主要用于铸件补缩，是否选用结壳阶段与铸型性质有关，一般金属型无需结壳阶段。升液过程是铸件成型的第一个阶段，以一定的升液速度将金属从坩埚上升至升液管上端口 ；充型过程是铸件成型的第二个阶段，对铸件充型质量来说，充型压力过大或过小都会产生许多铸造缺陷(如卷气、夹杂、浇不足、冷隔及砂眼等)。因此，控制充型过程是获得优质铸件的重要前提条件。
[0005]传统工艺充型压力的计算中，充型阻力系数的取值是I?1.5的不定值，且压力值只与铸件高度有关，忽略了复杂铸件截面积有变化的情况。而在实际生产中，大部分铸件的横截面积在整个高度不是完全一致的，利用传统的加压工艺规范进行充型时，不能体现这个特点，如果用不变的速度充型，容易在大截面处产生液面起伏，产生二次夹杂。
[0006]在低压铸造中，现有的铸造工艺设计方法，对形状简单，高度不大，横断面形状和面积变化不大的铸件，充型效果较为理想。但实际生产中，各类铸件形状不一，绝大部分的铸件不能保证其横截面积在整个高度完全一致，并且有时候差别会很大。如果用同样的速度充型，容易在大截面时产生严重的紊流，降低铸件的质量。
【发明内容】
[0007]本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种在电磁泵低压铸造充型过程中，能够根据截面大小来调整充型速度，即适时改变充型压力的方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，按下述步骤进行:
[0009]第一步，作出铸件的铸造工艺三维模型，包括铸件毛坯、浇注系统、冒口 ；[0010]第二步，根据第一步中的三维模型，将铸件沿Z方向即浇注方向进行切片分析，计算出铸件的高度-截面积分布图Aff(Z)、高度-面积重叠比分布图a ff (Z)和高度-体积分布图Vc=f (z)，所述切片分析中切片间距为l_5mm ；
[0011]第三步，根据第二步中计算出的高度-面积重叠比分布图CIff(Z)和高度-体积分布图V^f (Z)自动将铸件沿Z方向即浇注方向分解成若干个部分，即分段，分别计算每个部分的体积；所述分段的原则为:(a)截面发生突变位置，即两个紧邻切片的面积比>1.2或者〈0.8, (b)重叠比小于70%,所述重叠比a C=A1Amin,其中,A1为两个紧邻切片的重叠面积，Aniin为两个紧邻切片中面积较小的一方；
[0012]第四步，根据铸件分段结果，生成铸件每部分的压力-时间曲线，然后将各部分的压力-时间曲线拼接在一起形成铸件整体的压力-时间曲线P (t)；
[0013]第五步，计算铝合金低压铸造电磁泵所用坩埚的截面积-高度分布图Af=f (Z)和体积-高度分布图h=f(Vf)，根据坩埚面积h=f(Vf)分布图，将第四步中的P(t)修正为p?(t), PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P iggh，其中，h为浇注过程中t时刻剩余铝液体积VfK对应的液面深度；
[0014]第六步，将铝合金低压铸造电磁泵的特性将PM(t)压力-时间曲线转换为I (t)电流-时间曲线，并输入控制电脑，作为低 压铸造工艺曲线使用；
[0015]第七步，将熔化后的铝液置于电磁泵坩埚中，铝液精炼至液面光亮；
[0016]第八步，将铝液温度调整至浇注温度并保温，打开电磁泵上的励磁控制开关和电流控制开关，将液面悬浮至升液管管口 ；
[0017]第九步，安装铸型，按照第六步中得出的低压铸造工艺曲线执行电流输出，执行低压铸造充型工艺。
[0018]在所述第七步中，还有将高温激光液面测距仪安装在铝液上方，并打开高温激光液面测距仪的步骤；
[0019]所述第八步中，当液面悬浮至升液管管口后，高温激光液面测距仪测试并记录液面初始位置；
[0020]所述第九步执行低压铸造充型工艺的过程中，根据高温激光液面测距仪实时测试的液面位置，计算充入铸型型腔的铝液体积，根据铸件高度-体积分布图Vc=Mz)反算出铸型内液面高度，将反算值h。与压力曲线PM(t)进行对比，如果h。与PM(t)对应位置存在偏差，对压力曲线PM(t)进行微调，进而对电流曲线I (t)进行微调，使充型过程按照实时微调后的曲线进行充型，直至充型结束。
[0021]所述第七步中的高温激光液面测距仪外套装有保护管，保护管伸入铝液内，且保护管内充满氩气。
[0022]所述第二步中对铸件的铸造工艺三维模型图进行切片分析时，用现有的软件可以做到，但很麻烦，可以根据需要设计一款切片分析的软件，从而提高效率。
[0023]本发明方法除了应用于铝合金低压铸造电磁泵外，略作调整后也可应用于其它合金低压铸造电磁泵的充型工艺设计；在可以预测气压式低压铸造流量的条件下也可以适用于气压式低压铸造设备。
[0024]本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
[0025]1、本发明方法对于铸件进行分段加压完成充型的工艺，在低压铸造的充型阶段，采用分段变压力充型工艺，适时改变充型压力，在满足完整充型的基础上，利用直流平面电磁泵的特性，控制施压的电流和充型流量，有效地控制充型速度，完成平稳充型。即针对复杂铸件低压铸造的充型阶段，在铸件小截面处适当增大充型速度，在铸件大截面处适当减小充型速度。这样可以有效避免金属液的喷射和飞溅，减少充型过程中金属液态的紊流和气体的卷入，从而达到逐层平稳充型，最大程度减少铸件的缺陷，实现铸造成形精确控制，保证铸件的成形质量。
[0026]2、本发明方法中，针对铝合金低压铸造电磁泵的特点，采用激光液面测距仪对充型过程中坩埚内液体体积变化进行记录，并根据液面下降高度对充型压力进行压力补偿，实现闭环控制，从而可以根据铸件结构特点进行自适应充型工艺设计，保证铸件平稳充型。
[0027]3、本发明方法中，对于任意复杂的低压铸造零件，都可以根据其零件特征，绘制出其充型过程的压力-时间曲线，电磁泵充型的电流-时间曲线，从而对其的充型过程进行精确控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0029]图1为实施例一中箱体铸件的三维模型图。
[0030]图2为实施例一中箱体铸件切片后的初步结果图。
[0031]图3为对实施例一中箱体铸件用现有方法设计的充型工艺与用本发明方法设计的充型工艺的对比图。
[0032]图4为本发明中铝合金低压铸造电磁泵的水力压头高度H与电流I之间的工作曲线。
[0033]图中:1为铸件截面积随高度变化曲线，2为铸件截面积随高度变化斜率，3为对实施例一中箱体铸件用现有方法设计的充型工艺曲线，4为对实施例一中箱体铸件用本发明方法设计的充型工艺曲线，5为铝合金低压铸造电磁泵的水力压头高度H与电流I之间的工作曲线。
【具体实施方式】
[0034]本发明在进行铸件浇注时，通过对截面变化突出的铸件进行合理分段，利用不同铸件截面积比值所允许的临界速度，将速度-时间曲线转换为可控制的压力-时间曲线，用建立的充型过程中变斜率加压工艺规范曲线，完成充型过程。
[0035]实施例一
[0036]如图1-图4所示，一个壁厚较为均匀，高度为750_的截面积变化显著的铝合金箱体的充型工艺的设计方法:
[0037]第一步，作出箱体的铸造工艺三维模型，包括箱体毛坯、浇注系统、冒口 ；
[0038]第二步，根据第一步中的三维模型，将铸件沿Z方向即浇注方向进行切片分析，如图2所示，计算出箱体的高度-截面积分布图Ac=f (Z)、高度-面积重叠比分布图a c=f(z)和高度-体积分布图Ve=f(z)，所述切片分析中切片间距为Imm,或为3mm,或为5mm ；
[0039]第三步，根据第二步中计算出的高度-面积重叠比分布图Ciff(Z)和高度-体积分布图Ve=f (Z)自动将箱体沿Z方向即浇注方向分解成三部分，即分为三段，分别计算每个部分的体积；所述分段的原则为:(a)截面发生突变位置，即两个紧邻切片的面积比>1.2或者〈0.8, (b)重叠比小于70%,所述重叠比a C=A1Amin,其中,A1为两个紧邻切片的重叠面积，Aniin为两个紧邻切片中面积较小的一方；
[0040]第四步，根据铸件分段结果，生成铸件每部分的压力-时间曲线，然后将各部分的压力-时间曲线拼接在一起形成铸件整体的压力-时间曲线P (t)，如图3中曲线4所示；
[0041]本步骤中，是利用不同面积比所允许的临界速度，从而计算出铸件的加压工艺曲线的。低压铸造的加压工艺曲线是压力P-时间t曲线，曲线的斜率就是加压速度，本发明的目的就是通过改变加压速度来改变充型过程中金属液的流速的。
[0042]第五步，计算铝合金低压铸造电磁泵所用坩埚的截面积-高度分布图Af=f (Z)和体积-高度分布图h=f(Vf)，根据坩埚面积h=f(Vf)分布图，将第四步中的P(t)修正为p?(t), PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P iggh，其中，h为浇注过程中t时刻剩余铝液体积VfK对应的液面深度；
[0043]第六步，将铝合金低压铸造电磁泵的特性将PM(t)压力-时间曲线转换为I (t)电流-时间曲线，并输入控制电脑，作为低压铸造工艺曲线使用；
[0044]不同的电磁泵结构有不同的电流1-压力P工作曲线，但是所有的电磁泵的电流1-压力P之间基本是线性关系，满足以下公式:
[0045]P=K I+C
[0046]其中P为工作压力，I为输出电流，K为比例系数，与电磁泵结构有关的常数，C是常数，与电磁铁和液面深度有关； [0047]为了计算的方便，也用压头高度H来表示压力，将上述公式的两边都除以Pg可以得到电磁泵水力压头高度H与电流I的工作曲线:
[0048]H=K1RC1
[0049]其中H为电磁泵的工作水力压头高度，K1=K/ P g，C1=C/ P g ；
[0050]本发明中铝合金低压铸造电磁泵的水力压头高度H与电流I之间的工作曲线为:
[0051]H=L 45051 - 25.469 ;如图 4 所示;
[0052]第七步，将熔化后的铝液置于电磁泵坩埚中，铝液精炼至液面光亮，将高温激光液面测距仪安装在铝液上方，并打开高温激光液面测距仪；
[0053]第八步，将铝液温度调整至浇注温度并保温，打开电磁泵上的励磁控制开关和电流控制开关，将液面悬浮至升液管管口，高温激光液面测距仪测试并记录液面初始位置；
[0054]第九步，安装铸型，按照第六步中得出的低压铸造工艺曲线执行电流输出，执行低压铸造充型工艺；
[0055]在执行低压铸造充型工艺过程中，根据高温激光液面测距仪实时测试的液面位置，计算充入铸型型腔的铝液体积，根据铸件高度-体积分布图Vc=Mz)反算出铸型内液面高度，将反算值h。与压力曲线PM(t)进行对比，如果h。与Pm (t)对应位置存在偏差，对压力曲线PM(t)进行微调，进而对电流曲线I (t)进行微调，使充型过程按照实时微调后的曲线进行充型，直至充型结束。
【权利要求】
1.一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，其特征在于按下述步骤进行: 第一步，作出铸件的铸造工艺三维模型，包括铸件毛坯、浇注系统、冒口 ； 第二步，根据第一步中的三维模型，将铸件沿Z方向即浇注方向进行切片分析，计算出铸件的高度-截面积分布图Aff (Z)、高度-面积重叠比分布图a c=f(z)和高度-体积分布图Ve=f (z),所述切片分析中切片间距为l-5mm ; 第三步，根据第二步中计算出的高度-面积重叠比分布图a ff (Z)和高度-体积分布图V^f (Z)自动将铸件沿Z方向即浇注方向分解成若干个部分，即分段，分别计算每个部分的体积；所述分段的原则为:(a)截面发生突变位置，即两个紧邻切片的面积比>1.2或者〈0.8，(b)重叠比小于70%，所述重叠比a C=A1Aniin，其中,A1为两个紧邻切片的重叠面积,Aniin为两个紧邻切片中面积较小的一方； 第四步，根据铸件分段结果，生成铸件每部分的压力-时间曲线，然后将各部分的压力-时间曲线拼接在一起形成铸件整体的压力-时间曲线P (t)； 第五步，计算铝合金低压铸造电磁泵所用坩埚的截面积-高度分布图Af=f (z)和体积-高度分布图h=f(Vf)，根据坩埚面积h=f(Vf)分布图，将第四步中的P(t)修正为PM(t)，PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P !ggh，其中，h为浇注过程中t时刻剩余铝液体积VfK对应的液面深度； 第六步，将铝合金低压铸造电磁泵的特性将PM(t)压力-时间曲线转换为I(t)电流-时间曲线，并输入控制电脑，作为低压铸造工艺曲线使用； 第七步，将熔化后的铝液置于电磁泵坩埚中，铝液精炼至液面光亮； 第八步，将铝液温度调整至浇注温度并保温，打开电磁泵上的励磁控制开关和电流控制开关，将液面悬浮至升液管管口 ； 第九步，安装铸型，按照第六步中得出的低压铸造工艺曲线执行电流输出，执行低压铸造充型工艺。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，其特征在于: 在所述第七步中，还有将高温激光液面测距仪安装在铝液上方，并打开高温激光液面测距仪的步骤； 所述第八步中，当液面悬浮至升液管管口后，高温激光液面测距仪测试并记录液面初始位置； 所述第九步执行低压铸造充型工艺的过程中，根据高温激光液面测距仪实时测试的液面位置，计算充入铸型型腔的铝液体积，根据铸件高度-体积分布图Vc=Mz)反算出铸型内液面高度，将反算值h。与压力曲线PM(t)进行对比，如果h。与Pm(t)对应位置存在偏差，对压力曲线PM(t)进行微调，进而对电流曲线I(t)进行微调，使充型过程按照实时微调后的曲线进行充型，直至充型结束。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于电磁泵低压铸造充型工艺的设计方法，其特征在于:所述第七步中的高温激光液面测距仪外套装有保护管，保护管伸入铝液内，且保护管内充满氩气。
【文档编号】B22D18/04GK103658599SQ201310571239
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】毛红奎, 徐宏, 党惊知, 侯击波, 张国伟 申请人:中北大学