基于真空差压铸造分级加压充型的充型压差确定方法与流程

本发明涉及特种铸造技术领域，具体涉及一种基于真空差压铸造分级加压充型的充型压差确定方法。

背景技术：

真空差压铸造已被广泛的应用于生产薄壁铸件，且国内外研究者对其充型过程进行了广泛的研究，早在20世纪80年代，国外的campbellj和weng-singhwang等人就对薄壁铸件的充型流态进行了研究，提出了非定常垂直浸没限制射流的理论，认为薄壁板状型腔中的限制射流宽度主要由壁厚、液体表面张力和内浇口宽度与平板宽度之比决定。从1989年开始，我国西北工业大学在周尧和院士率领下，对真空差压铸造进行了大量的研究，该课题组采用水模拟法和计算机数值模拟法对不同壁厚的薄壁铸件反重力铸造的充型流动形态进行了研究，认为反重力铸造的充型也是一种限制射流的非定常发展过程，并把此限制射流划分为四个特征区域，分别称为射流区，主涡流区、前涡流区和后涡流区，为反重力铸造的充型理论提供了新的思路。在此基础上，2002年华中科技大学董选普博士对铝合金真空压差铸造充型过程进行了研究，提出了铝合金真空差压铸造充型过程的变密度浮射流充型模型，指出充型金属液的充型速度和型腔中的背压力p，型壁对液体的粘性阻力τ，充型高度h、液体的自重力mg和液面的表面张力σ有关。

2006年，南昌航空大学也对复杂薄壁铝合金铸件真空差压铸造的充型过程进行了研究，提出了真空差压铸造充型过程的临界加压速度或临界充型速度的概念，同时建立了复杂薄壁铝合金铸件真空差压铸造充型的“正向充填”和“反向充填”理论。此外还通过数值模拟和实验验证得出了充型流场转变的临界充型压力与界面变化的关系模型，建立了不同浇道形状与尺寸对充型流态的影响规律。

从以上理论研究成果中可以发现薄壁铸件真空压差铸造充型流态与金属液的充型速度和铸件结构特征(壁厚、截面变化等)相关，只有相互匹配才能获得合理的流态。因此国内外研究者针对铸件结构特征对充型流态的影响进行了研究，寻求建立其与充型能力的关系。

leejc等人对充型截面变化对充型流态的影响进行了研究，发现充型截面的改变显著影响充型流态，在不同的充型速度条件下，相同的充型截面变化其充型流态的平稳性不同，研究结论表明不同的充型截面变化通过合理的匹配充型速度可以获得平稳的充型流态。

薛寒松等人研究了铸件壁厚、内浇口形状和数量对充型过程流体形态的影响，发现铸件壁厚对充型平稳性影响显著，铸件壁越薄，临界加压速度和临界充型速度也越大；且通过控制加压速度和压差成功的制备了大型薄壁舱体铸件。吕衣礼等人对薄壁件反重力充型过程中与充型速度、充型压力相关的液面稳定性和裹气机理等问题进行了研究，得出影响充型稳定性的主要因素是充型速度、铸件壁厚、内浇道截面积、金属液粘性及液面高度等。董选普等人研究了铸件壁厚，真空度对薄壁铸件充型能力的影响，得出铸件越薄，要保证充型的高度，所需的差压就越大，充型时间就越短。李美兰等人研究了薄壁铝合金铸件差压铸造的充型速度、加压速度等对流动形态的影响，根据复杂薄壁铝合金铸件的特点，通过控制充型速度、加压速度等参数实现金属液的平稳充型。

从以上研究中可以发现铸件壁厚和充型截面变化等铸件结构特征对充型流态有显著的影响，但通过合理的优化充型速度或压差同样可以获得平稳的充型流态，因此，在真空差压铸造充型过程中，为了获得合理的充型流态，可以根据铸件结构特征进行充型压差的控制，实现充型过程的分级，避免因充型截面等结构特征的改变而引起的充型流态的不平稳。

由于充型速度直接与充型压差相关，因此研究充型压差与充型速度的关系非常重要。董选普采用伯努利方程对真空差压铸造充型速度进行了研究，并建立了充型压差与气体流量的计算关系，并对其进行了验证性实验。但是该研究是基于充型压差固定不变的情况下得出的，此时采用气体流量来确定充型压差具有很好的科学指导意义，但分级加压充型的充型压差是根据铸件结构进行变化的，当充型压差变化时，由于气体的可压缩特性，在不同的压力条件下体积会出现明显的变化，而分级加压充型是通过控制气体压力来控制充型压差的，其压力改变将明显影响气体的体积，因此，在分级加压充型条件下，采用气体流量来确定充型压差将会产生一定误差，而关于分级加压充型的充型压差确定方法的研究未见相关报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是：提供一种基于真空差压铸造分级加压充型的充型压差确定方法，可以有效的确定真空差压铸造分级加压充型压差的方法。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于真空差压铸造分级加压充型的充型压差确定方法，所述方法包含如下步骤：

(1)真空差压铸造分级加压充型升液管内液态金属充型压差与充型速度关系的建立：根据雷诺公式计算保证升液管内的层流所需的最大充型压差δp；金属液体两端的压力分别为p1和p2，p1为初始真空度，p2为外加压力，则充型压差δp＝p2-p1，根据动量守恒原理建立充型压差与充型速度的关系，得出升液管内液态金属平均流速确定方法；

(2)分级加压充型压差传递关系及与充型截面特征关系的建立：把升液管出口处充型截面作为基准i，根据流体力学原理，建立分级加压充型截面ii与基准截面i之间的伯努利方程，并计算沿程的摩擦阻力能量损失和局部能量损失，确定分级加压充型截面ii和基准截面i之间的充型压差和充型速度的关系；根据不可压缩流体连续性原理，确定充型截面ⅰ和ⅱ充型速度和截面特征之间的关系式，再把此关系式代入截面ⅰ和ⅱ间的伯努利方程，则得出截面ⅰ和ⅱ的充型压差和截面特征之间的关系式，据此关系式则根据充型截面面积确定出分级加压充型截面ii所需的充型压差。

优选的，升液管内液态金属的良好流动状态所需的最大充型压差为起始充型压差，进而确定升液管内液态金属的充型压力和充型速度，根据能量守恒、质量守恒和连续性原理计算出各分级充型截面处所需的分级加压充型压差。

优选的，分级加压充型压差是与铸件充型截面处形状、高度、壁厚及复杂程度建立的关系来进行确定的。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)可以科学的确定出真空差压铸造复杂铸件的分级加压充型压差，从而实现充型过程流态的平稳性和顺序性，减少铸件中出现氧化夹渣、裹气等铸造缺陷；

(2)可以有效避免了采用气体流量来确定分级加压充型压差所导致的误差，有效提高控制精度；

(3)由于分级加压充型压差是根据充型截面特征直接计算得出，这可以显著提高充型截面处充型流态的平稳性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为没有采用分级加压充型的充型流态，可以发现在直浇道中金属液充型速度很快，导致出现充型液柱明显凸起的现象，表明充型流态明显不平稳；

图2为分级加压充型工艺条件下的充型流态，在此工艺条件下液态金属充型平稳且实现逐层顺序充型，未出现紊流和裹气现象；

图3为真空差压铸造分级加压充型过程示意图；

图4为铸件立体图；

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

一种基于真空差压铸造分级加压充型的充型压差确定方法，所述方法包含如下步骤：

(1)真空差压铸造分级加压充型升液管内液态金属充型压差与充型速度关系的建立：真空差压铸造的分级充型工艺主要是为了获得平稳的顺序充型，因此该工艺条件下的金属液流动形态可认为层流。在真空差压铸造分级加压充型过程中，升液管是液态金属充型的第一步，其充型状态是关键，金属液经升液管下部往上升。金属液在升液管内的流动是稳定的层流，则根据雷诺公式计算保证层流所需的最大充型压差δp；金属液体两端的压力分别为p1和p2，p1为初始真空度，p2为外加压力，则充型压差δp＝p2-p1，根据动量守恒原理可以建立充型压差与充型速度的关系，可以得出升液管内液态金属平均流速确定方法，这样可以有效避免了采用气体流量来计算充型压差所导致的误差；

(2)分级加压充型压差传递关系及与充型截面特征关系的建立：把升液管出口处充型截面作为基准i，根据流体力学原理，建立分级加压充型截面ii与基准截面i之间的伯努利方程，并计算沿程的摩擦阻力能量损失和局部能量损失，其中，摩擦阻力能量损失可以由公式计算得出，式中：k失—能量损失系数，υ—金属液平均流速，局部能量损失可以由公式计算得出，式中：km，υm—缩颈处能量损失系数和流速；υ—液流通过变截面后的流速，确定分级加压充型截面ii和基准截面i之间的充型压差和充型速度的关系；根据不可压缩流体连续性原理，确定充型截面ⅰ和ⅱ充型速度和截面特征之间的关系式，再把此关系式代入截面ⅰ和ⅱ间的伯努利方程，则得出截面ⅰ和ⅱ的充型压差和截面特征之间的关系式，据此关系式则根据充型截面面积确定出分级加压充型截面ii所需的充型压差。

其中，升液管内液态金属的良好流动状态所需的最大充型压差为起始充型压差，进而确定升液管内液态金属的充型压力和充型速度，根据能量守恒、质量守恒和连续性原理计算出各分级充型截面处所需的分级加压充型压差。

其中，分级加压充型压差是与铸件充型截面处形状、高度、壁厚及复杂程度建立的关系来进行确定的。

分级加压充型压差计算公式为式中：与浇注温度、室温和液相线温度有关；主要与充型截面尺寸有关。

实施例1

图4为铝合金铸件立体图，从下到上三薄壁平面的厚度分别是3mm，4mm，5mm，直径为300mm，薄壁平面之间距离为160mm，中间圆柱直径为50mm，零件总高度为515mm。

在真空差压铸造过程中铸造罐内压力为0.01mpa，在液态金属充型截面ⅰ时p1＝0.01mpa，根据雷诺公式计算保证升液管内层流所需的最大充型压差为0.015mpa，因此作用在液面上的初始压力p2＝0.025mpa，根据由动量守恒原理建立的充型压差与充型速度的关系，可以计算出充型速度v1＝0.164m/s，由附图3所示的分级加压充型截面间建立伯努利方程，根据不可压缩流体连续性原理，建立充型截面ⅰ和ⅱ充型速度和截面特征之间的关系式，则确定出充型截面ⅱ所需的分级加压充型压差为0.02mpa，因此作用在液面上的压力p3＝0.035mpa，充型速度v3＝0.295m/s。其它分级加压充型界面处的充型压差和充型速度的计算依此类推即可，可以完整的确定出真空差压铸造分级加压充型压差。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。