一种低压铸造孔松缺陷计算方法与流程

本发明涉及低压铸造过程中孔松缺陷相关技术领域，具体涉及一种低压铸造孔松缺陷计算方法。

背景技术：

现有商品化铸造过程仿真软件通常采用孤立液相体积收缩方法来计算铸件中孔松缺陷的大小与位置。此种方法对于常规重力铸造是可行的，但对于低压铸造则并不适用。

低压铸造时液体是由铸造型底部向铸造型顶部流动，保证液体平稳上升和气体顺畅外排，且低压铸造的补缩方向又与重力铸造补缩相反，压力由下向上，底部压力大于顶部压力，合金温度上低下高，铸件从最远部分开始凝固，逐步向下到底部浇注系统，最后到升液管，因此，低压铸造非常有利于铸件补缩，同时加压凝固能够强化补缩能力，从而提高铸件致密度。

集中缩孔与补缩通道的畅通与否有着密切的关系，低压铸造具有充型增压和保压增压的环节，在压力作用下进行凝固结晶，压力大小和作用时间对孔松缺陷有着很大的影响，压力越大，作用时间越长，越容易保证补缩通道的畅通，则孔松缺陷倾向就越小。

在凝固过程中的铸件内部，某一部位的凝固收缩会导致未凝固部位的金属液向此部位流动进行补缩，这一流动是在一定的压力作用下进行的，如果这一流动的流程阻力大，即流程压力损失大，金属液的压力不足以克服这一压力损失流到需要补缩部位，则凝固部位得不到补缩而产生孔松缺陷；如果金属液的压力足够大，能够克服这一压力损失，凝固部位可以得到金属液的补缩，则不产生孔松缺陷。

因此，低压铸造基于上述原因，不得不考虑以下三种情况：

1.低压铸造过程中，若未达到泄压时间，且补缩通道畅通的情况下，具有压力补缩效果，此时无需计算孔松缺陷，但现有技术中计算孔松缺陷的方法由于没有考虑泄压前入口压力的补缩效应，入口压力指升液管进液端的压力值，直接通过大气压强对应的临界固相率来判断孔松缺陷，导致预测出来的孔松缺陷体积会比实际偏大，预测不准。

2.由于入口压力会导致金属液可流动的临界固相率升高，现有技术按照大气压下临界固相率得到的孤立液相区连通性比实际差许多，预测出来的孔松缺陷位置会有较大偏差。

3.低压铸造中铸件从最远部分开始凝固，逐步向下到底部浇注系统，最后到升液管，到达泄压时间后，与入口相连的液相会回流，而泄压回流现象也是现有技术无法实现预测和表达的。

综上，由于低压铸造中，存在压力补缩效应，入口压力导致金属液可流动的临界固相率升高，以及泄压阶段与入口相连的液相会回流此三种情况，传统的孤立液相体积收缩方法均未考虑以上三种因素，因此，需要提出新的计算方法来解决现有方法针对低压铸造不能实现准确的孔松缺陷预测的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述现有技术中不能实现对低压铸造孔松缺陷的准确计算，基于低压铸造孔松缺陷的特点，针对低压铸造缩孔计算方法进行了设计，综合考虑了压力补缩效应，入口压力导致金属液可流动的临界固相率升高，以及泄压阶段与入口相连的液相会回流此三种情况，能够较为准确的模拟出低压铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对低压铸造实际生产具有很好的参考价值。

本发明所采用的技术方案为：

一种低压铸造孔松缺陷计算方法，包括以下步骤：

s1、构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，将所述浇注系统进行初始化，该初始化过程包括对入口压力曲线的设定；

s2、根据设定的入口压力曲线得到当前时刻的入口压力值，根据入口压力值计算入口压力对应的临界固相率，根据入口压力对应的临界固相率查找孤立液相区：

若当前孤立液相区不与入口连通则继续查找子孤立液相区并计算当前子孤立液相区在当前时间步长内的收缩体积，之后再将收缩体积进行分配，最后判断是否达到泄压时间，若达到泄压时间则结束，若未达到泄压时间则进入下一时间步长继续计算；

若当前孤立液相区与入口连通且已经达到泄压时间，则继续查找子孤立液相区并将子孤立液相区的原液相体积设置为空缺体积，结束；

若当前孤立液相区与入口连通且未达到泄压时间，则不计算孔松缺陷，直接进入下一时间步长继续计算。

进一步的，步骤s2中，根据入口压力对应的临界固相率查找孤立液相区，若不存在孤立液相区，则结束。

进一步的，步骤s2中，包括根据大气压值计算出大气压对应的临界固相率，子孤立液相区均根据所述大气压对应的临界固相率进行查找。

进一步的，步骤s2中，所述收缩体积优先分配到完全液相区，再分配到混合糊状区。

进一步的，步骤s2中：所述入口压力对应的临界固相率的计算公式为：

c＝c(p,tl,ts,μ(p,t),κ(p,t))

其中：c为临界固相率，p为压力，t为温度，tl和ts分别为材料的液相线和固相线，μ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态动力粘度，κ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态表面张力。

进一步的，步骤s2中：所述大气压对应的临界固相率的计算公式为：

c＝c(p,tl,ts,μ(p,t),κ(p,t))

其中：c为临界固相率，p为压力，t为温度，tl和ts分别为材料的液相线和固相线，μ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态动力粘度，κ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态表面张力。

进一步的，步骤s2中：所述子孤立液相区在当前时间步长的收缩体积的计算公式为：

其中：δv为收缩体积，ω为当前孤立液相区域，t为时间，δt为当前时间步长，ρ为压力，t(x)为温度场，x为三维空间座标向量。

进一步的，步骤s2中：所述空缺体积的计算公式为：

其中：δv为收缩体积，ω为当前孤立液相区域，t为时间，δt为当前时间步长，ρ为压力，t(x)为温度场，x为三维空间座标向量。

本发明的有益效果为：

1.本计算方法以入口压力对应的临界固相率作为查找孤立液相区的依据，由于入口压力会导致金属液可流动的临界固相率升高，现有技术按照大气压下临界固相率得到的孤立液相区连通性比实际差许多，预测出来的孔松缺陷位置会有较大偏差，本计算方法，通过入口压力对应的临界固相率能够准确的查找孤立液相区。

2.本计算方法基于低压铸造中孔松缺陷产生的特点，针对低压铸造孔松缺陷计算方法进行了设计，综合考虑了压力补缩效应，入口压力导致金属液可流动的临界固相率升高，以及泄压阶段与入口相连的液相会回流此三种情况，能够准确预测低压铸造过程中的孔松缺陷的位置与大小，从而能为低压铸造工艺设计人员提供科学指导，得到泄压时间等参数和工艺方案设计的合理改进建议。

附图说明

图1是本发明中低压铸造孔松缺陷计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

如图1所示，本实施例提供一种低压铸造孔松缺陷计算方法，包括以下步骤：

s1、构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，将浇注系统进行初始化，该初始化过程包括对入口压力曲线的设定；

s2、根据设置的压力曲线得到时刻t＝t+δt的入口压力；具体的，压力曲线的设定需要考虑到充型增压阶段保证液面不降落以及铸件能够在较小的压力下结壳，避免铸型材料是砂型时在保压增压阶段铸件表面过于粗糙；在充型增压基础上再增压，以保证铸件组织致密、减少疏松、孔松缺陷的发生，从而使不同壁厚处的力学性能比较接近；

s3、计算入口压力对应的临界固相率和大气压对应的临界固相率，入口压力对应的临界固相率作为查找孤立液相区的依据，大气压对应的临界固相率作为查找子孤立液区的依据；依据入口压力对应的临界固相率查找孤立液相区是否存在，若存在，则转至步骤s4，若不存在，则结束；

具体的，入口压力对应的临界固相率和大气压对应的临界固相率的计算公式为：

c＝c(p,tl,ts,μ(p,t),κ(p,t))

其中：c为临界固相率，p为压力，t为温度，tl和ts分别为材料的液相线和固相线，μ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态动力粘度，κ(p,t)为随压力p和温度t变化的材料液态表面张力。

以入口压力对应的临界固相率作为查找孤立液相区的依据，由于入口压力会导致金属液可流动的临界固相率升高，现有技术按照大气压下临界固相率得到的孤立液相区连通性比实际差许多，预测出来的孔松缺陷位置会有较大偏差，本计算方法，通过入口压力对应的临界固相率能够准确的查找孤立液相区。

本实施例中，入口压力对应的临界固相率作为查找孤立液相区是否存在的关键判断条件，依据入口压力对应的临界固相率判断并查找出孤立液相区的大小、位置及形状。

s4、遍历所有孤立液相区，如果当前孤立液相区不与入口连通，则转至步骤s5，否则转至步骤s9；

s5、由于当前孤立液相区不与入口连通，有固相阻隔，孤立液相区不受入口压力影响，因此在孤立液相区中按照大气压对应的临界固相率继续查找子孤立液相区；

s6、遍历所有子孤立液相区，根据当前子孤立液相区的体积和当前时间步长内的温度变化量计算子孤立液相区在当前时间步长内的收缩体积；

具体的，子孤立液相区在当前时间步长的收缩体积的计算公式为：

其中：δv为收缩体积，ω为当前孤立液相区域，t为时间，δt为当前时间步长，ρ为压力，t(x)为温度场，x为三维空间座标向量。

s7、收缩体积优先分配到完全液相区，然后再分配到混合糊状区；

s8、增加时间步长至下一时刻t＝t+δt，判断是否达到结泄压时间，若未达到泄压时间，则转至步骤s2，若达到泄压时间，则结束；

s9、如果已经到达泄压时间，则转至步骤s10，否则转至步骤s12；

s10、由于当前孤立液相区的入口压力已经撤去，孤立液相区不受入口压力影响，而受大气压的影响，因此，采用在孤立液相区中按照大气压对应的临界固相率查找子孤立液相区；

s11、遍历所有子孤立液相区，由于铸件从最远部分开始凝固，逐步向下到底部浇注系统，最后到升液管，到达泄压时间后，与入口相连的液相会回流，因此将子孤立液相区的原液相体积设置为空缺体积，直接认定为孔松缺陷，结束；

具体的，空缺体积的计算公式为：

其中：δv为收缩体积，ω为当前孤立液相区域，t为时间，δt为当前时间步长，ρ为压力，t(x)为温度场，x为三维空间座标向量。

s12、由于孤立液相区与入口连通且还未达到泄压时间，孤立液相区有入口的液相补充，不用查找子孤立液相区，转至步骤s2。

本计算方法基于低压铸造中孔松缺陷产生的特点，针对低压铸造孔松缺陷计算方法进行了设计，综合考虑了压力补缩效应，入口压力导致金属液可流动的临界固相率升高，以及泄压阶段与入口相连的液相会回流此三种情况，能够准确预测低压铸造过程中的孔松缺陷的位置与大小，从而能为低压铸造工艺设计人员提供科学指导，得到泄压时间等参数和工艺方案设计的合理改进建议。

本计算方法，通过采用入口压力对应的临界固相率查找孤立液相区，能够更为准确的预测孤立液相区的位置、大小和形状；通过对孤立液相区是否与入口连通以及是否达到泄压时间的判断，分类选择是否继续查找子孤立液相区，整个计算方法全面考虑了影响低压铸造中孔松缺陷产生的相关条件，能够更为准确的模拟出低压铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对低压铸造实际生产具有很好的参考价值。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。