[发明专利]一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法

权利要求书

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6kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至730℃±5℃，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℃±5℃，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℃；

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，哑铃状铸件成型；

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采用计算机程序对哑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=ρS-ρLρL---(I)]]>

式中：β表示凝固收缩率，ρ_S表示固相密度，ρ_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

ΔV_j＝β(Δf_Lj)V_j    (II)

式中：j表示网格单元编号，ΔV_j表示编号为j的单元在一个时间步长内的体积收缩量，Δf_Lj表示编号为j单元的液相率变化值，V_j表示编号为j的单元的体积，β(Δf_Lj)V_j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

ΔVP=Σj=1mΔVj=β(Σj=1mΔfLj)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，ΔV_P表示p号熔池总的体积收缩量，表示求和，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ΔV_P的大小，出现两种情况：

情况1：若V_k≥ΔV_P

式中：k表示熔池中网格层数，V_k表示编号为p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

Vjk=Vjk-ΔVPNk---(IV)]]>

式中：V_jk表示第k层编号为j单元的液体体积，N_k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V_k＜ΔV_P

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-1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-1层单元液量变为：

Vjk-1=Vjk-1-ΔVP-VkNk-1---(V)]]>

式中：V_jk-1表示第k-1层编号为j单元的液体体积，N_k-1表示第k-1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-1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：

f_sc＝k′p′+b    (VI)

式中：p′表示压力，p′_m表示临界压力值，f_sc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

β=ρS-ρLρL---(VII)]]>

2)网格单元在一个时间步长内的体积收缩量表示为

ΔV_j＝β(Δf_Lj)V_j    (VIII)

3)在一个时间步长内，熔池体积收缩量表示为

ΔVP=Σj=1mΔVj=β(Σj=1mΔfLj)Vj---(IX)]]>

4)比较编号为p的熔池最低层中单元固相率小于合金临界固相率的单元体积之和与ΔV_P的大小，出现两种情况：

情况1：若V_k″≥ΔV_P

式中：k″表示熔池中网格层数，V_k″表示编号为p的熔池中最低层即第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

Vjk′′=Vjk′′-ΔVPNk′′---(X)]]>

式中：V_jk″表示第k″层编号为j单元的液体体积，N_k″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V_k″＜ΔV_P

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，液面上升一层，第k″+1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″+1层单元液量变为：

Vjk′′+1=Vjk′′+1-ΔVP-Vk′′Nk′′+1---(XI)]]>

式中：V_jk″+1表示第k″+1层编号为j单元的液体体积，N_k″+1表示第k″+1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″+1层中可用于补缩的液体之和不足于补缩，则液面将上升至k″+2层，处理方法一致；

其余熔池处理方法一致；

⑥铝合金低压铸造的缩孔缩松预测是由计算机程序完成的，计算机程序如下：以VC++为开发平台进行程序编写：

⑦预测结果

有限差分网格剖分时，哑铃状铸件的网格尺寸为4mm×4mm×4mm，哑铃状铸件总体积为1152cm³，数值模拟结果表明铸件顶部出现了缩孔缩松，体积为1.715cm³，在铸件底部由于与升液管连接，未出现缩孔缩松缺陷，模拟结果与实测结果完全一致。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金低压铸造的缩孔缩松预测方法，其特征在于：哑铃状铸件的低压铸造是在造型砂箱内完成的，哑铃造型砂箱(1)为矩形，周边为砂箱架(3、4、5、6)，采用上中下三箱结构，利用上箱自重及压铁法紧固，内部为哑铃状型腔(2)，浇注时，铝合金液(8)通过浇道口(7)进入型腔(2)，并充填，形成低压铸造状态。