一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，屬于電磁泵低壓鑄造【技術領域】，所要解決的技術問題為提供一種在電磁泵低壓鑄造充型過程中，能夠根據(jù)截面大小來調(diào)整充型速度，即適時改變充型壓力的方法；采用的技術方案為：按下述步驟進行：第一步，作出鑄件的鑄造工藝三維模型，第二步，將鑄件沿Z方向即澆注方向進行切片分析，第三步，將鑄件沿Z方向即澆注方向分解成若干個部分，第四步，形成鑄件整體的壓力-時間曲線P(t)，第五步，將第四步中的P(t)修正為PM(t)，第六步，將PM(t)壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換為I(t)電流-時間曲線，第七步，將高溫激光液面測距儀安裝在鋁液上方，并打開，第八步，測試并記錄液面初始位置；第九步，安裝鑄型，執(zhí)行低壓鑄造充型工藝。
【專利說明】一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，屬于電磁泵低壓鑄造【技術領域】，特別涉及電磁泵低壓鑄造中充型工藝的設計和控制方法。
【背景技術】
[0002]電磁泵低壓鑄造與傳統(tǒng)的氣壓式低壓鑄造加壓方式不同。氣壓式低壓鑄造所產(chǎn)生的氣壓可以直接測量，在執(zhí)行鑄造工藝過程時對于充型壓力和保壓壓力隨時采集、實時反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制，而電磁泵嚴格按照設定的參數(shù)進行壓力輸出。
[0003]電磁泵低壓鑄造所產(chǎn)生的動力是通過電場和磁場的共同作用而實現(xiàn)的。用電磁泵和保溫爐組成的鋁合金低壓鑄造裝置與傳統(tǒng)的氣壓式鋁合金低壓鑄造系統(tǒng)相比，具有壓力精確可調(diào)，連續(xù)生產(chǎn)過程中鋁液吸氣量少，鑄件質(zhì)量好等優(yōu)點。但在充型過程中無法直接測量高溫金屬液的流量和壓力，在執(zhí)行鑄造工藝路線時只能是開環(huán)控制。因而對外加電場及磁場與金屬液流量及所產(chǎn)生的壓力之間的關系及控制方法直接決定了該技術執(zhí)行鑄造工藝的準確性。
[0004]低壓鑄造過程一般分為升液、充型、結(jié)殼、增壓、保壓、卸壓等六個階段，升液和充型過程對鑄件質(zhì)量有重要的影響，其工藝參數(shù)的選擇將決定鑄件是否會出現(xiàn)卷氣、二次夾雜、冷隔、澆不足等鑄造缺陷，增壓和保壓階段的設置主要用于鑄件補縮，是否選用結(jié)殼階段與鑄型性質(zhì)有關，一般金屬型無需結(jié)殼階段。升液過程是鑄件成型的第一個階段，以一定的升液速度將金屬從坩堝上升至升液管上端口 ；充型過程是鑄件成型的第二個階段，對鑄件充型質(zhì)量來說，充型壓力過大或過小都會產(chǎn)生許多鑄造缺陷(如卷氣、夾雜、澆不足、冷隔及砂眼等)。因此，控制充型過程是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要前提條件。
[0005]傳統(tǒng)工藝充型壓力的計算中，充型阻力系數(shù)的取值是I?1.5的不定值，且壓力值只與鑄件高度有關，忽略了復雜鑄件截面積有變化的情況。而在實際生產(chǎn)中，大部分鑄件的橫截面積在整個高度不是完全一致的，利用傳統(tǒng)的加壓工藝規(guī)范進行充型時，不能體現(xiàn)這個特點，如果用不變的速度充型，容易在大截面處產(chǎn)生液面起伏，產(chǎn)生二次夾雜。
[0006]在低壓鑄造中，現(xiàn)有的鑄造工藝設計方法，對形狀簡單，高度不大，橫斷面形狀和面積變化不大的鑄件，充型效果較為理想。但實際生產(chǎn)中，各類鑄件形狀不一，絕大部分的鑄件不能保證其橫截面積在整個高度完全一致，并且有時候差別會很大。如果用同樣的速度充型，容易在大截面時產(chǎn)生嚴重的紊流，降低鑄件的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術存在的不足，所要解決的技術問題為提供一種在電磁泵低壓鑄造充型過程中，能夠根據(jù)截面大小來調(diào)整充型速度，即適時改變充型壓力的方法。
[0008]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為:一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，按下述步驟進行:
[0009]第一步，作出鑄件的鑄造工藝三維模型，包括鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口 ；[0010]第二步，根據(jù)第一步中的三維模型，將鑄件沿Z方向即澆注方向進行切片分析，計算出鑄件的高度-截面積分布圖Aff(Z)、高度-面積重疊比分布圖a ff (Z)和高度-體積分布圖Vc=f (z)，所述切片分析中切片間距為l_5mm ；
[0011]第三步，根據(jù)第二步中計算出的高度-面積重疊比分布圖CIff(Z)和高度-體積分布圖V^f (Z)自動將鑄件沿Z方向即澆注方向分解成若干個部分，即分段，分別計算每個部分的體積；所述分段的原則為:(a)截面發(fā)生突變位置，即兩個緊鄰切片的面積比>1.2或者〈0.8, (b)重疊比小于70%,所述重疊比a C=A1Amin,其中,A1為兩個緊鄰切片的重疊面積，Aniin為兩個緊鄰切片中面積較小的一方；
[0012]第四步，根據(jù)鑄件分段結(jié)果，生成鑄件每部分的壓力-時間曲線，然后將各部分的壓力-時間曲線拼接在一起形成鑄件整體的壓力-時間曲線P (t)；
[0013]第五步，計算鋁合金低壓鑄造電磁泵所用坩堝的截面積-高度分布圖Af=f (Z)和體積-高度分布圖h=f(Vf)，根據(jù)坩堝面積h=f(Vf)分布圖，將第四步中的P(t)修正為p?(t), PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P iggh，其中，h為澆注過程中t時刻剩余鋁液體積VfK對應的液面深度；
[0014]第六步，將鋁合金低壓鑄造電磁泵的特性將PM(t)壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換為I (t)電流-時間曲線，并輸入控制電腦，作為低 壓鑄造工藝曲線使用；
[0015]第七步，將熔化后的鋁液置于電磁泵坩堝中，鋁液精煉至液面光亮；
[0016]第八步，將鋁液溫度調(diào)整至澆注溫度并保溫，打開電磁泵上的勵磁控制開關和電流控制開關，將液面懸浮至升液管管口 ；
[0017]第九步，安裝鑄型，按照第六步中得出的低壓鑄造工藝曲線執(zhí)行電流輸出，執(zhí)行低壓鑄造充型工藝。
[0018]在所述第七步中，還有將高溫激光液面測距儀安裝在鋁液上方，并打開高溫激光液面測距儀的步驟；
[0019]所述第八步中，當液面懸浮至升液管管口后，高溫激光液面測距儀測試并記錄液面初始位置；
[0020]所述第九步執(zhí)行低壓鑄造充型工藝的過程中，根據(jù)高溫激光液面測距儀實時測試的液面位置，計算充入鑄型型腔的鋁液體積，根據(jù)鑄件高度-體積分布圖Vc=Mz)反算出鑄型內(nèi)液面高度，將反算值h。與壓力曲線PM(t)進行對比，如果h。與PM(t)對應位置存在偏差，對壓力曲線PM(t)進行微調(diào)，進而對電流曲線I (t)進行微調(diào)，使充型過程按照實時微調(diào)后的曲線進行充型，直至充型結(jié)束。
[0021]所述第七步中的高溫激光液面測距儀外套裝有保護管，保護管伸入鋁液內(nèi)，且保護管內(nèi)充滿氬氣。
[0022]所述第二步中對鑄件的鑄造工藝三維模型圖進行切片分析時，用現(xiàn)有的軟件可以做到，但很麻煩，可以根據(jù)需要設計一款切片分析的軟件，從而提高效率。
[0023]本發(fā)明方法除了應用于鋁合金低壓鑄造電磁泵外，略作調(diào)整后也可應用于其它合金低壓鑄造電磁泵的充型工藝設計；在可以預測氣壓式低壓鑄造流量的條件下也可以適用于氣壓式低壓鑄造設備。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果。
[0025]1、本發(fā)明方法對于鑄件進行分段加壓完成充型的工藝，在低壓鑄造的充型階段，采用分段變壓力充型工藝，適時改變充型壓力，在滿足完整充型的基礎上，利用直流平面電磁泵的特性，控制施壓的電流和充型流量，有效地控制充型速度，完成平穩(wěn)充型。即針對復雜鑄件低壓鑄造的充型階段，在鑄件小截面處適當增大充型速度，在鑄件大截面處適當減小充型速度。這樣可以有效避免金屬液的噴射和飛濺，減少充型過程中金屬液態(tài)的紊流和氣體的卷入，從而達到逐層平穩(wěn)充型，最大程度減少鑄件的缺陷，實現(xiàn)鑄造成形精確控制，保證鑄件的成形質(zhì)量。
[0026]2、本發(fā)明方法中，針對鋁合金低壓鑄造電磁泵的特點，采用激光液面測距儀對充型過程中坩堝內(nèi)液體體積變化進行記錄，并根據(jù)液面下降高度對充型壓力進行壓力補償，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而可以根據(jù)鑄件結(jié)構特點進行自適應充型工藝設計，保證鑄件平穩(wěn)充型。
[0027]3、本發(fā)明方法中，對于任意復雜的低壓鑄造零件，都可以根據(jù)其零件特征，繪制出其充型過程的壓力-時間曲線，電磁泵充型的電流-時間曲線，從而對其的充型過程進行精確控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0029]圖1為實施例一中箱體鑄件的三維模型圖。
[0030]圖2為實施例一中箱體鑄件切片后的初步結(jié)果圖。
[0031]圖3為對實施例一中箱體鑄件用現(xiàn)有方法設計的充型工藝與用本發(fā)明方法設計的充型工藝的對比圖。
[0032]圖4為本發(fā)明中鋁合金低壓鑄造電磁泵的水力壓頭高度H與電流I之間的工作曲線。
[0033]圖中:1為鑄件截面積隨高度變化曲線，2為鑄件截面積隨高度變化斜率，3為對實施例一中箱體鑄件用現(xiàn)有方法設計的充型工藝曲線，4為對實施例一中箱體鑄件用本發(fā)明方法設計的充型工藝曲線，5為鋁合金低壓鑄造電磁泵的水力壓頭高度H與電流I之間的工作曲線。
【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明在進行鑄件澆注時，通過對截面變化突出的鑄件進行合理分段，利用不同鑄件截面積比值所允許的臨界速度，將速度-時間曲線轉(zhuǎn)換為可控制的壓力-時間曲線，用建立的充型過程中變斜率加壓工藝規(guī)范曲線，完成充型過程。
[0035]實施例一
[0036]如圖1-圖4所示，一個壁厚較為均勻，高度為750_的截面積變化顯著的鋁合金箱體的充型工藝的設計方法:
[0037]第一步，作出箱體的鑄造工藝三維模型，包括箱體毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口 ；
[0038]第二步，根據(jù)第一步中的三維模型，將鑄件沿Z方向即澆注方向進行切片分析，如圖2所示，計算出箱體的高度-截面積分布圖Ac=f (Z)、高度-面積重疊比分布圖a c=f(z)和高度-體積分布圖Ve=f(z)，所述切片分析中切片間距為Imm,或為3mm,或為5mm ；
[0039]第三步，根據(jù)第二步中計算出的高度-面積重疊比分布圖Ciff(Z)和高度-體積分布圖Ve=f (Z)自動將箱體沿Z方向即澆注方向分解成三部分，即分為三段，分別計算每個部分的體積；所述分段的原則為:(a)截面發(fā)生突變位置，即兩個緊鄰切片的面積比>1.2或者〈0.8, (b)重疊比小于70%,所述重疊比a C=A1Amin,其中,A1為兩個緊鄰切片的重疊面積，Aniin為兩個緊鄰切片中面積較小的一方；
[0040]第四步，根據(jù)鑄件分段結(jié)果，生成鑄件每部分的壓力-時間曲線，然后將各部分的壓力-時間曲線拼接在一起形成鑄件整體的壓力-時間曲線P (t)，如圖3中曲線4所示；
[0041]本步驟中，是利用不同面積比所允許的臨界速度，從而計算出鑄件的加壓工藝曲線的。低壓鑄造的加壓工藝曲線是壓力P-時間t曲線，曲線的斜率就是加壓速度，本發(fā)明的目的就是通過改變加壓速度來改變充型過程中金屬液的流速的。
[0042]第五步，計算鋁合金低壓鑄造電磁泵所用坩堝的截面積-高度分布圖Af=f (Z)和體積-高度分布圖h=f(Vf)，根據(jù)坩堝面積h=f(Vf)分布圖，將第四步中的P(t)修正為p?(t), PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P iggh，其中，h為澆注過程中t時刻剩余鋁液體積VfK對應的液面深度；
[0043]第六步，將鋁合金低壓鑄造電磁泵的特性將PM(t)壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換為I (t)電流-時間曲線，并輸入控制電腦，作為低壓鑄造工藝曲線使用；
[0044]不同的電磁泵結(jié)構有不同的電流1-壓力P工作曲線，但是所有的電磁泵的電流1-壓力P之間基本是線性關系，滿足以下公式:
[0045]P=K I+C
[0046]其中P為工作壓力，I為輸出電流，K為比例系數(shù)，與電磁泵結(jié)構有關的常數(shù)，C是常數(shù)，與電磁鐵和液面深度有關； [0047]為了計算的方便，也用壓頭高度H來表示壓力，將上述公式的兩邊都除以Pg可以得到電磁泵水力壓頭高度H與電流I的工作曲線:
[0048]H=K1RC1
[0049]其中H為電磁泵的工作水力壓頭高度，K1=K/ P g，C1=C/ P g ；
[0050]本發(fā)明中鋁合金低壓鑄造電磁泵的水力壓頭高度H與電流I之間的工作曲線為:
[0051]H=L 45051 - 25.469 ;如圖 4 所示;
[0052]第七步，將熔化后的鋁液置于電磁泵坩堝中，鋁液精煉至液面光亮，將高溫激光液面測距儀安裝在鋁液上方，并打開高溫激光液面測距儀；
[0053]第八步，將鋁液溫度調(diào)整至澆注溫度并保溫，打開電磁泵上的勵磁控制開關和電流控制開關，將液面懸浮至升液管管口，高溫激光液面測距儀測試并記錄液面初始位置；
[0054]第九步，安裝鑄型，按照第六步中得出的低壓鑄造工藝曲線執(zhí)行電流輸出，執(zhí)行低壓鑄造充型工藝；
[0055]在執(zhí)行低壓鑄造充型工藝過程中，根據(jù)高溫激光液面測距儀實時測試的液面位置，計算充入鑄型型腔的鋁液體積，根據(jù)鑄件高度-體積分布圖Vc=Mz)反算出鑄型內(nèi)液面高度，將反算值h。與壓力曲線PM(t)進行對比，如果h。與Pm (t)對應位置存在偏差，對壓力曲線PM(t)進行微調(diào)，進而對電流曲線I (t)進行微調(diào)，使充型過程按照實時微調(diào)后的曲線進行充型，直至充型結(jié)束。
【權利要求】
1.一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，其特征在于按下述步驟進行: 第一步，作出鑄件的鑄造工藝三維模型，包括鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口 ； 第二步，根據(jù)第一步中的三維模型，將鑄件沿Z方向即澆注方向進行切片分析，計算出鑄件的高度-截面積分布圖Aff (Z)、高度-面積重疊比分布圖a c=f(z)和高度-體積分布圖Ve=f (z),所述切片分析中切片間距為l-5mm ; 第三步，根據(jù)第二步中計算出的高度-面積重疊比分布圖a ff (Z)和高度-體積分布圖V^f (Z)自動將鑄件沿Z方向即澆注方向分解成若干個部分，即分段，分別計算每個部分的體積；所述分段的原則為:(a)截面發(fā)生突變位置，即兩個緊鄰切片的面積比>1.2或者〈0.8，(b)重疊比小于70%，所述重疊比a C=A1Aniin，其中,A1為兩個緊鄰切片的重疊面積,Aniin為兩個緊鄰切片中面積較小的一方； 第四步，根據(jù)鑄件分段結(jié)果，生成鑄件每部分的壓力-時間曲線，然后將各部分的壓力-時間曲線拼接在一起形成鑄件整體的壓力-時間曲線P (t)； 第五步，計算鋁合金低壓鑄造電磁泵所用坩堝的截面積-高度分布圖Af=f (z)和體積-高度分布圖h=f(Vf)，根據(jù)坩堝面積h=f(Vf)分布圖，將第四步中的P(t)修正為PM(t)，PM(t)=P(t) + AP，其中Λ P= P !ggh，其中，h為澆注過程中t時刻剩余鋁液體積VfK對應的液面深度； 第六步，將鋁合金低壓鑄造電磁泵的特性將PM(t)壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換為I(t)電流-時間曲線，并輸入控制電腦，作為低壓鑄造工藝曲線使用； 第七步，將熔化后的鋁液置于電磁泵坩堝中，鋁液精煉至液面光亮； 第八步，將鋁液溫度調(diào)整至澆注溫度并保溫，打開電磁泵上的勵磁控制開關和電流控制開關，將液面懸浮至升液管管口 ； 第九步，安裝鑄型，按照第六步中得出的低壓鑄造工藝曲線執(zhí)行電流輸出，執(zhí)行低壓鑄造充型工藝。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，其特征在于: 在所述第七步中，還有將高溫激光液面測距儀安裝在鋁液上方，并打開高溫激光液面測距儀的步驟； 所述第八步中，當液面懸浮至升液管管口后，高溫激光液面測距儀測試并記錄液面初始位置； 所述第九步執(zhí)行低壓鑄造充型工藝的過程中，根據(jù)高溫激光液面測距儀實時測試的液面位置，計算充入鑄型型腔的鋁液體積，根據(jù)鑄件高度-體積分布圖Vc=Mz)反算出鑄型內(nèi)液面高度，將反算值h。與壓力曲線PM(t)進行對比，如果h。與Pm(t)對應位置存在偏差，對壓力曲線PM(t)進行微調(diào)，進而對電流曲線I(t)進行微調(diào)，使充型過程按照實時微調(diào)后的曲線進行充型，直至充型結(jié)束。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種適用于電磁泵低壓鑄造充型工藝的設計方法，其特征在于:所述第七步中的高溫激光液面測距儀外套裝有保護管，保護管伸入鋁液內(nèi)，且保護管內(nèi)充滿氬氣。
【文檔編號】B22D18/04GK103658599SQ201310571239
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權日:2013年11月15日
【發(fā)明者】毛紅奎, 徐宏, 黨驚知, 侯擊波, 張國偉 申請人:中北大學