本發明屬鑄造設備技術領域，尤其是涉及一種真空調速澆注過程的多探針測速方法與裝置。

背景技術：

鋁合金及鎂合金因其比強度大、質量輕，鑄造性能良好等特點，被廣泛地應用于航空航天、汽車、建筑等領域，并在這些領域發揮著越來越重要的作用。伴隨著科技的不斷發展和進步，也不斷地對鋁合金及鎂合金的性能提出更高的要求。

由于鋁合金及鎂合金中的鋁元素和鎂元素均為化學性質極為活潑的元素，很容易與空氣中的氧氣發生反應而被氧化。因此，在鋁合金及鎂合金的澆注過程中，如果能夠保證熔體不與或者少與空氣接觸，就能減少合金在澆注過程中的氧化，減少合金熔體內的氧化夾雜，從而最終減少合金鑄件的缺陷，提高合金鑄件的性能。同時，如果能夠在澆注時實現合金的精確定量，就能提高材料的利用率，減少原材料的浪費，減少鑄件成型后的二次加工，從而降低生產成本，提高生產效率。同時，在某些鑄造方法中，如擠壓鑄造，澆注過程中由于澆注速度控制不當，非常容易出現金屬熔體飛濺，造成充型的不穩定并造成安全隱患，同時也影響了設備的使用壽命，是影響鑄件質量的重要因素之一，而要解決飛濺問題，則需要實現金屬熔體澆注速度的精確控制，使金屬熔體可以在可控條件下充型，但在實際生產中，熔體的攝取和澆注口要反復執行從保溫容器攝取-模具或者壓室澆注的過程，此過程中攝取和澆注口非常容易出現熔體凍結的現象，使澆注口面積出現變化，因而導致在基于理想狀況的澆注參數發生偏移，同時澆注過程通常在高溫密封的環境下進行，實時監控具有非常大的難度，因而實現一種澆注過程中對澆注速度的快捷、方便的實時測定方法具有重要的意義。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了一種真空調速澆注過程的多探針測速方法與裝置。

本發明完整的技術方案包括：

一種真空調速澆注過程的多探針測速裝置，所述的裝置具有密封容器，所述密封容器用于在熔煉爐或保溫爐處實現金屬熔體攝取，并在模具或者壓室處實現金屬熔體的澆注，在所述的密封容器內部設有若干內部金屬液面探針，所述內部金屬液面探針用于實時監測容器內合金熔體液面的的高度，每個內部金屬液面探針的下端部按照一定的高度差分布在密封容器內部，所述每個內部金屬液面探針均與反饋信號接收裝置電連接。

所述多探針測速裝置還包括用于實現金屬熔體攝取和澆注的氣動系統和控制系統。

利用所述裝置進行澆注過程實時測速的方法，其中測速是指能夠在澆注過程中實時監測密封容器內合金熔體液面的下降速度，其特征在于，

在澆注開始時，金屬熔體液面高度高于所有探針，此時所有探針均位于液面以下并處于連通狀態，此時按預設參數開始澆注，熔體液面下降，第一個探針與熔體分離，設此時密封容器內合金熔體液面的高度是h₁，并開始計時，隨著合金熔體液面繼續下降，第二個探針與熔體分離，設此時密封容器內合金熔體液面的高度是h₂，設此過程中兩個金屬液面探針高度差為Δh＝h₁-h₂，經過時間為Δt，根據如下公式計算此過程中熔體的實際澆注速度：

式中，P₁為密封容器內氣體預設壓強，ρ為合金熔體的密度，P₀為大氣壓，g為重力加速度。v_1r為密封容器內合金熔體液面的實際下降速度，v_2r為合金熔體出口處的實際流速。

當合金熔體液面繼續下降，隨后的各探針與熔體分離時，重復上述過程，得到每一階段實際的澆注速度。

上述計算由所述控制系統實時完成。

本發明的優點是：本發明使用多個內部金屬液面探針對密封容器內部的合金熔體液面高度進行監測，并通過計算得到合金熔體的澆注速度。判斷澆注速度是否過快或者過慢，從而判斷設備是否出現問題，在澆注過程中合金熔體是否會產生卷氣或者氧化夾雜等問題，便于澆注過程中問題的發現和解決。

附圖說明

圖1為本發明的多探針測速裝置結構示意圖。

圖2為本發明的真空調速澆注過程的精確調速設備結構示意圖。

圖3為本發明的抽真空裝置和壓縮氣體填充裝置氣路控制系統示意圖。

圖4為本發明的攝取合金熔體過程示意圖。

其中，1—機械裝置；2—固定裝置；3—氣缸；4—真空調速定量澆注裝置；5—反饋信號接收裝置；6—控制系統；7—合金熔體；8—爐體；9—壓室或者模具；31—活塞桿；32—連接桿；41—密封容器；42—內部金屬液位檢測裝置；43—關閉塞；44—外部金屬液面探針；45—抽真空裝置；46—壓縮氣體填充裝置；411—容器罐；412—容器罐底部開口；413—上蓋；414—法蘭盤；4131—通氣孔；451—真空緩沖罐；452—氣動球閥一；461—貯氣罐；462—壓力計一；463—減壓閥；464—氣動球閥二；465—數字式組合閥；466—壓力計二。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

如圖1所示，一種真空調速澆注過程的多探針測速裝置，所述的裝置具有密封容器，所述密封容器用于在熔煉爐或保溫爐處實現金屬熔體攝取，并在模具或者壓室處實現金屬熔體的澆注，在所述的密封容器內部設有若干內部金屬液面探針，所述內部金屬液面探針用于實時監測容器內合金熔體液面的的高度，每個內部金屬液面探針的下端部按照一定的高度差分布在密封容器內部，所述每個內部金屬液面探針均與反饋信號接收裝置電連接。

所述多探針測速裝置還包括用于實現金屬熔體攝取和澆注的氣動系統和控制系統。

利用所述裝置進行澆注過程實時測速的方法，其中測速是指能夠在澆注過程中實時監測密封容器內合金熔體液面的下降速度，其特征在于，

在澆注開始時，金屬熔體液面高度高于所有探針，此時所有探針均位于液面以下并處于連通狀態，此時按預設參數開始澆注，熔體液面下降，第一個探針與熔體分離，設此時密封容器內合金熔體液面的高度是h₁，并開始計時，隨著合金熔體液面繼續下降，第二個探針與熔體分離，設此時密封容器內合金熔體液面的高度是h₂，設此過程中兩個金屬液面探針高度差為Δh＝h₁-h₂，經過時間為Δt，根據如下公式計算此過程中熔體的實際澆注速度：

式中，P₁為密封容器內氣體預設壓強，ρ為合金熔體的密度，P₀為大氣壓，g為重力加速度。v_1r為密封容器內合金熔體液面的實際下降速度，v_2r為合金熔體出口處的實際流速。

當合金熔體液面繼續下降，隨后的各探針與熔體分離時，重復上述過程，得到每一階段實際的澆注速度。

上述計算由所述控制系統實時完成。

優選的，包含所述多探針測速裝置的真空調速澆注過程的精確調速設備，所述的裝置包括密封容器、澆注口開合裝置、抽真空裝置、壓縮氣體填充裝置、液面下降速度測定裝置、反饋信號接收裝置和控制系統；

所述密封容器用于儲存金屬熔體，并在熔煉爐或保溫爐處實現金屬熔體攝取，在模具或者壓室處實現金屬熔體的澆注；

所述澆注口開合裝置用以在金屬熔體的攝取、轉移、澆注過程中實現澆注口的開啟或關閉；

所述抽真空裝置用以實現密封容器內的抽真空，用以實現金屬熔體的攝取；

所述壓縮氣體填充裝置用以實現澆注過程中金屬熔體的排出；

所述液面下降速度測定裝置用以測定澆注過程中密封容器內金屬熔體的實際液面下降速度；

所述反饋信號接收裝置用于將金屬熔體攝取和排出過程中，密封容器內金屬熔體液面高度、密封容器進入熔煉爐或保溫爐內熔體深度等數據反饋給控制系統；

所述控制系統控制抽真空裝置和澆注口開合裝置的啟動/停止、壓縮氣體填充裝置進行氣體填充的壓力值。

更優選的，所述的真空調速澆注過程的精確調速設備具體為：

合金熔體真空調速定量澆注設備，包括機械裝置1、固定裝置2、氣缸3、真空調速定量澆注裝置4、反饋信號接收裝置5、控制系統6。真空調速定量澆注裝置4又包含密封容器41、內部金屬液位監測裝置42、關閉塞43、外部金屬液面探針44、抽真空裝置45、壓縮氣體填充裝置46。固定裝置2為一T字形橫梁，一端固定一個氣缸3，一端固定真空調速定量澆注裝置4，最后一端固定在機械裝置1上，這樣既保證了氣缸3和真空調速定量澆注裝置4的相對固定，同時使整個設備可以在機械裝置1的控制下移動或者轉動。氣缸3包括一個活塞桿31和一個連接桿32。氣缸3固定在固定裝置2上。連接桿32為一個細桿，連接桿32一端連接活塞桿31，另一端連接關閉塞43，關閉塞43就能夠在氣缸3的控制下實現開啟和關閉。密封容器41由容器罐411、容器罐底部開口412、上蓋413、法蘭盤414這三部分組成。其中，罐411是一個圓柱形的空心容器，底部中心部位有容器罐底部開口412。容器罐411通過法蘭盤414固定在上蓋413上，連接處有密封圈保證裝置的氣密性。連接桿32通過上蓋413上面的通孔插入密封容器，通孔處設有密封圈保證裝置的氣密性。上蓋413上面的通氣孔4131通過未畫出的彈性補償管連接抽真空裝置45和壓縮氣體填充裝置46。即，抽真空裝置45和壓縮氣體填充裝置46通過通氣孔4131對密封容器41抽真空和填充氣體。關閉塞43為一圓臺形堵頭，它一端連接到連接桿32上，通過氣缸3的控制實現開閉。內部金屬液位監測裝置42固定在上蓋413上，作用是監測合金熔體液面的實際高度和下降速度。外部金屬液面探針44固定在法蘭盤414上，作用是監測容器罐底部開口412是否浸入合金熔體7的液面下一定的深度，保證在液面以下攝取合金熔體7。內部金屬液位監測裝置42、外部金屬液面探針44均電連接到反饋信號接收裝置5，用將物理信號轉換化為電信號。抽真空裝置45包括一個真空緩沖罐451和一個氣動球閥452，通過開關氣動球閥一來控制真空緩沖罐451對密封容器41抽真空動作的啟停。壓縮氣體填充裝置46包括貯氣罐461、氣壓計一462、減壓閥463、氣動球閥464、數字式組合閥465、氣壓計二466。貯氣罐461中貯存壓縮空氣或者惰性氣體，作為壓縮氣體填充裝置46的氣源。氣壓計一462用來監測和反饋貯氣罐461中氣體的壓力。減壓閥463的作用是對從貯氣罐461中流入管路的氣體進行減壓。通過對氣動球閥二464的開關實現貯氣罐461中壓縮空氣或者惰性氣體對密封容器41的填充的啟停。數字式組合閥465對壓縮氣體的壓強進行實時調節。氣壓計二466作用是監測和反饋密封容器41中的氣壓。機械裝置1、氣缸3、抽真空裝置45、壓縮氣體填充裝置46、反饋信號接收裝置5均電連接到控制系統6上，以實現整個設備的自動控制。

以恒定速度澆注為例，對所述的合金熔體真空調速定量澆注設備的工作過程進行說明，具體步驟包括：

1、確定需要攝取的合金熔體7的量以及澆注速度預設值和澆注量，輸入控制系統6；

2、通過控制系統6控制機械裝置1使設備在爐體8內向下移動，直到外部金屬液面探針44接觸到合金熔體7的液面，外部金屬液面探針44通過反饋信號接收裝置5將信號傳給控制系統6，控制系統6控制機械裝置1停止移動；

3、通過控制系統6控制氣缸3動作，使活塞桿31位于1工位，此時關閉塞43打開；

4、通過控制系統6啟動抽真空裝置45，即開啟氣動球閥一452，通過通氣孔4131對密封容器41抽真空；

5、密封容器41內液面在內外壓差的作用下上升，內部金屬液位監測裝置42實時監測液面位置并通過反饋信號接收裝置5反饋給控制系統6，當合金熔體7的攝入量到達指定量時，在控制系統6作用下，氣缸31動作，使活塞桿31位于2工位，此時關閉塞43關閉，同時氣動球閥一452關閉，抽真空裝置45停止對密封容器41抽真空；

6、控制系統6控制機械裝置1移動定量澆注裝置4到壓室9的上方；

7、通過控制系統6控制氣缸31動作，使活塞桿31位于1工位，此時關閉塞43打開，同時氣動球閥二464開啟，啟動壓縮氣體填充裝置46，向通氣孔4131內通入壓縮氣體，合金熔體在壓縮氣體推力及重力的作用下澆入壓室9；

其中，在本步驟中，初始的澆注速度為預設值，該澆注速度的預設值通過密封容器內的預設氣體壓強來實現，該預設氣體壓強由以下方法確定：

設預設的澆注速度為v₂，根據如下公式(1)(2)確定得到v₂所需要的密封容器內的預設氣體壓強P₁：

v₂＝Cv₁ (2)

上式中，P₁為密封容器內氣體預設壓強，h為合金熔體液面實時高度，v₁為密封容器內部合金熔體液面下降速度，v₂為密封容器底部開口處合金熔體的流速即澆注速度v₂，C為容器罐徑向截面積和容器罐底部開口徑向截面積之初始比，ρ為合金熔體的密度，P₀為大氣壓，g為重力加速度。

8、由于在澆注過程中，合金熔體液面實時高度h是實時發生變化的，因而密封容器內氣體預設壓強P₁也應該實時發生變化，因而控制系統6根據設定的澆注速度和壓力計二466、內部金屬液位監測裝置42的反饋信號，通過數字式組合閥465實時調整壓縮氣體填充裝置46的壓強，從而實現對澆注速度的控制。

9、澆注過程中，通過內部金屬液位監測裝置42實時監測密封容器內金屬液面實際下降速度v_1r，并通過反饋信號接收裝置5反饋給控制系統6，所述的金屬液面實際下降速度v_1r采用本發明所述的多探針方式，并根據如下公式(3)(4)確定容器罐徑向截面積和容器罐開口處徑向截面積的真實比值C_r。

v_2r＝C_rv_1r (4)

根據確定的容器罐徑向截面積和容器罐開口處徑向截面積的真實比值C_r對密封容器內預設氣體壓強調整進行調整，方法為將C_r，所需的澆注速度v₂及目前時刻合金熔體液面高度h參數，代入公式(1)(2)，得到目前時刻容器內所需壓強P_1r。

在澆注過程中，以上計算由控制系統不斷地執行，從而根據實際情況的改變實現對澆注速度的精確調整。

10、當達到預設的澆注量時，控制系統6控制氣缸31動作，使活塞桿31位于2工位，此時關閉塞43關閉，同時控制氣動球閥二464關閉，壓縮氣體填充裝置46停止向密封容器41充氣；

11、控制系統6控制機械裝置1帶動真空調速定量澆注裝置4從壓室移開，等待下一次澆注或者攝取熔體。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。