反重力铸造充型过程的水力学特征和氧化膜卷入机制

发布时间：2020-02-09 02:16

【摘要】：反重力铸造技术具有充型平稳优势,被认为是解决氧化膜和夹杂卷入的有效技术手段。然而,在实际生产中,对于结构复杂的铝(镁)合金铸件,在采用反重力铸造时依然会出现一定程度卷气、夹杂等缺陷,影响铸件的冶金质量和力学性能。深入揭示反重力铸造中卷入性缺陷的形成与演化规律,对制备优质铸件,优化铸造工艺具有重要重要的理论意义和实用价值。基于此,本文利用水力学计算、相似物理模拟和生产性验证相结合的方法,从反重力铸造充型过程的水力学特征出发,研究了加压速度和型腔截面变化对浇口速度的影响,以及浇口速度对充型形态和充型稳定性的作用规律,明晰了反重力铸造过程中,表面氧化膜卷入机制,并且给出了避免表面膜卷入的基本工艺原则。此外,本文还分析了浇道结构形式对充型稳定性的影响,提出了适用于反重力铸造的浇道结构形式。建立了与实际工况接近的反重力铸造物理模型,并根据型腔截面变化程度设计了4种典型型腔结构,利用VOF两相流方法,研究了设备参数、工艺参数和型腔截面变化对浇口速度的影响规律。结果表明,根据浇口速度的变化规律,突扩结构的充型过程可分为铺展阶段和充型阶段。在铺展阶段,浇口速度首先快速增加;在充型阶段,随后随着加压速度的不同,浇口速度表现出三种不情况:加压速度较大时,浇口速度继续增加;加压速度合理时,浇口速度保持不变;加压速度较低时,浇口速度先降低后保持不变。渐扩结构的铺展阶段所需时间较短,浇口速度增加幅度略小。在充型阶段,浇口速度始终不断增加,加压速度越大,浇口速度增加越快。浇口速度的增加速度始终低于铺展阶段。突缩结构的充型特点是当金属液流入小截在后,浇口速度快速降低,随后开始具有衰减振荡的特点。在渐缩结构的充型过程中,浇口速度缓慢降低。加压速度越大,浇口速度下降速度越快,速度振幅越小。在反重力铸造充型过程中,加压速度和型腔截面变化对浇口速度的影响同等重要。对充型形态和速度场的分析表明,升液阶段平均速度小于0.12m/s时,铝液表面的氧化膜能附着到升液管壁上。否则,表面膜将在升液管壁附近被撕裂,漂浮在升液管中部的液面上,进入型腔后存在卷入金属液内部的可能。突扩结构和渐扩结构充型过程中的铺展阶段,由于截面增大,金属液水平流动,型腔内液面升高速度降低。加压速度越大,下罐压力和型腔液面高度产生的压力的差值越大,浇口速度增加越大,射流越严重。突扩结构和渐扩结构的临界浇口速度为0.5m/s。当浇口速度大于0.5m/s时,射流作用使金属液在自由表面上被抬高,回落到液面时携裹氧化膜进入金属液内部,形成卷入性缺陷。在突缩结构中,型腔横截面积变小,金属液流入小截面后,液面前沿的速度在惯性作用下快速增加,当加压速度保持不变时,下罐压力不足以支撑液面的高度,导致液面回流。型腔壁上附着的金属液快速凝固结壳,当液面再次上升时,形成双层膜形式的表面裂纹。通过在截面变化处增加加压速度可以避免突缩结构和渐缩结构充型过程中形成表面裂纹。针对传统浇道结构在反重力条件下充填时易产生卷气和液面回流的问题,研究发现通过减小横浇道的长度并增加其高度,同时采用较低的加压速度充填横浇道能够避免上述问题,但在实际应用中仍有局限性。“Y”形结构在反重力条件下充填时浇口速度只与加压速度有关,不受其浇道长度和宽度的影响。浇口盆结构配合液面悬停技术有利于充型过程平稳,然而采用线性加压工艺进行悬停时,会造成浇口盆内液面剧烈波动。采用非线性加压工艺,金属液开始流入浇口盆后缓慢降低加压速度至零,可明显减小液面波动。为此,设计开发了基于模糊自整定PID控制的带斜率预测因子的智能控制器和非线性液面加压控制系统,实现了反重力铸造中的非线性加压工艺控制。
【图文】：

曲线,低压铸造工艺,加压工艺,原理

低压铸造可用铸型范围广，在汽车领域多采用可批量生产的金属型。图1-1 低压铸造工艺原理及加压工艺曲线[15]Fig. 1-1 Low pressure casting process principle and classical pressure process[15]:(a) schematic diagram of the process principle, (b) classical pressure process低压铸造适用于生产各类高质量要求的复杂铸件。美国通用公司最早将低压铸造用于铝合金气缸盖的批量生产。法国获诺汽车公司对铝合金低压铸造工艺进行了大量的研究，形成了其特有的低压铸造技术，其工艺和设备水平对欧洲有重要影响。日本的本田汽车、东京轻合金制作所等在也在低压铸造工艺生产铝合金方面做了大量工作。1.2.1.2 差压铸造保加利亚在 1960 年左右将低压铸造和压力釜铸造相结合，提出差压铸造工艺的概念[16,17]。差压铸造的基本原理是同步向上、下密封罐内通入一定压

反重力,充型过程,衰减振荡

消失还是在某些条件下被再次放大仍不清楚，以及充型过程充型速度的衰减振荡特征对充型稳定有无影响和影响程度尚无定论。图1-2 反重力铸充型过程衰减振荡特点[38]Fig. 1-2 Mold filling process characterized by damping oscillations[38]严青松[15]、董选普[35]、曾建民[38]和吕衣礼[39]等研究了不同壁厚铸件在反重力充型条件下的充填形态，如图 1-3所示。铸件壁厚为 5mm 时，射流区从内浇口处开始发展，，在射流中心流线几乎是相互平行的。在液面附近流线向两侧弯曲，形成一个放射状的扇形。后涡流区的结构主要由一些旋转的涡环构成。涡流中心的速度几乎为零，而在与射流区的交界处，涡流的线速度最大。充型后期，涡流强度逐渐减弱，在流场的侧面和底部趋于静止。前涡流区的结构与后涡流区基本相似，只是涡流的旋转方向、流线终止于液面。壁厚为 1mm 的铸件的流动形态与 5mm 厚的铸件相比
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG24

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