[發(fā)明專利]一種鋁合金重力金屬型鑄造工藝優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610598884.4
• 申請(qǐng)日: 2016-07-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106227954B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牛曉峰;潘少鵬;胡磊;王寶健;閻佩雯;黃志偉;梁偉;朱明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;B22C9/06
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司14101
• 代理人: 江淑蘭

1.一種鋁合金重力金屬型鑄造工藝優(yōu)化方法，其特征在于：是基于光滑粒子法對(duì)金屬液中渣團(tuán)、氣體運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真方法應(yīng)用于鋁合金重力金屬型鑄造工藝優(yōu)化，具體的步驟如下：

(1)預(yù)制鋁合金平板件樣件

①制備鋁合金平板件用開(kāi)合式模具，模具材料為工具鋼，澆注時(shí)，模具的預(yù)熱溫度為300℃±5℃；

②熔煉獲得鋁合金熔液

稱取鋁合金4kg±0.1kg，置于熔煉坩堝中，加熱至720℃±5℃，并對(duì)熔液進(jìn)行攪拌，采用六氯乙烷除氣，隨后除渣，靜置后鋁合金熔液溫度降至690℃±5℃，待用；

③重力金屬型鑄造過(guò)程

將鋁合金熔液注入開(kāi)合式模具澆口，在重力作用下金屬液進(jìn)入模具型腔并充滿型腔；

④鑄件冷卻及出型

待鑄件凝固，打開(kāi)開(kāi)合式模具，取出平板鑄件；

⑤清理鑄件表面

用金屬刷清理鑄件表面、用機(jī)械切除鑄件余頭、用砂紙打磨鑄件表面，平板鑄件成型；

(2)建立粒子運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)模型

①對(duì)粒子進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)

首先對(duì)粒子進(jìn)行初始配置，光滑粒子法是一種基于粒子的計(jì)算方法，要對(duì)模具固壁、鋁合金熔液、渣團(tuán)及型腔中的氣體進(jìn)行粒子化，確定粒子的物性參數(shù)，具體步驟如下：

1)三維實(shí)體的建立及粒子化

用三維建模軟件建立模具固壁、鋁合金熔液、渣團(tuán)及型腔中氣體的三維模型，采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行粒子化；

2)確定粒子的物性參數(shù)

按照粒子類型，進(jìn)行質(zhì)量、密度、初始速度、粘度的設(shè)置；

②建立相互作用粒子的搜索方法

采用鏈表搜索方法，確定相互作用粒子，并進(jìn)行配對(duì)，為下一步計(jì)算建立基礎(chǔ)，先把計(jì)算區(qū)域劃分為多個(gè)相同大小的單元格，單元格的尺寸為0.0706mm，所有粒子均分布在各個(gè)單元格內(nèi)；

分別對(duì)每個(gè)粒子的支持域內(nèi)與其相互作用的粒子進(jìn)行搜索配對(duì)，對(duì)于三維問(wèn)題，在搜索過(guò)程中，單元格按照從左至右，從下至上，從前至后的搜索順序，每次搜索十三個(gè)單元格，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算完成后，重新進(jìn)行粒子配對(duì)；

③計(jì)算粒子下一時(shí)刻的位置及速度

金屬液粒子、氣體粒子和渣團(tuán)粒子下一時(shí)刻的位置及速度的計(jì)算步驟如下：1)計(jì)算金屬液粒子或氣體粒子的加速度值；

粒子i所受的力為壓力、重力、粘性力、表面張力，計(jì)算公式如下：

f_i＝f_i^p+f_i^v+f_i^g+f_i^t

${f_i}^p=-{\mathrm{\Σ}}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}$

${f_i}^v={\mathrm{\Σ}}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}$

f_i^g＝g∑_jm_jw_ij

對(duì)于粒子i表面張力的求解：當(dāng)相互作用的粒子i和粒子j為金屬液粒子與氣體粒子或者為氣體粒子與金屬液粒子時(shí)，考慮表面張力，計(jì)算公式如下：

${f_i}^t=\mathrm{\β}(\▿{\hat{n}}_i)n_i$

則粒子i的動(dòng)量方程表達(dá)式如下：

$\frac{{\mathrm{dv}}_i}{dt}=-{\Σ}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}+{\Σ}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}+g+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}\mathrm{\β}(\▿{\hat{n}}_i)n_i$

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i^p表示粒子i受到的壓力，f_i^v表示粒子i受到的粘性力，f_i^g表示粒子i受到的重力，f_i^t表示粒子i受到的表面張力，∑_j表示對(duì)粒子i支持域內(nèi)與其相互作用的粒子加權(quán)求和，m_j表示粒子j的質(zhì)量，p_i p_j分別表示粒子i和j的壓力值，通過(guò)求解狀態(tài)方程獲得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通過(guò)連續(xù)性方程獲得，r_ij表示粒子間的位置差，r_ij²表示粒子間距離的平方，w_ij表示光滑函數(shù)，g表示重力加速，表示光滑函數(shù)梯度，η_i表示粒子i的動(dòng)力粘性系數(shù)，η_j表示粒子j的動(dòng)力粘性系數(shù)，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，β表示表面張力系數(shù)，表示粒子i的單位法向量的散度，n_i表示法向量，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，為完成上述的計(jì)算需要求解壓力，粒子i的壓力求解方程如下：

$P_i=\frac{c_0^2{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\mathrm{\γ}}-1\]$

其中c₀表示聲速，γ是一個(gè)常數(shù)，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的壓力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度變化率，求解表達(dá)式如下：

$\frac{{\mathrm{d\ρ}}_i}{dt}={\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\Σ}}_j{v}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}$

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i與粒子j的速度差，w_ij表示光滑函數(shù)，表示光滑函數(shù)梯度，表示粒子i密度的變化率；

粒子在力f的作用下，可以計(jì)算出粒子加速度；

2)計(jì)算渣團(tuán)粒子的加速度值；

渣團(tuán)粒子i所受的力為壓力、重力、粘性力和渣團(tuán)粒子間的相互作用力，計(jì)算公式如下：

f_i＝f_i^p+f_i^v+f_i^g+f_i^s

${f_i}^p=-{\mathrm{\Σ}}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}$

${f_i}^v={\mathrm{\Σ}}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}$

f_i^g＝g∑_jm_jw_ij

則粒子i的動(dòng)量方程表達(dá)式如下：

$\frac{{\mathrm{dv}}_i}{dt}=-{\Σ}_j{m}_j\frac{p_i+p_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}{\▿}_i{w}_{ij}+{\Σ}_j\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ρ}}_j}\left(\frac{4{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\η}}_j{r}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}}{({\mathrm{\η}}_i+{\mathrm{\η}}_j){r_{ij}}^2}\right)v_{ij}+g+{f_i}^s/{\mathrm{\ρ}}_i$

其中，f_i表示粒子i所受的合力，f_i^p表示粒子i受到的壓力，f_i^v粒子i受到的粘性力，f_i^g粒子i受到的重力，f_i^s表示渣團(tuán)粒子間的相互作用力(包括渣團(tuán)間的阻尼力和排斥力)，∑_j表示對(duì)粒子i支持域內(nèi)與其相互作用的粒子加權(quán)求和，m_j表示粒子j的質(zhì)量，p_i p_j分別表示粒子i和j的壓力值，通過(guò)求解狀態(tài)方程獲得，ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，通過(guò)求解連續(xù)性方程獲得，r_ij表示粒子間的位置差，r_ij²表示粒子間距離的平方，w_ij表示光滑函數(shù)，g表示重力加速，表示光滑函數(shù)梯度，η_i表示粒子i的動(dòng)力粘性系數(shù)，η_j表示粒子j的動(dòng)力粘性系數(shù)，v_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示粒子i的加速度；

粒子在力f的作用下位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，為完成上述的計(jì)算需要求解壓力，粒子i的壓力求解方程如下：

$P_i=\frac{c_0^2{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\γ}}\[{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\mathrm{\γ}}-1\]$

其中c₀表示聲速，γ是一個(gè)常數(shù)，ρ₀表示初始密度，P_i表示粒子i的壓力，ρ_i表示i粒子的密度；

求得ρ_i值，需要求出密度變化率，求解表達(dá)式如下：

$\frac{{\mathrm{d\ρ}}_i}{dt}={\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\Σ}}_j{v}_{ij}{\▿}_i{w}_{ij}\frac{m_j}{{\mathrm{\ρ}}_j}$

其中ρ_i表示粒子i的密度，ρ_j表示粒子j的密度，v_ij表示粒子i與粒子j的速度差，w_ij表示光滑函數(shù)，表示光滑函數(shù)梯度，表示粒子i密度的變化率；

粒子在力f的作用下，可以計(jì)算出粒子加速度；

3)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)后，對(duì)粒子的速度、位置進(jìn)行更新

在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)后，對(duì)金屬液粒子、渣團(tuán)粒子及氣體粒子進(jìn)行速度、位置更新，具體步驟如下：

首先，獲得作用于各個(gè)金屬液粒子、渣團(tuán)粒子和氣體粒子的合力，進(jìn)而求得加速度；

其次，金屬液粒子、渣團(tuán)粒子和氣體粒子在n+Δt時(shí)刻的速度值等于n-Δt時(shí)刻的速度值加上加速度乘以兩倍的時(shí)間步長(zhǎng)；金屬液粒子、渣團(tuán)粒子和氣體粒子在n+Δt時(shí)刻的位置值等于n時(shí)刻的位置值加上其在n時(shí)刻的速度值乘以時(shí)間步長(zhǎng)再加上n時(shí)刻的加速度乘以時(shí)間步長(zhǎng)的平方乘以二分之一，其中n表示當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻，Δt表示時(shí)間步長(zhǎng)；

一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算完成后，重新進(jìn)行粒子的搜索配對(duì)和粒子速度、位置的計(jì)算，直至充滿型腔，并得到渣團(tuán)粒子、氣體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡；

(3)預(yù)測(cè)結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果表明有渣團(tuán)進(jìn)入鑄件內(nèi)部，且鑄件出現(xiàn)澆不足、氣體難以排除的現(xiàn)象，根據(jù)模擬結(jié)果，修改澆注系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)再次模擬計(jì)算，渣團(tuán)集中到集渣包中，未進(jìn)入到鑄件中，并且氣體能夠及時(shí)排出，沒(méi)有澆不足現(xiàn)象。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金重力金屬型鑄造工藝優(yōu)化方法，其特征在于：鋁合金平板件金屬型鑄造是在工具鋼模具內(nèi)進(jìn)行的，外部為工具鋼模具(4)，工具鋼模具(4)內(nèi)部為模具型腔(8)；工具鋼模具(4)右上部為澆注口(7)，澆注口(7)下部連接直澆道(6)，直澆道(6)下部連接橫澆道(3)，橫澆道(3)中部設(shè)有內(nèi)澆道(5)，內(nèi)澆道(5)連通模具型腔(8)，模具型腔(8)內(nèi)為鋁合金金屬液(2)。