[發明專利]多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置與方法

有效

• 申請號: 202110342358.2
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113102733B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 王建元;翟薇;于洋;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22D27/08
• 分類號: B22D27/08;B22D46/00;B22D2/00
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

1.一種多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：包括金屬凝固裝置本體和金屬凝固數據采集及控制器，所述金屬凝固裝置本體包括從頂部澆注的鑄模組件(4)和設置在鑄模組件(4)外壁的多個方向上的超聲振動組件(5)，所述鑄模組件(4)的外壁上設置有與超聲振動組件(5)形成對抗力以防止鑄模組件(4)發生移動的止推桿(6)，所述超聲振動組件(5)和止推桿(6)均壓緊鑄模組件(4)的外壁，所述鑄模組件(4)的上方設置有用于加熱熔融合金固體原料并向內鑄模組件(4)澆鑄的母合金池(1)；

所述金屬凝固數據采集及控制器包括依次連接的聲信號采集電路(8)、計算機(9)、多路信號發生器(11)和多路信號放大器(10)，以及布設在鑄模組件(4)內的多個聲壓傳感器(7)，所述聲壓傳感器(7)與聲信號采集電路(8)連接；所述超聲振動組件(5)與多路信號放大器(10)的輸出端連接，所述多路信號放大器(10)與計算機(9)連接；

所述鑄模組件(4)包括鑄模主體和可拆卸且密封連接在鑄模主體上的多個活動側壁，每個所述活動側壁均通過一個超聲振動組件(5)壓緊在鑄模主體上。

2.按照權利要求1所述的多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：所述鑄模組件(4)為直四棱柱體形，所述鑄模組件(4)包括鑄模主體(4-1)、鑄模活動側壁(4-2)和耐高溫柔性墊(4-3)，所述鑄模主體(4-1)包括底部的長方形/正方形框架結構(4-11)以及設置在框架結構(4-11)上的直角面(4-12)和立柱(4-13)，所述立柱(4-13)設置在直角面(4-12)的對角位置上，所述鑄模活動側壁(4-2)的數量為三個且分別位于底面和兩個側面上，所述耐高溫柔性墊(4-3)的數量為三個且分別夾裝在三個鑄模主體(4-1)和三個鑄模活動側壁(4-2)之間；所述超聲振動組件(5)的數量為三個且分別壓緊在三個鑄模活動側壁(4-2)的外壁上，所述止推桿(6)設置在與設置超聲振動組件(5)相對的三個正交方向上。

3.按照權利要求2所述的多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：所述鑄模活動側壁(4-2)的壁面厚度h根據公式h＝k_h·h₀確定，其中，h₀為采用有限元仿真的方法確定的臨界壁面厚度，k_h為鑄模活動側壁(4-2)的壁面厚度的取值安全系數。

4.按照權利要求3所述的多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：采用有限元仿真的方法確定臨界壁面厚度的具體過程為：

步驟A1、建立尺寸、材質模型：對鑄模組件(4)、超聲振動組件(5)和止推桿(6)進行尺寸建模，并輸入各個零件的材料參數；

步驟A2、建立零件之間的連接關系和邊界條件，在零件之間設置摩擦系數，設定止推桿(6)為固定不動，設定超聲振動組件(5)的振動函數及振動參數，并劃分網格；所述振動參數包括振幅和振動頻率；

步驟A3、設定時間總長度和步長，進行振動過程的模擬計算，查看是否報錯，當計算過程中報錯時，說明材料被破壞，所輸入的鑄模活動側壁(4-2)的壁面厚度小于了臨界壁面厚度；當正常完成計算時，說明材料處于正常彈性范圍，所輸入的鑄模活動側壁(4-2)的壁面厚度為安全數值；

步驟A4、輸入不同的鑄模活動側壁(4-2)的壁面厚度，進行多次振動過程的模擬計算，找出能夠正常完成計算的鑄模活動側壁(4-2)的最小壁面厚度，確定為臨界壁面厚度h₀。

5.按照權利要求1所述的多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：所述母合金池(1)的底部流出孔處連接有連通到鑄模組件(4)內的澆鑄管道(3)，所述母合金池(1)內放置有能夠塞住所述流出孔的塞桿(2)。

6.按照權利要求1所述的多向耦合的壁面振動三維超聲金屬凝固裝置，其特征在于：所述超聲振動組件(5)包括導向套(5-3)和設置在導向套(5-3)內且能夠在導向套(5-3)內滑行運動的超聲換能器(5-2)，所述超聲換能器(5-2)的后端連接有用于帶動超聲換能器(5-2)運動的動力機構，所述超聲換能器(5-2)的前端連接有用于壓緊鑄模組件(4)的外壁的變幅桿(5-1)。