【摘要】：反重力鑄造技術(shù)具有充型平穩(wěn)優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是解決氧化膜和夾雜卷入的有效技術(shù)手段。然而,在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁(鎂)合金鑄件,在采用反重力鑄造時(shí)依然會(huì)出現(xiàn)一定程度卷氣、夾雜等缺陷,影響鑄件的冶金質(zhì)量和力學(xué)性能。深入揭示反重力鑄造中卷入性缺陷的形成與演化規(guī)律,對(duì)制備優(yōu)質(zhì)鑄件,優(yōu)化鑄造工藝具有重要重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值�；诖�,本文利用水力學(xué)計(jì)算、相似物理模擬和生產(chǎn)性驗(yàn)證相結(jié)合的方法,從反重力鑄造充型過(guò)程的水力學(xué)特征出發(fā),研究了加壓速度和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響,以及澆口速度對(duì)充型形態(tài)和充型穩(wěn)定性的作用規(guī)律,明晰了反重力鑄造過(guò)程中,表面氧化膜卷入機(jī)制,并且給出了避免表面膜卷入的基本工藝原則。此外,本文還分析了澆道結(jié)構(gòu)形式對(duì)充型穩(wěn)定性的影響,提出了適用于反重力鑄造的澆道結(jié)構(gòu)形式。建立了與實(shí)際工況接近的反重力鑄造物理模型,并根據(jù)型腔截面變化程度設(shè)計(jì)了4種典型型腔結(jié)構(gòu),利用VOF兩相流方法,研究了設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,根據(jù)澆口速度的變化規(guī)律,突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的充型過(guò)程可分為鋪展階段和充型階段。在鋪展階段,澆口速度首先快速增加;在充型階段,隨后隨著加壓速度的不同,澆口速度表現(xiàn)出三種不情況:加壓速度較大時(shí),澆口速度繼續(xù)增加;加壓速度合理時(shí),澆口速度保持不變;加壓速度較低時(shí),澆口速度先降低后保持不變。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的鋪展階段所需時(shí)間較短,澆口速度增加幅度略小。在充型階段,澆口速度始終不斷增加,加壓速度越大,澆口速度增加越快。澆口速度的增加速度始終低于鋪展階段。突縮結(jié)構(gòu)的充型特點(diǎn)是當(dāng)金屬液流入小截在后,澆口速度快速降低,隨后開(kāi)始具有衰減振蕩的特點(diǎn)。在漸縮結(jié)構(gòu)的充型過(guò)程中,澆口速度緩慢降低。加壓速度越大,澆口速度下降速度越快,速度振幅越小。在反重力鑄造充型過(guò)程中,加壓速度和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響同等重要。對(duì)充型形態(tài)和速度場(chǎng)的分析表明,升液階段平均速度小于0.12m/s時(shí),鋁液表面的氧化膜能附著到升液管壁上。否則,表面膜將在升液管壁附近被撕裂,漂浮在升液管中部的液面上,進(jìn)入型腔后存在卷入金屬液內(nèi)部的可能。突擴(kuò)結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)充型過(guò)程中的鋪展階段,由于截面增大,金屬液水平流動(dòng),型腔內(nèi)液面升高速度降低。加壓速度越大,下罐壓力和型腔液面高度產(chǎn)生的壓力的差值越大,澆口速度增加越大,射流越嚴(yán)重。突擴(kuò)結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的臨界澆口速度為0.5m/s。當(dāng)澆口速度大于0.5m/s時(shí),射流作用使金屬液在自由表面上被抬高,回落到液面時(shí)攜裹氧化膜進(jìn)入金屬液內(nèi)部,形成卷入性缺陷。在突縮結(jié)構(gòu)中,型腔橫截面積變小,金屬液流入小截面后,液面前沿的速度在慣性作用下快速增加,當(dāng)加壓速度保持不變時(shí),下罐壓力不足以支撐液面的高度,導(dǎo)致液面回流。型腔壁上附著的金屬液快速凝固結(jié)殼,當(dāng)液面再次上升時(shí),形成雙層膜形式的表面裂紋。通過(guò)在截面變化處增加加壓速度可以避免突縮結(jié)構(gòu)和漸縮結(jié)構(gòu)充型過(guò)程中形成表面裂紋。針對(duì)傳統(tǒng)澆道結(jié)構(gòu)在反重力條件下充填時(shí)易產(chǎn)生卷氣和液面回流的問(wèn)題,研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小橫澆道的長(zhǎng)度并增加其高度,同時(shí)采用較低的加壓速度充填橫澆道能夠避免上述問(wèn)題,但在實(shí)際應(yīng)用中仍有局限性�！癥”形結(jié)構(gòu)在反重力條件下充填時(shí)澆口速度只與加壓速度有關(guān),不受其澆道長(zhǎng)度和寬度的影響。澆口盆結(jié)構(gòu)配合液面懸停技術(shù)有利于充型過(guò)程平穩(wěn),然而采用線性加壓工藝進(jìn)行懸停時(shí),會(huì)造成澆口盆內(nèi)液面劇烈波動(dòng)。采用非線性加壓工藝,金屬液開(kāi)始流入澆口盆后緩慢降低加壓速度至零,可明顯減小液面波動(dòng)。為此,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于模糊自整定PID控制的帶斜率預(yù)測(cè)因子的智能控制器和非線性液面加壓控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造中的非線性加壓工藝控制。
【圖文】：

低壓鑄造可用鑄型范圍廣，在汽車(chē)領(lǐng)域多采用可批量生產(chǎn)的金屬型。圖1-1 低壓鑄造工藝原理及加壓工藝曲線[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低壓鑄造適用于生產(chǎn)各類高質(zhì)量要求的復(fù)雜鑄件。美國(guó)通用公司最早將低壓鑄造用于鋁合金氣缸蓋的批量生產(chǎn)。法國(guó)獲諾汽車(chē)公司對(duì)鋁合金低壓鑄造工藝進(jìn)行了大量的研究，形成了其特有的低壓鑄造技術(shù)，其工藝和設(shè)備水平對(duì)歐洲有重要影響。日本的本田汽車(chē)、東京輕合金制作所等在也在低壓鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金方面做了大量工作。1.2.1.2 差壓鑄造保加利亞在 1960 年左右將低壓鑄造和壓力釜鑄造相結(jié)合，提出差壓鑄造工藝的概念[16,17]。差壓鑄造的基本原理是同步向上、下密封罐內(nèi)通入一定壓

消失還是在某些條件下被再次放大仍不清楚，以及充型過(guò)程充型速度的衰減振蕩特征對(duì)充型穩(wěn)定有無(wú)影響和影響程度尚無(wú)定論。圖1-2 反重力鑄充型過(guò)程衰減振蕩特點(diǎn)[38]Fig. 1-2 Mold filling process characterized by damping oscillations[38]嚴(yán)青松[15]、董選普[35]、曾建民[38]和呂衣禮[39]等研究了不同壁厚鑄件在反重力充型條件下的充填形態(tài)，如圖 1-3所示。鑄件壁厚為 5mm 時(shí)，射流區(qū)從內(nèi)澆口處開(kāi)始發(fā)展，，在射流中心流線幾乎是相互平行的。在液面附近流線向兩側(cè)彎曲，形成一個(gè)放射狀的扇形。后渦流區(qū)的結(jié)構(gòu)主要由一些旋轉(zhuǎn)的渦環(huán)構(gòu)成。渦流中心的速度幾乎為零，而在與射流區(qū)的交界處，渦流的線速度最大。充型后期，渦流強(qiáng)度逐漸減弱，在流場(chǎng)的側(cè)面和底部趨于靜止。前渦流區(qū)的結(jié)構(gòu)與后渦流區(qū)基本相似，只是渦流的旋轉(zhuǎn)方向、流線終止于液面。壁厚為 1mm 的鑄件的流動(dòng)形態(tài)與 5mm 厚的鑄件相比
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG24

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