智能控制的薄壁铝合金铸件真空差压铸造工艺与理论

论文摘要

近无余量、高精度、高性能、复杂薄壁有色合金铸件是21世纪铸造业的发展趋势之一,在航空航天、国防、汽车工业等基础产业具有重要的地位和广阔的应用前景,但现有的精密成形工艺尚不能完全满足质量要求高的复杂薄壁有色合金铸件的生产要求。本研究针对复杂薄壁铝合金铸件的特点,在吸收了真空吸铸、低压铸造、差压铸造工艺优点的基础上,提出了一种在真空条件下低压充型,高压下结晶的新型差压铸造精密成形工艺——真空差压铸造,并探讨了真空差压铸造工艺和理论,开发了具有使用价值的基于智能控制的真空差压铸造设备,解决了国防和民用工业中小批量、铸件质量要求高的复杂薄壁铝合金铸件精密成形问题。本研究提出了真空差压铸造原理及工艺,其采用真空条件下低压充型,高压下结晶的原理,工艺分为抽真空、充型、升压、保压和卸压五个阶段,充型和结晶可在不同压力下进行,具有优越的充型流体力学和凝固的力学条件,解决了一般的反重力铸造工艺在铸造复杂薄壁铸件方面存在的气体反压力和充型等问题,并自行设计和研制了一套VCPC-1型真空差压铸造设备,为真空差压铸造工艺的理论研究和生产应用打下了良好的基础。本文系统地研究了真空差压铸造的智能控制系统,采用MATLAB对真空差压铸造数字PID控制和模糊控制算法进行了仿真分析,在此基础上,确定了真空差压铸造智能控制系统采用模糊控制算法;采用Delphi语言开发了真空差压铸造智能控制的可视化界面,界面以视窗形式弹出,功能齐全,简单实用,具有良好的人-机对话功能;采用串行通信技术,真空差压铸造智能控制系统实现了下位机的近程控制和上位机的远程控制。下位机采用单片机控制,主要便于在现场实时监测整个工艺过程;上位机采用PC机控制,主要用于传输、保存和打印数据,显示和再现整个工艺过程,可以在500m的范围进行控制操作。试验结果表明,研制的真空差压铸造智能控制系统高效可靠,运行良好,完全能够满足工艺要求。系统研究了真空差压铸造工艺的充型理论,自行研制了一套智能化的电极触点法流动形态测试系统,在此基础上,测试了不同壁厚铝合金铸件和不同充型速度下真空差压铸造工艺的充型流动形态,探讨了真空差压铸造铝合金薄壁铸件的充型规律,提出了“临界加压速度”或“临界充型速度”的概念,同时建立了真空差压铸造工艺的“正向充填”和“反向充填”理论,并探讨了金属液的流动形态与铸件质量的关系,为真空差压铸造充型工艺的优化提供了理论依据。系统研究了真空差压铸造工艺的凝固补缩理论,探讨了不同结晶凝固压力下真空差压铸造铝合金试样的致密度和显微组织变化规律,建立了真空差压铸造工艺凝固补缩过程的数学模型,得出晶间不同部位（X处）的补缩速度公式为:指出晶间X处的补缩速度主要取决于结晶凝固时保压压力P保的大小,保压压力P保越大,晶间X处的补缩速度就越快。在此基础上,提出了真空差压铸造工艺的枝晶挤滤渗流补缩理论,并得到金属液的挤滤渗流能力公式为:指出挤滤渗流作用的大小主要取决于保压压力P保,保压压力P保越大,挤滤渗流作用就越强,金属液就能够更顺利的通过凝固枝晶间的狭窄通道向补缩区流动,从而更有利于对固-液界面的凝固补缩。凝固补缩理论的研究为真空差压铸造复杂薄壁铝合金致密铸件提供了理论基础。建立了真空差压铸造工艺参数包括真空度、充型速度、充型压差、升压速度、结晶压力和保压时间等的确定原则,并成功地小批量铸造了最小壁厚0.8mm,最大重量20kg的复杂薄壁铝合金壳体和箱体军品铸件,为航空企业开发了VCPC-2型真空差压铸造系统,表明真空差压铸造技术已具备生产1mm以下的近无余量、薄壁复杂铸件的能力,并适用于熔模精铸型、砂型、金属型、石膏型等多种铸型生产,为我国真空差压铸造技术的推广应用打下了良好的基础,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景和意义
• 1.1.1 铸件的“近净形化”
• 1.1.2 铸件的“轻量化”
• 1.1.3 铸件的“精密化”
• 1.1.4 铸件生产的“复合化”
• 1.1.5 铸件生产的“智能化”
• 1.2 复杂薄壁铝合金铸件的特点及其成形工艺要求
• 1.2.1 复杂薄壁铸件的基本概念及其特征
• 1.2.2 复杂薄壁铸件成形的基本要求
• 1.2.3 国内外复杂薄壁铝合金铸件成形技术的研究现状和发展趋势
• 1.3 国内外差压铸造精密成形技术的研究现状
• 1.4 本研究的目标和主要研究内容
• 1.4.1 真空差压铸造工艺的提出
• 1.4.2 本研究的目标和主要研究内容
• 2 真空差压铸造工艺原理及设备
• 2.1 真空差压铸造工艺原理
• 2.2 真空差压铸造设备
• 2.3 真空差压铸造工作原理
• 2.4 小结
• 3 真空差压铸造工艺的智能控制系统设计
• 3.1 真空差压铸造工艺智能控制系统的控制原理
• 3.1.1 智能控制系统研究对象的分析
• 3.1.2 真空差压铸造智能控制系统的控制模型
• 3.1.3 智能控制系统控制算法的选择
• 3.2 智能控制系统设计
• 3.2.1 智能控制系统的构成
• 3.2.2 智能控制系统的下位机近程控制
• 3.2.3 智能控制系统的上位机远程控制
• 3.3 运行调试
• 3.4 小结
• 4 真空差压铸造工艺充型理论的研究
• 4.1 真空差压铸造工艺充型速度的研究
• 4.1.1 加压速度dp/dt 和气体流量Q的关系
• 1 和加压速度dp/dt 的关系'>4.1.2 充型速度υ₁ 和加压速度dp/dt 的关系
• 1 、加压速度dp/dt 和气体流量Q的关系的验证'>4.1.3 充型速度υ₁ 、加压速度dp/dt 和气体流量Q的关系的验证
• 4.2 真空差压铸造铝合金充型流动形态的测试
• 4.2.1 金属液流动形态的测试方法——电极触点法
• 4.2.2 真空差压铸造铝合金的充型流动形态实际测试
• 4.2.3 真空差压铸造铝合金的充型流动形态分析
• 4.3 真空差压铸造铝合金充型流动形态的充填模型
• 4.3.1 正向充填模型
• 4.3.2 反向充填模型
• 4.4 金属液的流动形态与铸件质量的关系
• 4.5 小结
• 5 真空差压铸造工艺凝固补缩理论的研究
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 实验装置和试样
• 5.1.2 试样密度的测试方法
• 5.1.3 试样显微组织的测试方法
• 5.2 试样致密度的测试结果及分析
• 5.2.1 试样致密度的测试结果
• 5.2.2 试样致密度的分析
• 5.3 试样显微组织的测试结果及分析
• 5.3.1 不同结晶凝固压力下试样同一部位的显微组织
• 5.3.2 同一结晶凝固压力下试样不同部位的显微组织
• 5.4 真空差压铸造工艺的凝固补缩机理
• 5.4.1 真空差压铸造工艺凝固补缩过程数学模型的建立
• 5.4.2 真空差压铸造工艺的枝晶挤滤渗流补缩理论
• 5.5 小结
• 6 真空差压铸造技术的应用
• 6.1 真空差压铸造工艺参数的确定原则
• 6.1.1 真空度大小的确定
• 6.1.2 充型速度大小的确定
• 6.1.3 充型压差大小的确定
• 6.1.4 升压速度大小的确定
• 6.1.5 结晶压力大小的确定
• 6.1.6 保压时间大小的确定
• 6.2 真空差压铸造技术的应用
• 6.2.1 生产应用
• 6.2.2 开发真空差压铸造系统
• 6.3 小结
• 7 主要结论和发展方向
• 7.1 主要结论
• 7.2 发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文