基于pv技术的钛合金离心铸造模具设计

基于pv技术的钛合金离心铸造模具设计

钛合金具有密度低、强度高、焊接好、化学性能稳定、断裂硬度和耐腐蚀性好等特点。这是潜在的新材料。为更好地研究钛合金立式离心铸造充型过程，了解流体在多力场作用下的运动规律，本课题引入物理模拟试验方法。该方法利用相似性原理，在满足相似条件的基础上，模拟流体真实流动过程中的动力和扩散等规律。物理模拟试验具有易控制、易重复，节省人力、物力，可进行较全面和规律性试验的特点，得到研究者重视。吴士平等1试验设备、材料和方法1.1其他组成模具试验平台见图1，包括立式离心铸造物理模拟试验平台、PTV拍摄装置及上位机。其中立式离心铸造物理模拟试验平台由浇注系统（包括流体泵，高2.2m的浇包及其下的流体管道）、离心转台及其控制柜、模具（见图2）、流量控制系统组成；PTV拍摄装置包括高速CCD相机（拍摄帧率为600Hz）和200W的LED灯。离心转台为顺时针旋转，转速为0～500r/min，离心转台侧面安装速度感应器实时测量反馈转台转速到离心转台控制柜。流量控制系统由电磁阀、流量计和控制柜组成，流量计通过流量反馈给控制柜、控制柜通过电信号控制电磁阀开关，从而控制浇注时间和流量。模具为有机玻璃材质，底部可拆卸，通过螺丝固定在离心转台上。模具根据内浇道数量和位置分为4个模块，各模块中均匀设置一个ue7880.4cm的孔作为出气孔。试验以单浇道型腔为试验对象，模具壁厚为5cm。1.2试验流体及材料参数在离心力场下高温钛合金熔体的充型过程可视为具有自由表面的粘性不可压缩流体的三维非稳态流动离心力与柯氏力计算公式分别为：重力G=mg。考虑到在立式离心铸造中，重力和柯氏力与离心力相比作用较小，此时起决定性作用的是粘性力及惯性力，故选取雷诺数为准数考虑到动力相似，简化得到：式中，m为流体微团质量；r为离心半径；ω为离心角速度；v试验采用羧甲基纤维素水溶液作为试验流体，试验流体与钛合金熔体的物性参数见表1。通过试验与测量，发现当低粘羧甲基纤维素质量分数为0.68%时，可获得该粘度（83mPa·s）的试验流体。1.3粒子充型速度分析PTV是在流场中布撒一定数量的示踪粒子，并将脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续多次曝光，获得不同时刻粒子在流场中位置的图像使用图像处理软件追踪粒子。示踪粒子为亮黄色，在图像中与流体粒子灰度与粒径大小不同，基于粒子群体运动及粒径匹配度等特征识别并获取粒子在每幅图像中的位置，通过识别连续图像中的粒子，获取粒子随时间变化的位移与运动速度。软件中默认坐标系的原点为图片的左下角，采用右手坐标系。通过建立与模具旋转方向与速度对应的旋转坐标系分析粒子充型速度。旋转坐标系以模具中心为旋转中心（原点），以单浇道型腔的内浇道方向为X轴，采用右手坐标系。图5为实际拍摄的照片中的坐标轴示意图，其中O通过矩阵变换获得两坐标系之间的关系，见图6。与图5对应，其中O式中，θ式中，n为模具旋转角速度，rad/s;t为模具旋转时间，s。经坐标转换得到示踪粒子的时间-位移值后，基于每幅图像之间的时间差计算出其速度。以离心转速n=30r/min时的一个示踪粒子P1.4试验计划试验方案见表2，方案1～4通过控制变量研究离心转速对于流体充型的影响，方案4和方案5研究了浇注速度对流体充型过程的影响。2试验结果与分析2.1离心转速影响试验方案1～4为不同离心转速下示踪粒子的运动，其结果见图9。其中图9a是模具静止时示踪粒子P图10为上述3种离心转速下粒子运动速度随粒子运动位置变化图。对比可知，在钛合金立式离心铸造充型过程中，不同离心转速条件下示踪粒子速度的变化趋势相似，即充型前期速度迅速减小，随后缓慢减小，最终趋于平稳。并且随着离心转速的提高，示踪粒子的整体运动速度逐渐减小。即随着离心转速增加，流体充型过程更加缓慢平稳。2.2注射速度对液体运动轨迹和速度的影响方案4和方案5的浇注速度对比试验结果见图11与图12。其中图11是浇注速度为0.26m3离心转速对充型速度的影响(1）钛合金立式离心铸造物理模拟充型过程中，位于横浇道中部或右侧的示踪粒子在离心力和柯氏力的共同作用下，由横浇道中部向与旋转方向相对的左侧壁流动，沿着内浇道流入型腔，在充型后期向旋转轴中心靠近。(2）随着离心转速提高，示踪粒子向与旋转方向相反的侧壁流动的趋势越大，贴壁流动的现象越明显。不同离心转速条件下流体充型速度的变化趋势相似，即前期迅速减小、随后缓慢减小、最终趋于平