一种用于旋力差压铸造的自适应转速控制系统的制作方法

本发明属于特种铸造设备，具体涉及一种用于旋力差压铸造的自适应转速控制系统，适用于大型复杂薄壁环状铸件在旋力差压铸造过程中的转速精确控制。

背景技术：

1、近年来，发动机及燃气轮机等装备部件不断向大型化、整体化、复杂化和薄壁化方向发展，对铸件的组织与性能提出了更高要求。然而，在大型复杂薄壁环状铸件成形过程中，由于熔体充型流程长、厚薄过渡急剧、熔体流向突变多，导致充型熔体的能量损失较大，补缩能力受限。以机匣类环状铸件为例，现行工艺生产中易出现气孔、欠铸、冷隔、缩孔、组织不均匀等缺陷，严重影响生产效率与产品质量。

2、在充型过程中，当熔体与空气（或真空及惰性气体环境）的液-气自由界面受到力的约束时，可抑制瑞利-泰勒不稳定性。例如，重力铸造中采用底注式充型，自由面运动方向与重力方向相反，可在重力作用下形成更稳定的充型流态；反重力铸造中，通过气体驱动金属液运动，熔体自由面受上下罐压力差调控，亦可形成平稳流态。此外，在凝固过程中，有效的压力作用可促进残余金属液的迁移，从而强化补缩。因此，在铸造过程中形成与充型、凝固相匹配的力场是提高铸造质量的核心要求。但无论是传统重力铸造还是基于气压控制的反重力铸造，其原理上均无法形成环状分布的成形力场。

3、离心铸造能够形成沿半径分布的抛物面成形力场，通过调整离心铸造的转速可以构建匹配铸件结构的环状分布成形力场，但现有的离心铸造都是在固定的转速下进行熔体注入，例如中国专利cn201969858u公开了一种多功能真空离心振荡细晶熔铸炉。该熔铸炉设有真空系统、熔炼炉、保温炉、转动机构、水冷转盘、气冷环和升降机构，熔炼炉位于保温炉的上方，壳型置于保温炉中的水冷转盘上，水冷转盘底部连接转动机构，水冷转盘下方设置气冷环。该设备在真空下采用感应熔炼、浇注、旋转振荡、快速冷却凝固制备多种精密细晶铸件。其中，转动机构为旋转振荡机构，可实现水冷底盘速度可调正反旋转并能够急停反向旋转。该设备能够用于生产航空、航天、燃机等发动机机匣类细晶结构件以及盘片一体化细晶铸造的涡轮。

4、然而，上述现有技术仍存在明显不足。首先，该技术主要通过旋转振荡的机械方式细化晶粒，其转速控制的核心目的在于实现正反转交替，破碎初生晶粒，增加形核核心以阻止晶粒长大，调控铸件的凝固组织，而非针对充型过程中熔体流动行为的精确调控。其次，该技术对铸造过程中不同阶段的转速缺乏精细化的时序控制，无法根据熔体充型进程自适应调整转速，难以在充型阶段抑制瑞利-泰勒不稳定性、实现平稳充型。再次，该技术缺乏对铸造阶段（如熔体是否进入型腔、型腔是否充满）的实时感知手段，转速切换依赖预设程序，难以与实际的充型进程精确同步。

5、综上所述，现有重力铸造、反重力铸造、离心铸造以及基于旋转振荡的细晶铸造技术，均难以形成匹配环形铸件结构所需的环状分布成形力场，亦无法在充型过程中实现对熔体自由面的稳定控制与高压补缩。因此，亟需开发一种能够根据充型进程实时感知并自适应调整转速的旋力差压铸造机转速控制系统，以满足大型复杂薄壁环状铸件对成形力场和充型质量的综合要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是：本发明的目的是克服现有铸造设备难以实现多阶段变速自动控制的不足，提供一种用于旋力差压铸造的自适应转速控制系统，根据预设的转速控制逻辑自动完成七个时间节点的精确变速控制，满足旋力差压铸造工艺对转速动态调控的要求。

2、本发明的技术方案：

3、为实现上述目的，本发明提供了一种用于旋力差压铸造的自适应转速控制系统，包括真空凝壳炉，其特征在于：在真空凝壳炉的转盘上安装转速传感器，转盘通过变频电机驱动，变频电机由控制器控制，控制器接收转速传感器的信号并根据预设的转速控制逻辑调整转盘的转速。

4、进一步地，预设的转速控制逻辑为：通过七个时间节点调节转盘的转速：

5、0~t1：转速为0；

6、t1~t2：开始转动，直至转速达到na；

7、t2~t3: 保持转速na；

8、t3~t4：逐渐降低转速至nf；

9、t4~t5：逐渐提高转速至np；

10、t5~t6：保持np；

11、t6~t7：逐渐降低转速直至停止运动。

12、进一步地，所述控制器包括plc和变频器，plc计算出修正量后，输出信号控制变频器。

13、进一步地，转速传感器为旋转编码器，将转盘的角位移转化为电脉冲信号给plc。

14、进一步地，各转速满足关系：na＞np＞nf。

15、进一步地，在t3~t4阶段，转速从na降低至nf的过程中加速度逐渐降低。

16、进一步地，t1是抽真空至炉膛压力低于0.1pa的时刻，t2是开始注入熔体的时刻，t3是熔体进入型腔的时刻，t4是型腔充满的时刻；t5是转速达到np的时刻，t6是铸件温度降至固相线以下的时刻。

17、进一步地，在转盘上安装有重量检测装置，通过重量检测装置检测模壳的整体重量，在t1~t2阶段记录当前模壳的整体重量作为初始重量，当整体重量开始增加时认为开始注入熔体，此时为t2；当整体重量的增量达到第一预设值时认为熔体进入型腔，此时为t3；当整体重量的增量达到第二预设值时认为熔体充满型腔，此时为t4。

18、本发明的原理是：在真空凝壳炉的转盘上集成转速传感器与重量检测装置，构建多物理量感知的转速控制系统。转速传感器实时监测转盘的实际转速并反馈给控制器，控制器将实际转速与预设的目标转速进行比较，通过pid算法生成修正信号，控制变频器调节变频电机的输出频率，实现对转盘转速的精确闭环控制。同时，重量检测装置实时监测模壳的整体重量变化，由于模壳重量在充型过程中随熔体的注入而持续增加，通过分析重量变化曲线可以准确判断熔体所处的充型阶段：当重量开始增加时判定为浇注开始（t2）；当重量增量达到第一预设值时判定为熔体进入型腔（t3）；当重量增量达到第二预设值时判定为型腔充满（t4）。由此，控制系统能够根据实时感知的铸造阶段自动触发相应的转速控制策略。预设的转速控制逻辑将整个铸造过程划分为七个时间阶段，分别对应不同的转速目标值和变化速率，实现从启动加速、高速稳速、减速充型、升压凝固到减速停机的全过程自动化控制。其中，na阶段用于熔体的高速分配与运输，nf阶段用于差压充型过程中的平稳填充，np阶段用于高压凝固补缩，各转速大小关系及变化速率均依据旋力差压铸造的工艺原理确定。

19、本发明的有益效果：

20、通过转速传感器与控制器构成的闭环控制系统，实现对转盘转速的实时监测与精确调节，转速控制精度高、响应快，能够满足旋力差压铸造多阶段变速的工艺要求。采用plc与变频器作为控制核心，可根据预设的转速控制逻辑自动完成七个时间节点的变速操作，无需人工干预，自动化程度高，避免了人为操作误差。

21、旋转编码器作为转速传感器，能够将转盘的角位移精确转化为电脉冲信号，为闭环控制提供高精度的转速反馈数据。

22、通过重量检测装置实时感知模壳重量变化，能够准确判断熔体注入、进入型腔和充满型腔的时刻，为转速切换提供精确的触发信号，避免了依赖经验判断或仿真预测带来的时序误差，提高了转速控制的工艺适配性，重量检测与转速控制的协同工作，使控制系统能够自适应地响应实际铸造进程的变化，即使熔体浇注速度存在波动，系统也能根据重量变化实时调整转速切换时机，确保各阶段转速控制与充型进程精确同步。

23、预设的转速控制逻辑与旋力差压铸造工艺高度匹配，确保了熔体在不同铸造阶段均处于最优的受力状态，有利于抑制瑞利-泰勒不稳定性、实现平稳充型与高压补缩。