一种精密铸件砂型梯度凝固协同调控系统及方法与流程

本发明涉及精密铸造凝固过程控制领域，更具体地说，涉及一种精密铸件砂型梯度凝固协同调控系统及方法。

背景技术：

1、精密铸件砂型铸造过程中，铸件壁厚突变、热节集中及冒口补缩距离受限，容易造成凝固前沿推进方向失控，进而形成缩孔、缩松或局部过冷缺陷。现有技术中，cn1526495a公开了一种定向凝固的铸造方法及装置，通过局部冷却、局部保温及传感器采集信息判断固相区、结晶区和液相区的动态位置，但其主要依赖模具局部温度控制，未针对砂型邻近区域建立等凝固时间片调控区及可变热阻切换机制。cn219064710u公开了一种砂型铸造铸件温度测量装置，通过支架、保护套和热电偶获取砂型内部特定位置温度，但其监测对象仍以单点温度为主，难以反演糊状区宽度、凝固前沿方向和补缩通道连通状态。cn106825422a公开了一种对铸钢件冒口补缩效率及保温冒口质量的检验方法，属于凝固后的验证手段，无法在凝固过程中进行在线调控。因此，需要一种能够结合目标梯度凝固路径、声热耦合反演、补缩通道存活度评价及可变热阻分区调控的砂型凝固协同控制方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种精密铸件砂型梯度凝固协同调控系统及方法，其解决了现有的精密铸件砂型铸造过程中，铸件壁厚突变、热节集中及冒口补缩距离受限，容易造成凝固前沿推进方向失控，进而形成缩孔、缩松或局部过冷缺陷的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种精密铸件砂型梯度凝固协同调控系统，所述系统包括：

3、基础参数获取模块、目标路径生成模块、时间片分区模块、可变热阻调控模块、声热耦合采集模块、凝固前沿反演模块、补缩通道评价模块、凝固偏差判定模块和协同控制模块；

4、所述基础参数获取模块，用于获取铸件三维模型、材料凝固温度区间、壁厚分布、热节位置、冒口位置、浇注温度以及砂型传热参数和冷却边界条件；

5、所述目标路径生成模块，用于根据壁厚分布、热节位置和冒口位置生成由远端区域向热节区并向冒口区递进的目标梯度凝固路径；

6、所述时间片分区模块，用于依据目标梯度凝固路径将砂型及铸件邻近区域划分为多个等凝固时间片调控区，并为各等凝固时间片调控区配置目标凝固时间窗口和目标热阻状态；

7、所述可变热阻调控模块，设置于等凝固时间片调控区，用于切换对应区域的高热阻状态、低热阻状态和热阻过渡状态；

8、所述声热耦合采集模块，用于采集铸件凝固过程中的多源状态信号；所述多源状态信号至少包括温度信号、热流信号、声波信号和振动信号。

9、所述凝固前沿反演模块，用于根据所述多源状态信号确定凝固前沿状态；

10、所述补缩通道评价模块，用于评价冒口至热节区之间的补缩通道状态；

11、所述凝固偏差判定模块，用于输出凝固偏差类型；

12、所述协同控制模块，用于根据凝固偏差类型控制可变热阻调控模块执行冷却、保温和热阻切换。

13、进一步地，所述目标路径生成模块包括：

14、区域识别单元、凝固顺序计算单元和补缩方向约束单元；

15、所述区域识别单元用于基于铸件三维模型和壁厚分布识别薄壁区域、厚壁区域、几何过渡区域和热节区；

16、所述凝固顺序计算单元用于根据材料凝固温度区间、壁厚分布和砂型导热参数确定各区域的理论凝固先后顺序；

17、所述补缩方向约束单元用于根据冒口位置和热节位置确定补缩方向，并将远离冒口且理论凝固时间较短的区域设为优先凝固区域，将热节区设为中间凝固区域，将靠近冒口的区域设为后凝固区域，从而生成目标梯度凝固路径。

18、进一步地，所述时间片分区模块包括：

19、路径投影单元、时间片归并单元和热阻目标配置单元；

20、所述路径投影单元用于将目标梯度凝固路径投影至砂型与铸件接触界面外侧的砂型邻近区域；

21、所述时间片归并单元用于将理论凝固时间处于同一凝固时间区间的砂型邻近区域归入同一等凝固时间片调控区；

22、所述热阻目标配置单元用于根据相邻等凝固时间片调控区的目标凝固时间窗口差值，为各等凝固时间片调控区配置低热阻散热目标、高热阻保温目标或热阻过渡目标。

23、进一步地，所述可变热阻调控模块包括：

24、导热构件、隔热构件、相变隔断层、冷却接口、保温接口和热阻切换执行件；

25、所述导热构件用于形成低热阻散热通道；

26、所述隔热构件用于形成高热阻保温通道；

27、所述相变隔断层设置在导热构件与隔热构件之间，用于在材料凝固温度区间内形成热阻过渡状态；

28、所述热阻过渡状态为所述相变隔断层在其相变温度区间内通过相变潜热的吸收或释放使传热路径保持近似等温所形成，所述相变温度设置在材料液相线温度以下至固相线温度以上的温度区间内；

29、所述冷却接口用于接入冷却介质；

30、所述保温接口用于接入加热介质或保温介质；

31、所述热阻切换执行件用于根据协同控制模块输出的控制指令，驱动导热构件、隔热构件或相变隔断层进入对应传热位置。

32、进一步地，所述声热耦合采集模块包括：

33、温度采集单元、热流采集单元、声波发射接收单元和振动采集单元；

34、所述温度采集单元布置在砂型内壁邻近区域、砂型外壁区域或冒口颈部区域，用于采集温度信号；

35、所述热流采集单元布置在等凝固时间片调控区的传热路径上，用于采集热流信号；

36、所述声波发射接收单元包括声波发射端和声波接收端，用于采集声波传播时间信号和声波衰减信号；

37、所述声波发射接收单元包括沿砂型周边环绕布置的多组声波发射端和声波接收端，相邻发射端与接收端之间形成多条交叉声路径，用于采集不同声路径上的声波传播时间信号和声波衰减信号；

38、所述声波发射端和声波接收端设置在砂型内的金属导波介质上，声波经由所述金属导波介质传入铸件邻近区域，以避免直接穿越高衰减的砂型本体；

39、所述声波发射接收单元在浇注前对砂型空载声学特性进行标定以形成参考基准，并以实测信号与所述参考基准的差分量作为反演输入；

40、所述振动采集单元设置在砂型外壁或砂型支撑结构上，用于采集凝固过程中的振动响应信号。

41、进一步地，所述凝固前沿反演模块包括：

42、热状态计算单元、声学状态计算单元、刚度状态计算单元和前沿融合反演单元；

43、所述热状态计算单元用于根据温度信号和热流信号计算砂型邻近区域的瞬态传热状态；

44、所述声学状态计算单元采用超声走时层析成像，将铸件内部划分为网格，基于多条交叉声路径的声波传播时间建立走时方程，采用代数重建或滤波反投影迭代求解声速场，并依据预先标定的固相分数—声速映射关系将所述声速场转换为固相分数场，以预设固相分数等值面作为凝固前沿位置，以固相分数过渡带宽度作为糊状区宽度；

45、所述刚度状态计算单元通过预先标定的凝固层厚度—固有频率关系曲线，由实测振动响应频率反解凝固层厚度，作为辅助修正信号；

46、所述前沿融合反演单元根据凝固前沿位置在连续采样时刻的变化确定推进速度，并采用多路到达时间差估计凝固前沿推进方向，以热状态计算单元输出的瞬态传热场为先验场，采用数据同化方法，以声学状态计算单元和刚度状态计算单元输出的实测信息对所述先验场进行修正，输出凝固前沿位置、推进速度、推进方向、糊状区宽度和热节区剩余液相状态。

47、进一步地，所述补缩通道评价模块包括：

48、补缩路径提取单元、通道状态计算单元和存活度输出单元；

49、所述补缩路径提取单元用于根据冒口位置、热节位置和目标梯度凝固路径确定冒口至热节区的补缩路径；

50、所述通道状态计算单元用于根据糊状区连续性、冒口颈部温度、热节区剩余液相状态、凝固前沿推进方向和补缩路径封闭风险确定补缩路径状态；

51、所述存活度输出单元用于在糊状区连续性降低、冒口颈部温度低于目标保温温度、热节区剩余液相不足、凝固前沿推进方向偏离目标梯度凝固路径或补缩路径封闭风险升高时，输出低存活度状态。

52、所述补缩通道评价模块还引入持续判定机制：当补缩通道存活度低于预设存活度阈值时，不立即执行调控动作，而是启动持续计时，仅当补缩通道存活度持续低于预设存活度阈值的时间超过预设持续判定时间窗口时，才判定补缩通道存在失活风险并触发调控动作；当补缩通道存活度恢复至预设存活度阈值以上且连续保持的时间超过预设恢复确认时间窗口时，判定补缩通道存活度已恢复，并逐步降低调控强度。

53、进一步地，所述凝固偏差判定模块包括：

54、路径偏差判定单元、时间偏差判定单元和补缩风险判定单元；

55、所述路径偏差判定单元用于比较实际凝固前沿推进方向与目标梯度凝固路径的方向一致性；

56、所述时间偏差判定单元用于比较各等凝固时间片调控区的实际凝固时间与目标凝固时间窗口；

57、所述补缩风险判定单元用于比较补缩通道存活度与预设存活度阈值；

58、所述凝固偏差类型包括远端区域凝固滞后、薄壁区域过早凝固、冒口颈部提前凝固、补缩路径封闭和凝固前沿偏离目标梯度凝固路径。

59、进一步地，所述协同控制模块包括：

60、冷却控制单元、保温控制单元、热阻切换控制单元和联动修正单元；

61、所述冷却控制单元用于在远端区域凝固滞后时控制对应等凝固时间片调控区接通冷却接口，并控制热阻切换执行件使导热构件进入低热阻散热位置；

62、所述保温控制单元用于在薄壁区域存在过早凝固风险时控制对应等凝固时间片调控区接通保温接口，并控制热阻切换执行件使隔热构件进入高热阻保温位置；

63、所述热阻切换控制单元用于在冒口颈部或补缩路径存在提前凝固风险时，将冒口颈部区域或补缩路径所在区域切换为高热阻状态；

64、所述联动修正单元用于在凝固前沿偏离目标梯度凝固路径时，同步调整相邻两个以上等凝固时间片调控区的冷却强度、保温强度和热阻状态，并依据相邻调控区之间的传热耦合关系对所述冷却强度、保温强度和热阻状态进行协同补偿。

65、一种精密铸件砂型梯度凝固协同调控方法，应用于执行上述的精密铸件砂型梯度凝固协同调控系统，所述方法包括：

66、获取铸件三维模型、材料凝固温度区间、壁厚分布、热节位置、冒口位置、浇注温度以及砂型传热参数和冷却边界条件；

67、根据壁厚分布、热节位置和冒口位置生成由远端区域向热节区并向冒口区递进的目标梯度凝固路径；

68、依据目标梯度凝固路径将砂型及铸件邻近区域划分为多个等凝固时间片调控区，并确定各等凝固时间片调控区的目标凝固时间窗口和目标热阻状态；

69、在各等凝固时间片调控区配置可变热阻调控模块，使对应区域能够在高热阻状态、低热阻状态和热阻过渡状态之间切换；

70、采集铸件凝固过程中的多源状态信号；所述多源状态信号至少包括温度信号、热流信号、声波信号和振动信号；

71、根据所述多源状态信号确定凝固前沿状态；

72、评价冒口至热节区之间的补缩通道状态；

73、根据所述补缩通道状态、目标凝固时间窗口和目标梯度凝固路径判断凝固偏差类型；

74、按照凝固偏差类型控制对应等凝固时间片调控区执行冷却、保温、低热阻切换、高热阻切换或多区联动修正，直至铸件完成凝固并形成沿目标梯度凝固路径推进的梯度凝固状态。

75、本发明的有益效果在于：

76、1、通过将铸件壁厚分布、热节位置和冒口补缩方向统一映射为目标梯度凝固路径，使砂型调控目标由单点降温或局部保温转变为沿补缩方向的全过程凝固路径控制，提高了复杂精密铸件凝固顺序设计的可执行性。

77、2、通过设置等凝固时间片调控区，将砂型及铸件邻近区域按照目标凝固时间窗口进行分区，使各区域的冷却、保温和热阻调节具有明确的时序约束，避免不同调控区域之间相互干扰，有利于形成连续、稳定的梯度凝固状态。

78、3、通过引入可变热阻调控模块，使砂型局部区域能够在高热阻状态与低热阻状态之间切换，并结合冷却接口、保温接口及相变隔断层实现局部传热状态的主动调节，克服传统砂型热边界一经设置后难以动态调整的问题。

79、4、通过采集温度、热流、声波传播时间、声波衰减和振动响应信号，对凝固前沿位置、推进速度、推进方向、糊状区宽度及剩余液相状态进行综合反演，相比单一温度监测能够更准确地识别铸件内部凝固状态。

80、5、通过计算补缩通道存活度，并将其与凝固前沿偏差状态共同作为控制依据，能够提前识别冒口颈部提前凝固、补缩路径封闭、远端区域凝固滞后及薄壁区域过早凝固风险，从而实现冷却、保温和热阻状态的闭环协同修正，降低缩孔、缩松缺陷发生概率。

81、6、依据chvorinov凝固时间法则与梯度凝固原理，将凝固顺序沿补缩方向主动编排，并通过补缩通道存活度的短板约束实时保障冒口至热节区之间的液相补缩通路，从传热与补缩机理上保证热节区在凝固后期获得有效液相补缩，从而在机理层面必然降低缩孔、缩松与局部过冷缺陷的发生概率。