[发明专利]多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置与方法

权利要求书

1.一种多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，所述金属凝固装置本体包括从顶部浇注的铸模组件(4)和设置在铸模组件(4)外壁的多个方向上的超声振动组件(5)，所述铸模组件(4)的外壁上设置有与超声振动组件(5)形成对抗力以防止铸模组件(4)发生移动的止推杆(6)，所述超声振动组件(5)和止推杆(6)均压紧铸模组件(4)的外壁，所述铸模组件(4)的上方设置有用于加热熔融合金固体原料并向内铸模组件(4)浇铸的母合金池(1)；

所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的声信号采集电路(8)、计算机(9)、多路信号发生器(11)和多路信号放大器(10)，以及布设在铸模组件(4)内的多个声压传感器(7)，所述声压传感器(7)与声信号采集电路(8)连接；所述超声振动组件(5)与多路信号放大器(10)的输出端连接，所述多路信号放大器(10)与计算机(9)连接；

所述铸模组件(4)包括铸模主体和可拆卸且密封连接在铸模主体上的多个活动侧壁，每个所述活动侧壁均通过一个超声振动组件(5)压紧在铸模主体上。

2.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模组件(4)为直四棱柱体形，所述铸模组件(4)包括铸模主体(4-1)、铸模活动侧壁(4-2)和耐高温柔性垫(4-3)，所述铸模主体(4-1)包括底部的长方形/正方形框架结构(4-11)以及设置在框架结构(4-11)上的直角面(4-12)和立柱(4-13)，所述立柱(4-13)设置在直角面(4-12)的对角位置上，所述铸模活动侧壁(4-2)的数量为三个且分别位于底面和两个侧面上，所述耐高温柔性垫(4-3)的数量为三个且分别夹装在三个铸模主体(4-1)和三个铸模活动侧壁(4-2)之间；所述超声振动组件(5)的数量为三个且分别压紧在三个铸模活动侧壁(4-2)的外壁上，所述止推杆(6)设置在与设置超声振动组件(5)相对的三个正交方向上。

3.按照权利要求2所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度h根据公式h＝k_h·h₀确定，其中，h₀为采用有限元仿真的方法确定的临界壁面厚度，k_h为铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度的取值安全系数。

4.按照权利要求3所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：采用有限元仿真的方法确定临界壁面厚度的具体过程为：

步骤A1、建立尺寸、材质模型：对铸模组件(4)、超声振动组件(5)和止推杆(6)进行尺寸建模，并输入各个零件的材料参数；

步骤A2、建立零件之间的连接关系和边界条件，在零件之间设置摩擦系数，设定止推杆(6)为固定不动，设定超声振动组件(5)的振动函数及振动参数，并划分网格；所述振动参数包括振幅和振动频率；

步骤A3、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看是否报错，当计算过程中报错时，说明材料被破坏，所输入的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度小于了临界壁面厚度；当正常完成计算时，说明材料处于正常弹性范围，所输入的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度为安全数值；

步骤A4、输入不同的铸模活动侧壁(4-2)的壁面厚度，进行多次振动过程的模拟计算，找出能够正常完成计算的铸模活动侧壁(4-2)的最小壁面厚度，确定为临界壁面厚度h₀。

5.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述母合金池(1)的底部流出孔处连接有连通到铸模组件(4)内的浇铸管道(3)，所述母合金池(1)内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆(2)。

6.按照权利要求1所述的多向耦合的壁面振动三维超声金属凝固装置，其特征在于：所述超声振动组件(5)包括导向套(5-3)和设置在导向套(5-3)内且能够在导向套(5-3)内滑行运动的超声换能器(5-2)，所述超声换能器(5-2)的后端连接有用于带动超声换能器(5-2)运动的动力机构，所述超声换能器(5-2)的前端连接有用于压紧铸模组件(4)的外壁的变幅杆(5-1)。