实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法

摘要

本发明公开了一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法，其装置包括金属凝固装置本体和金属凝固数据采集及控制器，金属凝固装置本体包括铸模、超声振动组件和止推杆；其方法包括步骤：一、装合金原料；二、安装金属凝固装置本体；三、安装传感器组；四、设置振动参数初始值；五、铸模共振频率搜寻；六、母合金熔炼；七、熔体浇注；八、振动频率反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固；九、卸载铸件。本发明避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题，解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续变化造成超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜寻最优振动频率的速度，实现了对凝固组织的有效调控。

权利要求

1.一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，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(8)和压紧铸模(8)外壁设置的超声振动组件(3)，所述铸模(8)的外壁上还设置有与超声振动组件(3)形成对抗力以防止铸模(8)发生移动的止推杆(4)；所述铸模(8)的上方设置有用于熔融合金固体原料并向铸模(8)内浇注的熔炼坩埚(13)；

所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的传感器组、信号采集电路组、计算机(14)、变频信号发生器(1)和信号放大器(2)，所述传感器组包括布设在铸模(8)外壁面上的振动传感器(5)、以及设置在铸模(8)内的温度传感器(6)和声压传感器(7)，所述信号采集电路组包括振动信号采集电路(9)、温度信号采集电路(11)和声信号采集电路(10)，所述振动传感器(5)与振动信号采集电路(9)连接，所述温度传感器(6)与温度信号采集电路(11)连接，所述声压传感器(7)与声信号采集电路(10)连接；所述超声振动组件(3)与信号放大器(2)的输出端连接，所述信号放大器(2)与计算机(14)连接；

所述超声振动组件(3)包括滑动导向支座(3‑3)、超声换能器(3‑2)、变幅杆(3‑1)和用于带动超声换能器(3‑2)在滑动导向支座(3‑3)上前后运动的气缸(3‑5)，所述超声换能器(3‑2)连接在滑动导向支座(3‑3)上且能够在滑动导向支座(3‑3)上前后运动，所述超声换能器(3‑2)与信号放大器(2)的输出端连接，所述变幅杆(3‑1)连接在超声换能器(3‑2)的前端且用于压紧铸模(8)的外壁，所述超声换能器(3‑2)的后端连接有压力传感器(3‑4)，所述压力传感器(3‑4)与气缸(3‑5)的活塞推杆(3‑6)连接；所述金属凝固数据采集及控制器还包括压力记录仪(3‑7)和气压控制器(3‑8)，所述压力传感器(3‑4)的输出端与压力记录仪(3‑7)的输入端连接，所述压力记录仪(3‑7)的输出端与计算机(14)的输入端连接，所述气压控制器(3‑8)的输入端与计算机(14)的输出端连接，所述气缸(3‑5)与气压控制器(3‑8)的输出端连接；

所述变幅杆(3‑1)的材质选取时需要满足变幅杆(3‑1)的蠕变温度Tr高于浇铸后铸模(8)外表面的最高温度Tw；所述变幅杆(3‑1)的长度L的取值在尽量小的情况下满足公式且满足公式L＞kL·(Tw‑ΔTi‑Tc)/η；其中，m为倍数系数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆(3‑1)内的超声波波长，kL为变幅杆(3‑1)的长度的取值安全系数，ΔTi为铸模(8)与变幅杆(3‑1)头部传输温度损耗，Tc为超声换能器(3‑2)内部振动晶体的失效温度，η为变幅杆(3‑1)的温降系数。

2.按照权利要求1所述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)的空间位置关系为：当所述铸模(8)的外轮廓形状为具有平行的正对平面的形状时，所述止推杆(4)的数量为一个且设置在铸模(8)的外壁上与设置超声振动组件(3)正对的平面上；当铸模(8)的外轮廓形状为不具有平行的正对平面的形状时，所述止推杆(4)的数量为两个，所述超声振动组件(3)和两个止推杆(4)的空间位置关系满足任意一个所在的垂直面均将其他两个分隔在该垂直面的两侧。

3.按照权利要求2所述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其特征在于：所述铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)的最优空间位置关系采用有限元仿真的方法确定，具体的过程为：

步骤A1、对铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)分别进行尺寸、材质建模，并输入其相应的材料参数；

步骤A2、在多种可行的铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)的空间位置关系中选择其中一种，所述空间位置关系包括超声振动组件(3)与铸模(8)接触点的位置和方向、以及止推杆(4)与铸模(8)接触点的位置和方向；

步骤A3、建立铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)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(4)为固定不动，设定超声振动组件(3)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A4、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看铸模(8)内壁的振动总能量；

步骤A5、多次改变超声振动组件(3)与铸模(8)接触点的位置和方向、以及止推杆(4)与铸模(8)接触点的位置和方向，并重复执行步骤A3～步骤A4，找到铸模(8)内壁的振动总能量最大时对应的铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)的空间位置关系，并将其确定为所述铸模(8)、超声振动组件(3)和止推杆(4)的最优空间位置关系。

4.按照权利要求1所述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其特征在于：所述熔炼坩埚(13)设置在铸模(8)的正上方，所述熔炼坩埚(13)的底部设置有供熔炼坩埚(13)内的熔体流入铸模(8)内的流出孔，所述熔炼坩埚(13)内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆(12)。

5.按照权利要求1所述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其特征在于：所述超声振动组件(3)包括滑动导向支座(3‑3)、超声换能器(3‑2)、变幅杆(3‑1)和用于带动超声换能器(3‑2)在滑动导向支座(3‑3)上前后运动的动力机构，所述超声换能器(3‑2)连接在滑动导向支座(3‑3)上且能够在滑动导向支座(3‑3)上前后运动，所述超声换能器(3‑2)与信号放大器(2)的输出端连接，所述变幅杆(3‑1)连接在超声换能器(3‑2)的前端且用于压紧铸模(8)的外壁，所述超声换能器(3‑2)的后端连接有压力传感器(3‑4)；所述动力机构包括丝杠连接座(3‑10)、连接在丝杠连接座(3‑10)上的丝杠(3‑11)、转动连接在丝杠(3‑11)上的丝杠螺母(3‑12)和用于带动丝杠(3‑11)转动的电机(3‑15)，所述丝杠螺母(3‑12)上连接有立板(3‑13)，所述压力传感器(3‑4)连接在立板(3‑13)上；所述金属凝固数据采集及控制器还包括压力记录仪(3‑7)和电机驱动器(3‑14)，所述压力传感器(3‑4)的输出端与压力记录仪(3‑7)的输入端连接，所述压力记录仪(3‑7)的输出端与计算机(14)的输入端连接，所述电机驱动器(3‑14)的输入端与计算机(14)的输出端连接，所述电机(3‑15)与电机驱动器(3‑14)的输出端连接。

6.一种采用如权利要求1所述金属凝固装置进行多向耦合的实时调控的壁面共振超声金属凝固的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进熔炼坩埚(13)内；

步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆(4)固定后，先将铸模(8)的外壁靠紧在止推杆(4)上，再将超声振动组件(3)压紧铸模(8)的外壁；

步骤三、安装传感器组：将声压传感器(7)和温度传感器(6)设置在铸模(8)内，将振动传感器(5)设置在铸模(8)外壁面上，将声压传感器(7)与声信号采集电路(10)连接，将温度传感器(6)与温度信号采集电路(11)连接，将振动传感器(5)与振动信号采集电路(9)连接；

步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件(3)的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件(3)的挤压力F、振幅和振动频率；

步骤五、铸模共振频率搜寻，具体过程为：

步骤501、计算机(14)根据振动参数初始值，将振动频率指令发送给变频信号发生器(1)，变频信号发生器(1)发出的电信号传输到信号放大器(2)，信号放大器(2)放大后的信号输出给超声振动组件(3)，驱动超声振动组件(3)，超声振动组件(3)按照振动参数初始值开始振动；超声振动组件(3)振动过程中，振动传感器(5)将采集到的振动信号通过线缆传输给振动信号采集电路(9)，再传输给计算机(14)，计算机(14)记录振动信号；

步骤502、计算机(14)将振动频率作为调控参数，在设定的振动频率取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率参数，超声振动组件(3)按照更改振动频率后的振动参数振动，振动传感器(5)采集到的振动信号随之改变；计算机(14)将振动频率参数的整个取值范围内振动传感器(5)采集到的振动信号最大时对应的振动频率参数确定为基准振动频率f0；

步骤六、母合金熔炼：对熔炼坩埚(13)内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；

步骤七、熔体浇注：将熔炼坩埚(13)内的熔体浇注入铸模(8)内；

步骤八、振动频率反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：步骤801、计算机(14)将振动参数初始值中的振动频率调整为基准振动频率f0，将基准振动频率f0发送给变频信号发生器(1)，变频信号发生器(1)发出的电信号传输到信号放大器(2)，信号放大器(2)放大后的信号输出给超声振动组件(3)，驱动超声振动组件(3)，超声振动组件(3)按照基准振动频率f0开始振动；超声振动组件(3)振动过程中，温度传感器(6)将采集到的温度信号通过线缆传输给温度信号采集电路(11)，再传输给计算机(14)，声压传感器(7)在熔体中采集声压信号，并将采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路(10)，再传输给计算机(14)，计算机(14)记录声压信号和温度信号；

步骤802、计算机(14)再次将振动频率作为调控参数，在f0‑Δf～f0+Δf的取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率，超声振动组件(3)按照更改振动频率后的振动参数振动，声压传感器(7)检测到的声压值随之改变；计算机(14)将振动频率的整个取值范围内声压值最大时对应的振动频率确定为最优振动频率，并将f0的值更新为该最优振动频率；其中，Δf为振动频率的取值半径；

步骤803、计算机(14)重复执行步骤802，不断寻找最优振动频率并使超声振动组件(3)按照最优振动频率振动；

步骤804、当温度传感器(6)采集到的温度信号随时间变化由平台变为下降时，说明合金熔体接近完全凝固，此时，关闭超声振动组件(3)。

步骤九、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件(3)和止推杆(4)，卸载铸模(8)，取出铸件。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤502中所述的振动频率取值范围为

20kHz～100kHz；所述步长为0.1kHz。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件(3)的振动实验确定，具体过程为：

步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；

步骤B2、在材料参数表中查询铸模(8)所用材料在熔体浇注入铸模(8)内时的温度下的屈服强度和超声振动组件(3)所用材料在浇铸后铸模(8)外表面的最高温度下的屈服强度，并取两者的较小值，记为σs；

步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中，KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件(3)与铸模(8)的接触面积；

步骤B4、设定超声振动组件(3)的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件(3)，计算机(14)将最大振幅指令发送给信号放大器(2)，信号放大器(2)放大后的信号输出给超声振动组件(3)，驱动超声振动组件(3)，超声振动组件(3)开始振动；超声振动组件(3)振动过程中，在10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机(14)采集声压传感器(7)检测到的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1‑exp(‑F/f0)]进行曲线拟合，得到挤压力特征参数f0；其中，U0为饱和声压；

步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数；KF为挤压力的取值安全系数。

说明书

实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法

技术领域

[0001] 本发明属于先进材料制备及加工领域，具体涉及一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法。

背景技术

[0002] 铸造是重要的金属成型技术之一，应用领域十分广泛，如航空航天飞行器发动机部件、翼型支撑构件、汽车发动机气缸与变速箱体、汽车轮毂及许多机械装置的复杂零件。
具体的材料涉及到铝合金、镁合金、铜合金、镍基高温合金等。不断改善提升铸件性能对各
行业的发展都具有重要意义。

[0003] 铸造过程是金属熔体在型腔内逐步凝固的过程。研究表明，在金属凝固过程中施加超声场，可以利用超声波在液相内产生的空化和声流等一系列非线性效应，显著影响金
属熔体的形核、热量与溶质传输，可以消除气孔、抑制偏析、细化晶粒，提高力学性能。然而
目前的超声铸造尚未真正进入工业铸造领域，其主要原因是现有技术中存在以下缺陷：

[0004] (1)现有技术中，一般将超声发射端的变幅杆浸没在熔体中发射超声波，会受到熔体的传热而升温，导致其内部的传播声速和波长发生变化，从而使得变幅杆偏离驻波共振
点而停止工作。甚至当升温更高时会导致金属内部组织结构的变化，发生塑性变形或者出
现裂纹，造成变幅杆的永久失效，因此无法适用于高温金属的超声凝固。

[0005] (2)现有容器振动技术中，一般将振动变幅杆与铸模外壁采用焊接或者其他硬连接方式连接起来，形成的新的振动系统，但是新系统的共振频率与超声换能器原工作频率
相比有较大偏移，导致超声传导效率下降或者无法工作。在此情况下，就需要专门针对不同
的产品形状开发专用的整套振动系统，而无法使用通用型超声换能器，使得成本大大提高。

[0006] (3)熔体注入铸模后，铸模、变幅杆均有温度的升高，这会导致体系的共振频率发生偏移，并且随着熔体降温和逐步凝固，共振频率会连续变化，这会导致振幅的降低，超声
振动处理效果变差。

[0007] (4)现有技术中，缺乏熔体中实际声压值探测，而铸模局部的振动情况无法真实反映出所有壁面振动在熔体内叠加的结果。这会造成无法判定或者搜寻最优的工艺参数，从
而无法实现对凝固组织的有效调控。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，其设计新颖合理，避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失
效的问题，解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续
变化造成的振幅的降低、超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜寻最优振动频率的
速度，实现了对凝固组织的有效调控。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，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和压紧铸模外壁设置的超声振动组件，所述铸模的外壁上还设
置有与超声振动组件形成对抗力以防止铸模发生移动的止推杆；所述铸模的上方设置有用
于熔融合金固体原料并向铸模内浇注的熔炼坩埚；

[0010] 所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的传感器组、信号采集电路组、计算机、变频信号发生器和信号放大器，所述传感器组包括布设在铸模外壁面上的振动传感
器、以及设置在铸模内的温度传感器和声压传感器，所述信号采集电路组包括振动信号采
集电路、温度信号采集电路和声信号采集电路，所述振动传感器与振动信号采集电路连接，
所述温度传感器与温度信号采集电路连接，所述声压传感器与声信号采集电路连接；所述
超声振动组件与信号放大器的输出端连接，所述信号放大器与计算机连接。

[0011] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述铸模、超声振动组件和止推杆的空间位置关系为：当所述铸模的外轮廓形状为具有平行的正对平面的形状时，所述止
推杆的数量为一个且设置在铸模的外壁上与设置超声振动组件正对的平面上；当铸模的外
轮廓形状为不具有平行的正对平面的形状时，所述止推杆的数量为两个，所述超声振动组
件和两个止推杆的空间位置关系满足任意一个所在的垂直面均将其他两个分隔在该垂直
面的两侧。

[0012] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述铸模、超声振动组件和止推杆的最优空间位置关系采用有限元仿真的方法确定，具体的过程为：

[0013] 步骤A1、对铸模、超声振动组件和止推杆分别进行尺寸、材质建模，并输入其相应的材料参数；

[0014] 步骤A2、在多种可行的铸模、超声振动组件和止推杆的空间位置关系中选择其中一种，所述空间位置关系包括超声振动组件与铸模接触点的位置和方向、以及止推杆与铸
模接触点的位置和方向；

[0015] 步骤A3、建立铸模、超声振动组件和止推杆之间的连接关系和边界条件，在零件之间设置摩擦系数，设定止推杆为固定不动，设定超声振动组件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；

[0016] 步骤A4、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看铸模内壁的振动总能量；

[0017] 步骤A5、多次改变超声振动组件与铸模接触点的位置和方向、以及止推杆与铸模接触点的位置和方向，并重复执行步骤A3～步骤A4，找到铸模内壁的振动总能量最大时对
应的铸模、超声振动组件和止推杆的空间位置关系，并将其确定为所述铸模、超声振动组件
和止推杆的最优空间位置关系。

[0018] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述熔炼坩埚设置在铸模的正上方，所述熔炼坩埚的底部设置有供熔炼坩埚内的熔体流入铸模内的流出孔，所述熔炼坩埚
内放置有能够塞住所述流出孔的塞杆。

[0019] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述超声振动组件包括滑动导向支座、超声换能器、变幅杆和用于带动超声换能器在滑动导向支座上前后运动的气缸，所述
超声换能器连接在滑动导向支座上且能够在滑动导向支座上前后运动，所述超声换能器与
信号放大器的输出端连接，所述变幅杆连接在超声换能器的前端且用于压紧铸模的外壁，
所述超声换能器的后端连接有压力传感器，所述压力传感器与气缸的活塞推杆连接；所述
金属凝固数据采集及控制器还包括压力记录仪和气压控制器，所述压力传感器的输出端与
压力记录仪的输入端连接，所述压力记录仪的输出端与计算机的输入端连接，所述气压控
制器的输入端与计算机的输出端连接，所述气缸与气压控制器的输出端连接。

[0020] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述超声振动组件包括滑动导向支座、超声换能器、变幅杆和用于带动超声换能器在滑动导向支座上前后运动的动力机构，
所述超声换能器连接在滑动导向支座上且能够在滑动导向支座上前后运动，所述超声换能
器与信号放大器的输出端连接，所述变幅杆连接在超声换能器的前端且用于压紧铸模的外
壁，所述超声换能器的后端连接有压力传感器3‑4；所述动力机构包括丝杠连接座、连接在
丝杠连接座上的丝杠、转动连接在丝杠上的丝杠螺母和用于带动丝杠转动的电机，所述丝
杠螺母上连接有立板，所述压力传感器连接在立板上；所述金属凝固数据采集及控制器还
包括压力记录仪和电机驱动器，所述压力传感器的输出端与压力记录仪的输入端连接，所
述压力记录仪的输出端与计算机的输入端连接，所述电机驱动器的输入端与计算机的输出
端连接，所述电机与电机驱动器的输出端连接。

[0021] 上述的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，所述变幅杆的材质选取时需要满足变幅杆的蠕变温度Tr高于浇铸后铸模8外表面的最高温度Tw；所述变幅杆的长度L的取值
在尽量小的情况下满足公式 且满足公式L＞kL·(Tw‑ΔTi‑Tc)/η；其中，m为倍数系
数且m的取值为非0自然数，λ为变幅杆内的超声波波长，kL为变幅杆的长度的取值安全系
数，ΔTi为铸模与变幅杆头部传输温度损耗，Tc为超声换能器内部振动晶体的失效温度，η为
变幅杆的温降系数。

[0022] 本发明还公开了一种解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续变化造成的振幅的降低、超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜
寻最优振动频率的速度，实现了对凝固组织的有效调控的多向耦合的实时调控的壁面共振
超声金属凝固的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0023] 步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进熔炼坩埚内；

[0024] 步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆固定后，先将铸模8的外壁靠紧在止推杆上，再将超声振动组件压紧铸模的外壁；

[0025] 步骤三、安装传感器组：将声压传感器和温度传感器设置在铸模内，将振动传感器设置在铸模外壁面上，将声压传感器与声信号采集电路连接，将温度传感器与温度信号采
集电路连接，将振动传感器与振动信号采集电路连接；

[0026] 步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件的挤压力F、振幅和振动频率；

[0027] 步骤五、铸模共振频率搜寻，具体过程为：

[0028] 步骤501、计算机根据振动参数初始值，将振动频率指令发送给变频信号发生器，变频信号发生器发出的电信号传输到信号放大器，信号放大器放大后的信号输出给超声振
动组件，驱动超声振动组件，超声振动组件按照振动参数初始值开始振动；超声振动组件振
动过程中，振动传感器将采集到的振动信号通过线缆传输给振动信号采集电路，再传输给
计算机，计算机记录振动信号；

[0029] 步骤502、计算机将振动频率作为调控参数，在设定的振动频率取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率参数，超声振动组件按照更改振动频率后的振动参数振动，振动
传感器采集到的振动信号随之改变；计算机将振动频率参数的整个取值范围内振动传感器
采集到的振动信号最大时对应的振动频率参数确定为基准振动频率f0；

[0030] 步骤六、母合金熔炼：对熔炼坩埚内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；

[0031] 步骤七、熔体浇注：将熔炼坩埚内的熔体浇注入铸模8内；

[0032] 步骤八、振动频率反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：

[0033] 步骤801、计算机将振动参数初始值中的振动频率调整为基准振动频率f0，将基准振动频率f0发送给变频信号发生器，变频信号发生器发出的电信号传输到信号放大器，信
号放大器放大后的信号输出给超声振动组件，驱动超声振动组件，超声振动组件按照基准
振动频率f0开始振动；超声振动组件振动过程中，温度传感器将采集到的温度信号通过线
缆传输给温度信号采集电路，再传输给计算机，声压传感器在熔体中采集声压信号，并将采
集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路，再传输给计算机，计算机记录声压信号
和温度信号；

[0034] 步骤802、计算机再次将振动频率作为调控参数，在f0‑Δf～f0+Δf的取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率，超声振动组件按照更改振动频率后的振动参数振动，声压
传感器检测到的声压值随之改变；计算机将振动频率的整个取值范围内声压值最大时对应
的振动频率确定为最优振动频率，并将f0的值更新为该最优振动频率；其中，Δf为振动频
率的取值半径；

[0035] 步骤803、计算机重复执行步骤802，不断寻找最优振动频率并使超声振动组件按照最优振动频率振动；

[0036] 步骤804、当温度传感器采集到的温度信号随时间变化由平台变为下降时，说明合金熔体接近完全凝固，此时，关闭超声振动组件。

[0037] 步骤九、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件和止推杆，卸载铸模，取出铸件。

[0038] 上述的方法，步骤502中所述的振动频率取值范围为20kHz～100kHz；所述步长为0.1kHz。

[0039] 上述的方法，步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件的振动实验确定，具体过程为：

[0040] 步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；

[0041] 步骤B2、在材料参数表中查询铸模所用材料在熔体浇注入铸模内时的温度下的屈服强度和超声振动组件所用材料在浇铸后铸模外表面的最高温度下的屈服强度，并取两者
的较小值，记为σs；

[0042] 步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中， KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件3与铸模8的接触面积；

[0043] 步骤B4、设定超声振动组件的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件，计算机将最大振幅指令发送给信号放大器，信号放大器放大后的信号输出给
超声振动组件，驱动超声振动组件，超声振动组件开始振动；超声振动组件振动过程中，在
10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机采集声压传感器检测到
的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1‑exp(‑F/f0)] 进行曲线
拟合，得到挤压力特征参数f0；其中，U0为饱和声压；

[0044] 步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数；KF为挤压力的取值安全系数。

[0045] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0046] 1、本发明将超声振动组件压紧设置在铸模组件的外壁上，即采用了壁面振动的形式，避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题；且延长了设备的工作寿命，实现了更
好的超声处理效果。

[0047] 2、本发明采用超声振动组件、止推杆相结合的方式，采用挤压力进行振动系统安装，并进行位置布局优化和挤压力优化，采用同一硬件系统就能够实现不同形状铸模的高
效率振动传播与超声凝固，同时解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题。

[0048] 3、本发明在熔体注入铸模前，采用振动传感器检测振动幅值，并依据该信号扫描频率，搜寻基准振动频率；在熔体注入铸模后，采用声压传感器持续检测熔体中的声压，并
依据该信号扫描频率，追踪系统的共振点，搜寻最优振动频率，解决了现有技术中，共振点
连续变化造成的振幅的降低，超声振动处理效果变差的问题。

[0049] 4、本发明通过先搜寻基准振动频率，将搜寻最优振动频率时的搜寻范围缩小到基准振动频率附近，大大提高了搜寻最优振动频率的速度，避免搜寻速度无法满足凝固速度
的需要。

[0050] 5、本发明采用声压传感器所采集的信号作为基准，判断熔体的振动状态，从而实时搜寻最佳的振动频率，解决了现有技术中通过铸模局部振动情况检测声压时振动效果判
断不准确的问题，实现了对凝固组织的有效调控。

[0051] 综上所述，本发明避免了变幅杆与熔体直接接触而过热失效的问题，解决了传递效率低和专用硬件开发的成本问题，解决了现有技术中共振点连续变化造成的振幅的降
低、超声振动处理效果变差的问题，大大提高了搜寻最优振动频率的速度，实现了对凝固组
织的有效调控。

[0052] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0053] 图1为本发明实施例1中实时调控的壁面共振超声金属凝固装置的结构示意图；

[0054] 图2A为本发明外轮廓为五棱柱形状的铸模的结构示意图；

[0055] 图2B为本发明当铸模为图2A中结构时止推杆的第一种布设位置示意图；

[0056] 图2C为本发明当铸模为图2A中结构时止推杆的第二种布设位置示意图；

[0057] 图2D为对图2B所示的止推杆的布设位置进行有限元仿真，得到的振动情况图；

[0058] 图2E为对图2C所示的止推杆的布设位置进行有限元仿真，得到的振动情况图；

[0059] 图2F为将各个面的振动能量求和得到总能量的动态变化图；

[0060] 图3为本发明实施例2中实时调控的壁面共振超声金属凝固装置的结构示意图；

[0061] 图4为本发明实时调控的壁面共振超声金属凝固方法的方法流场框图；

[0062] 图5A为本发明振动模拟实验中振动过程外观图；

[0063] 图5B为本发明振动模拟实验中的测试结果图；

[0064] 图5C为本发明振动模拟实验的金属凝固过程最优频率搜寻结果图；

[0065] 图5D为本发明振动模拟实验中金属凝固过程最优频率的数值统计图。

[0066] 附图标记说明:

[0067] 1—变频信号发生器；    2—信号放大器；        3—超声振动组件；

[0068] 4—止推杆；            5—振动传感器；        6—温度传感器；

[0069] 7—声压传感器；        8—铸模；              9—振动信号采集电路；

[0070] 10—声信号采集电路；   11—温度信号采集电路； 12—塞杆；

[0071] 13—熔炼坩埚；         14—计算机；           15—止推杆固定架；

[0072] 16—第一三维移动台；   17—第二三维移动台；   3‑1—变幅杆；

[0073] 3‑2—超声换能器；      3‑3—滑动导向支座；    3‑4—压力传感器；

[0074] 3‑5—气缸；            3‑6—活塞推杆；        3‑7—压力记录仪；

[0075] 3‑8—气压控制器；      3‑9—气缸支座；        3‑10—丝杠连接座；

[0076] 3‑11—丝杠；           3‑12—丝杠螺母；       3‑13—立板；

[0077] 3‑14—电机驱动器；     3‑15—电机；           3‑31—底座；

[0078] 3‑32—导向杆；         3‑33—滑块。

具体实施方式

[0079] 实施例1

[0080] 如图1所示，本实施例的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置，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8和
压紧铸模8外壁设置的超声振动组件3，所述铸模8的外壁上还设置有与超声振动组件3形成
对抗力以防止铸模8发生移动的止推杆4；所述铸模8的上方设置有用于熔融合金固体原料
并向铸模8内浇注的熔炼坩埚13；

[0081] 所述金属凝固数据采集及控制器包括依次连接的传感器组、信号采集电路组、计算机14、变频信号发生器1和信号放大器2，所述传感器组包括布设在铸模8外壁面上的振动
传感器5、以及设置在铸模8内的温度传感器6和声压传感器7，所述信号采集电路组包括振
动信号采集电路9、温度信号采集电路11和声信号采集电路10，所述振动传感器5与振动信
号采集电路9连接，所述温度传感器6与温度信号采集电路11连接，所述声压传感器7与声信
号采集电路10连接；所述超声振动组件3与信号放大器2的输出端连接，所述信号放大器2与
计算机14连接。

[0082] 具体实施时，所述温度传感器6为热电偶，所述止推杆4固定连接在止推杆固定架15上，所述声压传感器7安装在第一三维移动台16上，所述温度传感器6安装在第二三维移
动台17上。

[0083] 本实施例中，所述铸模8、超声振动组件3和止推杆4的空间位置关系为：当所述铸模8的外轮廓形状为具有平行的正对平面的形状时，所述止推杆4的数量为一个且设置在铸
模8的外壁上与设置超声振动组件3正对的平面上；当铸模8的外轮廓形状为不具有平行的
正对平面的形状时，所述止推杆4的数量为两个，所述超声振动组件3和两个止推杆4的空间
位置关系满足任意一个所在的垂直面均将其他两个分隔在该垂直面的两侧。

[0084] 例如，如图2A所示的外轮廓为五棱柱形状的铸模8，其止推杆4的布设位置如图2B(两反推杆相邻架构下)和图2C(两反推杆相隔架构下) 所示。

[0085] 本实施例中，本实施例中，所述铸模8由左半铸模和右半铸模对接而成，所述铸模8的外轮廓为直四棱柱体形(直四棱柱体具有四个侧面且底面为长方形或正方形)，所述超声
振动组件3设置在所述左半铸模或所述右半铸模外壁面的中心位置处，所述止推杆4设置在
与超声振动组件3相对的位置处。即当所述超声振动组件3设置在所述左半铸模外壁面的中
心位置处时，所述止推杆4设置在所述右半铸模外壁面的中心位置处；当所述超声振动组件
3设置在所述右半铸模外壁面的中心位置处时，所述止推杆4设置在所述左半铸模外壁面的
中心位置处。所述铸模8的内轮廓为四棱柱体形(还可以为圆柱形等其他形状)；所述左半铸
模的侧壁及底壁的截面有伸出的定位销，所述右半铸模的侧壁及底壁的截面有供所述定位
销插入的定位孔，所述左半铸模和右半铸模通过将所述定位销插入定位孔的方式，将左半
铸模和右半铸模对接连接为一体形成铸模8。

[0086] 本实施例中，所述铸模8由耐高温且具有高强度与韧性的材料制成，例如合金钢、铸铁、石墨及陶瓷等。

[0087] 另外，具体实施时，当所述铸模8的外轮廓形状为具有平行的正对平面的形状时，所述止推杆4与铸模8接触点的位置和方向容易确定，将其设置在铸模8的外壁上与设置超
声振动组件3正对的平面上，方向与铸模 8的外壁垂直，或与铸模8的外壁的切线垂直即可，
但当铸模8的外轮廓形状为不具有平行的正对平面的形状时，如果两个所述止推杆4与铸模
8 接触点的位置和方向确定的好，振动效果就好，确定的不好，振动效果就不好，因此，能够
精确地确定出两个所述止推杆4与铸模8接触点的位置和方向，才能够保证有好的振动效
果。

[0088] 本实施例中，所述铸模8、超声振动组件3和止推杆4的最优空间位置关系采用有限元仿真的方法确定，具体的过程为：

[0089] 步骤A1、对铸模8、超声振动组件3和止推杆4分别进行尺寸、材质建模，并输入其相应的材料参数；

[0090] 具体实施时，所述材料参数包括密度、弹性模量、泊松比、阻尼和塑性；

[0091] 步骤A2、在多种可行的铸模8、超声振动组件3和止推杆4的空间位置关系中选择其中一种，所述空间位置关系包括超声振动组件3与铸模8 接触点的位置和方向、以及止推杆
4与铸模8接触点的位置和方向；

[0092] 步骤A3、建立铸模8、超声振动组件3和止推杆4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4为固定不动，设定超声振动组件3的振动函数(例如正弦
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；

[0093] 步骤A4、设定时间总长度和步长，进行振动过程的模拟计算，查看铸模8内壁的振动总能量；

[0094] 具体实施时，设定时间总长度为 步长为 f为超声振动组件3的振动频率；

[0095] 步骤A5、多次改变超声振动组件3与铸模8接触点的位置和方向、以及止推杆4与铸模8接触点的位置和方向，并重复执行步骤A3～步骤A4，找到铸模8内壁的振动总能量最大
时对应的铸模8、超声振动组件3和止推杆4的空间位置关系，并将其确定为所述铸模8、超声
振动组件3和止推杆4的最优空间位置关系。

[0096] 具体实施时，采用ABAQUS软件进行有限元仿真。

[0097] 例如，还是采用如图2A所示的外轮廓为五棱柱形状的铸模8，对其如图2B所示的止推杆4的布设位置进行有限元仿真，得到的振动情况图如图2D所示；对其如图2C所示的止推
杆4的布设位置进行有限元仿真，得到的振动情况图如图2E所示；将各个面的振动能量求
和，可得到总能量的动态变化，如图2F所示，从图2F可以看出，两个止推杆4在图2B(两反推
杆相邻架构下)情况下的振动总能量，显著高于在图2C(两反推杆相隔架构下)情况下的振
动总能量，在其他情况下也不大于图2B(两反推杆相邻架构下)情况下的振动总能量时，图
2B(两反推杆相邻架构下)为最优的位置。

[0098] 本发明通过采用有限元仿真的方法，并根据振动总能量最高来确定铸模8、超声振动组件3和止推杆4的最优空间位置关系，能够找出振动效果最好的止推杆4的设置方式。

[0099] 本实施例中，所述熔炼坩埚13设置在铸模8的正上方，所述熔炼坩埚13的底部设置有供熔炼坩埚13内的熔体流入铸模8内的流出孔，所述熔炼坩埚13内放置有能够塞住所述
流出孔的塞杆12。

[0100] 本实施例中，所述超声振动组件3包括滑动导向支座3‑3、超声换能器3‑2、变幅杆3‑1和用于带动超声换能器3‑2在滑动导向支座3‑3上前后运动的气缸3‑5，所述超声换能器
3‑2连接在滑动导向支座3‑3上且能够在滑动导向支座3‑3上前后运动，所述超声换能器3‑2
与信号放大器2 的输出端连接，所述变幅杆3‑1连接在超声换能器3‑2的前端且用于压紧铸
模8的外壁，所述超声换能器3‑2的后端连接有压力传感器3‑4，所述压力传感器3‑4与气缸
3‑5的活塞推杆3‑6连接；所述金属凝固数据采集及控制器还包括压力记录仪3‑7和气压控
制器3‑8，所述压力传感器3‑4 的输出端与压力记录仪3‑7的输入端连接，所述压力记录仪
3‑7的输出端与计算机14的输入端连接，所述气压控制器3‑8的输入端与计算机14的输出端
连接，所述气缸3‑5与气压控制器3‑8的输出端连接。

[0101] 具体实施时，所述变幅杆3‑1与超声换能器3‑2采用螺纹连接，所述气缸3‑5安装在气缸支座3‑9上。计算机14通过气压控制器3‑8控制气缸3‑5内的气流方式和气压大小，能够
控制活塞推杆3‑6以及其前部压力传感器3‑4、超声换能器3‑2和变幅杆3‑1的运动，调节超
声振动组件3 对铸模8的挤压力，并由压力传感器3‑4检测挤压力，再通过压力记录仪3‑7传
输给计算机14；通过设置压力传感器3‑4、压力记录仪3‑7和气压控制器3‑8，能够保证超声
振动组件3始终以一定的压力值压紧铸模8的外壁。

[0102] 具体实施时，所述滑动导向支座3‑3包括底座3‑31和连接在底座3‑31 上的导向杆3‑32，所述导向杆3‑32上滑动连接有滑块3‑33，所述超声换能器3‑2固定连接在滑块3‑33顶
部。

[0103] 本实施例中，所述变幅杆3‑1的材质选取时需要满足变幅杆3‑1的蠕变温度Tr高于浇铸后铸模8外表面的最高温度Tw；所述变幅杆3‑1的长度L 的取值在尽量小的情况下(以
减小损耗)满足公式 且满足公式 L＞kL·(Tw‑ΔTi‑Tc)/η；其中，m为倍数系数且m
的取值为非0自然数，λ为变幅杆3‑1内的超声波波长，kL为变幅杆3‑1的长度的取值安全系
数，ΔTi为铸模8与变幅杆3‑1头部传输温度损耗，Tc为超声换能器3‑2内部振动晶体的失效
温度，η为变幅杆3‑1的温降系数，表示沿着传热方向单位长度上温度的降低数值。

[0104] 具体实施时，通过实验测得浇铸后铸模8外表面的最高温度Tw，就可以确定变幅杆3‑1的蠕变温度Tr，然后根据变幅杆3‑1的蠕变温度Tr选取合适材质制作变幅杆3‑1；kL的取
值范围为1.2～1.5。

[0105] 本实施例的实时调控的壁面共振超声金属凝固的方法，包括以下步骤：

[0106] 步骤一、装合金原料：将多组分合金固体原料装进熔炼坩埚13内；

[0107] 本实施例中，是采用塞杆12塞住所述流出孔后，将多组分合金固体原料装进熔炼坩埚13内的；

[0108] 步骤二、安装金属凝固装置本体：将止推杆4固定后(固定到桌面上或其他固定装置上)，先将铸模8的外壁靠紧在止推杆4上，再将超声振动组件3压紧铸模8的外壁；

[0109] 本实施例中，安装超声振动组件3时，调节气缸3‑5的气压和进气方向，使变幅杆3‑1压紧铸模8的外壁；

[0110] 步骤三、安装传感器组：将声压传感器7和温度传感器6设置在铸模8内，将振动传感器5设置在铸模8外壁面上，将声压传感器7与声信号采集电路10连接，将温度传感器6与
温度信号采集电路11连接，将振动传感器5与振动信号采集电路9连接；

[0111] 步骤四、设置振动参数初始值：设定超声振动组件3的振动参数初始值，所述振动参数初始值包括超声振动组件3的挤压力F、振幅和振动频率；

[0112] 本实施例中，步骤四中所述挤压力F采用超声振动组件3的振动实验确定，具体过程为：

[0113] 步骤B1、按照步骤一至步骤三的方法安装金属凝固装置；

[0114] 步骤B2、在材料参数表中查询铸模8所用材料在熔体浇注入铸模8内时的温度下的屈服强度和超声振动组件3所用材料在浇铸后铸模8外表面的最高温度下的屈服强度，并取
两者的较小值，记为σs；

[0115] 步骤B3、将挤压力F的取值范围确定为10牛顿～KFσs·S牛顿，其中， KF为挤压力的取值安全系数，S为超声振动组件3与铸模8的接触面积；

[0116] 步骤B4、设定超声振动组件3的振幅为最大振幅，振动频率为共振频率，开启单个超声振动组件3，计算机14将最大振幅指令发送给信号放大器2，信号放大器2放大后的信号
输出给超声振动组件3，驱动超声振动组件3，超声振动组件3开始振动；超声振动组件3振动
过程中，在10牛顿～KFσs·S牛顿的取值范围内，多次更改挤压力F的值，计算机14采集声压
传感器7检测到的声压值，记为U,记录声压U随着挤压力F变化的变化，按照U＝U0[1‑exp(‑
F/f0)]进行曲线拟合，得到挤压力特征参数f0；其中， U0为饱和声压；

[0117] 步骤B5、比较kff0与KFσs·S的大小，将kff0与KFσs·S中的较小值确定为挤压力F的最优取值；其中，kf为特征系数，取值范围为2～4；KF为挤压力的取值安全系数。

[0118] 具体实施时，KF的取值为0.8。当kf的取值为3，且将挤压力F的最优取值取为3f0时，声压U能够达到饱和声压U0的95％以上。

[0119] 步骤五、铸模共振频率搜寻，具体过程为：

[0120] 步骤501、计算机14根据振动参数初始值，将振动频率指令发送给变频信号发生器1，变频信号发生器1发出的电信号传输到信号放大器2，信号放大器2放大后的信号输出给
超声振动组件3，驱动超声振动组件3，超声振动组件3按照振动参数初始值开始振动；超声
振动组件3振动过程中，振动传感器5将采集到的振动信号通过线缆传输给振动信号采集电
路 9，再传输给计算机14，计算机14记录振动信号；

[0121] 步骤502、计算机14将振动频率作为调控参数，在设定的振动频率取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率参数，超声振动组件3按照更改振动频率后的振动参数振动，
振动传感器5采集到的振动信号随之改变；计算机14将振动频率参数的整个取值范围内振
动传感器5采集到的振动信号最大时对应的振动频率参数确定为基准振动频率f0；

[0122] 本实施例中，步骤502中所述的振动频率取值范围为20kHz～100kHz；所述步长为0.1kHz。

[0123] 步骤六、母合金熔炼：对熔炼坩埚13内的合金固体原料进行加热熔融，并进行保温；

[0124] 具体实施时，加热采用高频感应加热、电阻炉加热等加热方式；加热温度需要比液态完全混熔温度高100℃以上，保温30min；

[0125] 步骤七、熔体浇注：将熔炼坩埚13内的熔体浇注入铸模8内；

[0126] 具体实施时，是移除塞杆12，熔炼坩埚13内的熔体通过底部流出孔流入铸模8内；另外，在不设置塞杆12的情况下，还可以采用侧翻倾倒模式，将将熔炼坩埚13内的熔体浇注
入铸模8内；

[0127] 步骤八、振动频率反馈控制下的壁面振动三维超声金属凝固，具体过程为：

[0128] 步骤801、计算机14将振动参数初始值中的振动频率调整为基准振动频率f0，将基准振动频率f0发送给变频信号发生器1，变频信号发生器1 发出的电信号传输到信号放大
器2，信号放大器2放大后的信号输出给超声振动组件3，驱动超声振动组件3，超声振动组件
3按照基准振动频率f0开始振动；超声振动组件3振动过程中，温度传感器6将采集到的温度
信号通过线缆传输给温度信号采集电路11，再传输给计算机14，声压传感器7在熔体中采集
声压信号，并将采集到的声压信号通过线缆传输到声信号采集电路10，再传输给计算机14，
计算机14记录声压信号和温度信号；

[0129] 步骤802、计算机14再次将振动频率作为调控参数，在f0‑Δf～f0+Δf 的取值范围内，按照设定的步长，更改振动频率，超声振动组件3按照更改振动频率后的振动参数振动，
声压传感器7检测到的声压值随之改变；计算机14将振动频率的整个取值范围内声压值最
大时对应的振动频率确定为最优振动频率，并将f0的值更新为该最优振动频率；其中，Δf
为振动频率的取值半径；

[0130] 具体实施时，Δf的取值范围为1kHz～5kHz；步长为10Hz。

[0131] 步骤803、计算机14重复执行步骤802，不断寻找最优振动频率并使超声振动组件3按照最优振动频率振动；

[0132] 步骤804、当温度传感器6采集到的温度信号随时间变化由平台变为下降时，(即温度曲线的水平平台结束时)，说明合金熔体接近完全凝固，此时，关闭超声振动组件3。

[0133] 由于在合金熔体凝固的过程中，温度会保持一固定值不变，而当合金熔体接近完全凝固，温度会下降，因此将温度信号作为检测合金熔体接近完全凝固的标志，且在具体实
施时，计算机14显示温度参数，当工作人员观察到温度下降时，可以移出声压传感器7。

[0134] 步骤九、卸载铸件：待固态样品冷却至室温后，卸载超声振动组件3 和止推杆4，卸载铸模8，取出铸件。

[0135] 实施例2

[0136] 如图3所示，本实施例与实施例1不同的是:所述超声振动组件3包括滑动导向支座3‑3、超声换能器3‑2、变幅杆3‑1和用于带动超声换能器3‑2在滑动导向支座3‑3上前后运动
的动力机构，所述超声换能器3‑2 连接在滑动导向支座3‑3上且能够在滑动导向支座3‑3上
前后运动，所述超声换能器3‑2与信号放大器2的输出端连接，所述变幅杆3‑1连接在超声换
能器3‑2的前端且用于压紧铸模8的外壁，所述超声换能器3‑2的后端连接有压力传感器3‑
4；所述动力机构包括丝杠连接座3‑10、连接在丝杠连接座3‑10上的丝杠3‑11、转动连接在
丝杠3‑11上的丝杠螺母3‑12 和用于带动丝杠3‑11转动的电机3‑15，所述丝杠螺母3‑12上
连接有立板 3‑13，所述压力传感器3‑4连接在立板3‑13上；所述金属凝固数据采集及控制
器还包括压力记录仪3‑7和电机驱动器3‑14，所述压力传感器3‑4 的输出端与压力记录仪
3‑7的输入端连接，所述压力记录仪3‑7的输出端与计算机14的输入端连接，所述电机驱动
器3‑14的输入端与计算机14 的输出端连接，所述电机3‑15与电机驱动器3‑14的输出端连
接。

[0137] 具体实施时，所述变幅杆3‑1与超声换能器3‑2采用螺纹连接，计算机14通过电机驱动器3‑14驱动电机3‑15，电机3‑15转动，带动丝杠3‑11 转动，丝杠螺母3‑12在丝杠3‑11
上前后运动，带动压力传感器3‑4、超声换能器3‑2和变幅杆3‑1前后运动，调节超声振动组
件3对铸模8的挤压力，并由压力传感器3‑4检测挤压力，再通过压力记录仪3‑7传输给计算
机14；通过设置压力传感器3‑4、压力记录仪3‑7和电机驱动器3‑14，能够保证超声振动组件
3始终以一定的压力值压紧铸模8的外壁。

[0138] 本实施例的实时调控的壁面共振超声金属凝固的方法，步骤二中安装超声振动组件3时，计算机14通过电机驱动器3‑14驱动电机3‑13旋转，电机3‑13带动丝杠3‑11转动，丝
杠螺母3‑12在丝杠3‑11上前后移动，使变幅杆3‑1压紧铸模8外壁，且调节变幅杆3‑1压紧铸
模8外壁的力；

[0139] 其余结构和方法均与实施例1相同。

[0140] 为了验证本发明的实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法的技术效果，采用COMSOL软件进行了振动模拟，铸模内腔的尺寸为10cm×10cm ×10cm，铸模壁厚10mm，铸
模材质45#钢，进行变频振动测试，振动过程外观如图5A所示，测试结果如图5B所示。首先开
启铸模共振频率搜寻，频率扫描范围为20kHz‑40kHz，步长100Hz，得到基准振动频率f0为
33.1kHz (如图5B所示)。再在步骤802中将振动频率作为调控参数进行调控时，振动频率扫
描范围为31.1kHz‑35.1kHz，步长为10Hz，熔体从1233K降温到933K(熔点)，在温度为1233K
时，其最优振动频率为32.10kHz，在温度为933K时，其最优振动频率为32.01kHz，如图5C所
示，将图5C中的频率值进行统计，得到的频率的能量比较关系图如图5D所示。从图5D 可以
看出，在温度为933K时，如果不循环执行步骤802进行最优振动频率的不断搜寻，继续使用
温度为1233K时搜寻到的最优振动频率，平均声能量密度将低至78％，可以看出循环执行步
骤802进行最优振动频率的不断搜寻，能够进一步提高熔体凝固过程中的超声作用效果。

[0141] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技
术方案的保护范围内。