原標題：鋁合金鑄造性能及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)庫研究

摘要

鑄造性能數(shù)據(jù)的實時檢測和分析處理能夠?qū)辖鸬蔫T造性能做出評估?；阡X合金鑄造性能的實際需求分析，在鑄造合金凝固特性檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用C++ Builder的面向?qū)ο笤O(shè)計開發(fā)一套鋁合金鑄造數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。通過鑄造合金凝固特性檢測儀對鋁合金在凝固過程時的傳熱、線收縮、熱裂和應(yīng)力等特征參數(shù)進行采集，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中有關(guān)鑄造鋁合金材料的相關(guān)信息，分析鑄造工藝設(shè)計過程中參數(shù)的形式和特點，從而實現(xiàn)鑄造鋁合金材料的數(shù)據(jù)采集、查詢、分析、維護和打印等綜合功能。

合金的鑄造性能對鑄件的質(zhì)量有直接影響。金屬液凝固過程中，鑄件的傳熱、線收縮、熱裂以及應(yīng)力等現(xiàn)象是生產(chǎn)中常見缺陷的產(chǎn)生原因。若預(yù)先了解該合金凝固過程特點，結(jié)合數(shù)據(jù)分析可以更便捷地對合金的凝固特性做出對比評估，則可為后續(xù)工藝設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，能夠作為指導(dǎo)鑄造生產(chǎn)的一種手段。

由于鑄造工藝的多樣化，導(dǎo)致鑄造缺陷的產(chǎn)生原因非常復(fù)雜，在工藝設(shè)計、研究和應(yīng)用中都需要參考大量的數(shù)據(jù)。針對鑄造鋁合金凝固過程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和跟蹤分析，長期通過人工查閱手冊的方式和相關(guān)文獻資料查找，過程繁瑣且低效，難以保證數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，需要建立信息量大、功能模塊完備和數(shù)據(jù)查詢與分析便捷的鋁合金數(shù)據(jù)庫。

材料專業(yè)數(shù)據(jù)庫已有過許多開發(fā)研究。上海理工大學(xué)的陶紅等研究設(shè)計了非金屬礦物材料數(shù)據(jù)庫（NMMDBS）查詢檢索系統(tǒng)；孫宇等設(shè)計與開發(fā)了鈦合金材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提供了多種方式的數(shù)據(jù)查詢方法。

本文基于C++ Builder 語言設(shè)計了一套鑄造鋁合金數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)對鑄造鋁合金材料的實時數(shù)據(jù)采集、查詢、分析以及分類整理和存儲等功能。能夠直接對鑄造性能做出評價，為鑄造工藝選擇提供參考價值。而且還能對信息進行管理，為研究鋁合金并開發(fā)應(yīng)用提供一個科學(xué)決策窗口和咨詢系統(tǒng)。

1、鑄造鋁合金數(shù)據(jù)庫

1.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具

C++ Builder是一款高性能可視化開發(fā)工具，強大的數(shù)據(jù)庫使應(yīng)用程序開發(fā)更便利，并且能夠提供成熟的數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)即BDE（Borland Database Engine）數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)，基本涵蓋Internet應(yīng)用的全部功能，因此本研究的數(shù)據(jù)庫開發(fā)采用C++Builder開發(fā)工具。

1.2 數(shù)據(jù)庫開發(fā)步驟

1.2.1 數(shù)據(jù)源的建立

鋁合金材料的研究范圍很廣，目前的重點是鑄造鋁合金材料的開發(fā)。本數(shù)據(jù)庫主要是以《鑄造手冊-非鐵合金》中的參考資料為基礎(chǔ)，以鑄造合金凝固性能測試儀的實時試驗數(shù)據(jù)為主要依據(jù)。測試儀裝置圖如圖1所示，測試由傳感器組完成，該部分由一個WDL25型位移傳感器及三個BK-2Y型拉壓力傳感器組成。在澆注金屬液后，三個BK-2Y型拉壓力傳感器與鑄件將形成應(yīng)力框，測量熱應(yīng)力；一個拉壓力傳感器可以測定合金的熱裂性能。點擊“現(xiàn)場測試”選項，會彈出工作界面，界面圖像顯示區(qū)為上次實驗保存的結(jié)果，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作界面如圖2所示。

圖1 鑄造合金凝固特性測試儀裝置圖

1.標題欄 2.測試類型選擇區(qū) 3.基本信息區(qū) 4.結(jié)果顯示區(qū) 5.通道設(shè)置及測試區(qū) 6.圖像顯示區(qū) 7.操作記錄區(qū) 8.功能選擇區(qū)
圖2　測試工作界面

程序界面分區(qū)依次為標題欄、測試類型選擇區(qū)、基本信息區(qū)、結(jié)果顯示區(qū)、通道設(shè)置及測試區(qū)、圖像顯示區(qū)、操作記錄區(qū)及功能選擇區(qū)。

（1）點擊“通道設(shè)置及測試”的“開始調(diào)試”選項。檢查溫度及熱裂通道是否選擇正確，傳感器在實際工作后，其特性會因為線路連接及出廠校驗差異而發(fā)生改變。而且由于熱電偶元件小，不恰當(dāng)?shù)那度胛恢脮苯佑绊憻犭娕嫉臏y量靈敏度和準確度。所以，調(diào)試可以確保設(shè)備的三個拉壓力傳感器正常工作，也可以診斷熱電偶斷偶故障。當(dāng)設(shè)備穩(wěn)定后，點擊“結(jié)束調(diào)試”完成調(diào)試過程。

（2）點擊“操作信息區(qū)”選項。完整填寫用戶信息、合金名稱及澆注溫度，選擇凝固特性類型，準備試驗。

（3）點擊“功能選擇區(qū)”的“測試”選項。測試模塊是整個程序的核心，選擇不同的測試類型會顯示不同的動態(tài)曲線圖，結(jié)果顯示區(qū)會實時記錄通道數(shù)據(jù)。選擇線收縮測試時，圖像區(qū)實時顯示時間-溫度與時間-位移的曲線圖；選擇熱裂測試時，圖像區(qū)實時顯示時間-溫度與時間-應(yīng)力的曲線圖。試驗每秒鐘測試兩組數(shù)據(jù)，所以，曲線圖是由無數(shù)個相鄰的點連接而成的線。此程序的設(shè)計是通過數(shù)據(jù)庫調(diào)取實驗，分析實驗數(shù)據(jù)組數(shù)為n，形成n個坐標，每次調(diào)取兩組數(shù)，最終以坐標形式顯示在界面中。根據(jù)曲線顯示的實際情況選擇“結(jié)束”選項即中斷采樣，橫坐標時間最長設(shè)置1 000 s，可以保證合金凝固過程的完整性。

（4）點擊“歷史查看”選項。查詢關(guān)鍵詞包括測試類型、操作用戶、被測合金名稱和操作時間等。

（5）點擊“數(shù)據(jù)保存”選項。彈出界面如圖3所示，導(dǎo)出方式有Origin、Word以及Excle，用戶可按需選擇導(dǎo)出方式。

圖3 數(shù)據(jù)保存彈出界面

（6）點擊“返回”選項。若用戶未選擇“保存”，會彈出提示用戶保存數(shù)據(jù)的彈窗，若已經(jīng)保存，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)至用戶初始界面。

簡而言之，是將數(shù)據(jù)庫與測試儀相結(jié)合，測試儀完成特征參數(shù)的采集功能，而數(shù)據(jù)庫作為特征參數(shù)的參考依據(jù)。數(shù)據(jù)采集主要包括合金凝固過程的溫度變化區(qū)間、線收縮、熱應(yīng)力以及熱裂值等動態(tài)參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果儲存于后臺鋁合金數(shù)據(jù)庫中，最終整理為符合概念模型和邏輯模型要求的內(nèi)容與形式。

1.2.2 數(shù)據(jù)字典的建立

數(shù)據(jù)字典由數(shù)據(jù)表組成，數(shù)據(jù)表的設(shè)計與建立通過C++ Builder軟件的數(shù)據(jù)庫工作平臺（Database DeskTop）。創(chuàng)建步驟是打開C++ Builder開發(fā)環(huán)境下的Database所屬首位選項的DeskTop菜單載入。若要更新數(shù)據(jù)表，打開File文件下拉選項中的NewTable，建立好數(shù)據(jù)表格后可以在數(shù)據(jù)表中添加和修改數(shù)據(jù)記錄，符合要求后敲回車鍵確認建立。

1.3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

從概念模型來說，鑄造鋁合金數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要涵蓋鋁合金的相關(guān)物理參數(shù)和性能指標參數(shù)，對不同工藝條件的實驗參數(shù)進行整理分析。針對龐雜的鋁合金型號，為了匹配合金名稱和檢索方便，需要對同一牌號的合金進行分類，建立合金名稱字典庫。

從邏輯模型來說，主要對概念模型起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作用。將鑄造鋁合金相關(guān)參數(shù)文字轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的二維數(shù)語言，相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表如表1所示。參數(shù)包括合金牌號（codename）、合金名稱（name）、固相線溫度（liq-tem）、液相線溫度（sol-tem）、澆注溫度（pour-tem）、線收縮范圍（line-c）、熱裂環(huán)試樣寬度（h-tear1）、熱裂傾向等級（h-tear2）、流動性試樣長度（fluidity1）、流動性等級（fluidity2）。

表1 合金鑄造工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)表

鋁合金的全部參數(shù)的匹配與檢索結(jié)構(gòu)是基于DBMS（Data Management System）關(guān)系模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)對功能進行總體設(shè)計。庫內(nèi)共包括五個子數(shù)據(jù)庫，分別為用戶信息子庫、合金基本信息子庫、鑄造性能子庫、鑄造工藝子庫、標準子庫。數(shù)據(jù)庫架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)圖

2、鑄造鋁合金數(shù)據(jù)庫模塊功能實現(xiàn)

該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為逐層劃分結(jié)構(gòu)，層次分明，設(shè)計的模塊可以進行單獨編輯，方便后續(xù)不斷完善模塊功能。將各模塊之間的聯(lián)系統(tǒng)一，不僅可以進行數(shù)據(jù)的查詢、管理等基礎(chǔ)工作，還可以對材料的相關(guān)領(lǐng)域進行研究和應(yīng)用，并對其進行數(shù)據(jù)分析（包括合金凝固曲線的熱分析）、熱裂預(yù)測、線收縮預(yù)測、應(yīng)力預(yù)測等。具體功能實現(xiàn)描述如下：

（1）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件。

（2）更新數(shù)據(jù)庫文件。

（3）索引工具。目的是方便查找目標合金。以合金牌號為中心詞，因為不同牌號的合金對應(yīng)不同的國家標準代號，所以檢索結(jié)果會有很多類似項，點擊Compenent-1的選項可以根據(jù)用戶需求的查看某一種合金的具體信息或者順序?qū)Ρ刃畔?。?shù)據(jù)庫選擇清晰直觀的樹形結(jié)構(gòu)（Tree structure）索引。以鋁硅合金為例，設(shè)計界面如圖5所示。數(shù)據(jù)表顯示當(dāng)前四個不同牌號的合金。點擊Compenent-1即可改變合金瀏覽順序。顯示界面信息具有數(shù)據(jù)的增加、插入、取消和保存等功能。通過查詢，可以看到合金澆注的各項參數(shù)，點擊此功能，系統(tǒng)會自動輸入合金的編號，從而顯示出有關(guān)的澆注參數(shù)。

圖5 數(shù)據(jù)表界面

（4）數(shù)據(jù)查詢。查詢是數(shù)據(jù)庫檢索的基本需求，分為直接檢索和高級檢索，用戶可根據(jù)需求自行選擇查詢方式。直接檢索即查該材料的屬性信息；高級搜索包含了關(guān)于合金的模糊查詢、區(qū)域查詢和組合查詢（多個選擇合金的限制）。高級查詢界面如圖6所示。查詢包括合金名稱和數(shù)據(jù)查詢。為提高人機交互效率，設(shè)計了合金字典庫表查詢方式，如表2所示。

圖6 高級查詢界面

表2 合金字典庫表

用合金牌號作為關(guān)鍵字，在數(shù)據(jù)庫中搜索，找到劃分限制最小的合金，再通過特定的名稱去查找合金的詳情，并將其存儲在動態(tài)數(shù)據(jù)中，再查找其他工藝性能參數(shù)時便可直接識別合金種類。例如，在ZL201合金的三個參數(shù)中，輸入 Cu、Mn等元素后，會出現(xiàn)兩種不同的合金。用銅含量字段來進行區(qū)域查詢，只要輸入4.5~5.3的數(shù)據(jù)，就會得到一套數(shù)據(jù)資料。為了提高查詢效率，將 Cu分為三個域，即Cu-min，Cu，Cu-max。具體數(shù)據(jù)表設(shè)置如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)字段表

（5）數(shù)據(jù)排序。如果數(shù)據(jù)表有一個影響參數(shù)，則把這個參數(shù)放在最上面，并且字段按大小順序排列。如果存在兩種影響參數(shù)，則以數(shù)字格式的方式將控制參數(shù)置于第一位，由第二區(qū)域開始，由小到大依次排列；同樣的設(shè)定也適用于多個控制參數(shù)。

（6）數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)可以根據(jù)輸出端口連接外部打印設(shè)備打印所需的數(shù)據(jù)表。

（7）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理模塊的目的是使管理員和用戶能夠及時地維護數(shù)據(jù)庫的信息。包含了合金信息的增減、優(yōu)化和刪除等方面的內(nèi)容。在人機交互的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)具有很好的擴展性。為了確保數(shù)據(jù)的正確性與可信度，此模組必須以系統(tǒng)管理員的身份登陸，普通用戶沒有權(quán)限。

（8）數(shù)據(jù)安全。DBMS（Database ManagementSystem）采用的方法是自動訪問控制和強制訪問控制。安全模型圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全模型

3、試驗驗證

選用ZL114A鋁合金，試驗流程圖如圖8所示，造型材料如表4所示。將ZL114A合金平均切割成1 kg塊狀，放入溫度為250 ℃的電阻爐（型號RJX-45-9）中保溫烘干1 h。將金屬攪拌棒及扒渣工具先進行除銹處理，然后再將氧化鋅涂料均勻涂覆在工具表面，放入電阻爐中烘干。當(dāng)井式坩堝爐（型號SG-7.5-10）爐溫升至500 ℃后清除雜質(zhì)，再將ZL114A合金放入熔煉坩堝中，當(dāng)熔煉溫度升至780 ℃后合金完全熔化，隨即進行除氣處理（10 g六氯乙烷除氣劑），除氣完畢后將熔煉溫度調(diào)至720 ℃，保溫穩(wěn)定10 min后取出坩堝，利用扒渣工具清除溶液表面雜質(zhì)后立刻澆注。

圖8 試驗流程圖

表4 造型材料質(zhì)量表

打開設(shè)備軟件，點擊調(diào)試通道，界面輸入內(nèi)容包括：用戶信息、合金名稱和澆注溫度。測試類型選擇熱裂測試，ZL114A熱裂測試界面如圖9所示。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出形式選為Origin，數(shù)據(jù)導(dǎo)出圖如圖10所示。

圖9 ZL114A熱裂測試界面

圖10 ZL114A熱裂測試Origin導(dǎo)出圖

進入導(dǎo)出的Origin界面圖，系統(tǒng)自動識別a、b、c三個特征點。

分析時間與溫度的關(guān)系：ZL114A液態(tài)合金澆注進入型腔后，熱電偶迅速測出實時溫度，因熱電偶一端位于型腔內(nèi)部，所以溫度最高點a點實時溫度為616.5 ℃，低于實驗設(shè)定的澆注溫度720 ℃。此時砂型溫度仍為室溫，液態(tài)合金高溫遇冷，開始析出固相。

從b點（568.2 ℃）開始，出現(xiàn)b-c小平臺，由此推斷，合金正處于結(jié)晶晚期階段，釋放結(jié)晶潛熱會引起冷卻速度下降。合金從c點開始均勻冷卻，直到完全凝固。

分析時間與應(yīng)力的關(guān)系：即凝固-應(yīng)力曲線，該曲線能判斷合金凝固產(chǎn)生的應(yīng)力大小及裂紋生成的時間，從而分析液態(tài)合金的熱裂行為。由曲線可以看出，合金慢慢析出固相，曲線處在載荷平臺上，說明合金有產(chǎn)生熱裂的傾向，隨著固相的增多，應(yīng)力曲線出現(xiàn)上升趨勢，可以說明合金最終無熱裂紋產(chǎn)生。同時，利用所建立的鑄造性能數(shù)據(jù)庫，可查詢相同合金代號的合金，通過對比分析，對測試結(jié)果的評價和分析提供參考。

數(shù)據(jù)庫顯示界面如圖11所示，側(cè)欄顯示登錄的用戶名、“數(shù)據(jù)庫”及“對比分析”選項，數(shù)據(jù)庫實時更新。

圖11 數(shù)據(jù)庫界面顯示圖

檢索有兩種方式，一是選擇輸入關(guān)鍵詞，如合金牌號等，二是輸入需要查詢的測試起始日期，檢索結(jié)果包括合金牌號、日期、狀態(tài)和測試類型。結(jié)果可以選擇“上下頁”查看，測試完畢的試驗處于“已入庫”狀態(tài)。

4、結(jié)論

（1）利用C++ Builder軟件，對鋁合金鑄件的性能和工藝參數(shù)進行了設(shè)計和開發(fā)，并與鑄造合金的凝固特性測試系統(tǒng)相結(jié)合，為鑄造工藝的設(shè)計提供了依據(jù)。

（2）本系統(tǒng)特點：查詢方便高效、檢索自成體系以及各模塊功能獨立靈活，而且在后續(xù)試驗中會不斷更新完善。

（3）系統(tǒng)實際運行過程及驗證結(jié)果表明：該系統(tǒng)能對鑄造合金的凝固溫度變化、熱裂、熱應(yīng)力和線收縮凝固特性參數(shù)進行測試，檢測結(jié)果可實現(xiàn)遠程傳輸，同時檢測結(jié)果分析與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，為優(yōu)化鑄造生產(chǎn)提供參考價值。

作者

王亞男 馬旭梁
哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文來自：鑄造雜志