0I:10.13374/j.1ssnl001-053x.1998.01.006 第20卷第1期 北京科技大学学报 Vol.20 No.1 1998年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1998 搅拌扭矩研究熔融铝合金的流变特性 潜伟吴铿储少军牛强 林怡娴 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要从理论分析将牛顿定律中剪切应力和剪切速率的关系转换为搅拌扭矩和转速的关系，并 通过实验进行验证，理论推导和实验的结果非常吻合，此方法可以用来判断熔体的流变特性，也 可以间接衡量增粘过程的效果. 关键词搅拌扭矩；铝合金，流变特性：增粘过程 分类号037，TB933 金属铝和锌等熔体加入增粘剂、发泡剂等可得到细胞状组织的发泡材料~引.制造泡沫 金属时，用搅拌桨对加入熔体的增粘剂、发泡剂等进行充分地搅拌，使之均匀混合以达到最佳 效果，熔体中加人适量的金属钙来改变其粘度是改善熔体泡沫化的有效办法，上野等研究了 在制造泡沫铝时的搅拌扭矩(M与搅拌时间()，气孔率及钙的加人量之间的关系，得到一些 有益的结果.由此可见在增粘过程中，搅拌扭矩是个重要的参数.本文通过理论分析和实验 得出用搅拌扭矩与转速()之间的关系表示剪切应力(x)和剪切速率(D)的关系， 1牛顿流体时搅拌扭矩和转速的关系 直接测量剪切应力和剪切速率这2个量需要使用专用设备，通过实验室的模拟实验得 到.而与其密切有关的熔体搅拌扭矩和电机转速，可从生产过程中较为容易直接测得.通过理 论分析可以得到在牛顿流体的条件下，将剪切应力和剪切速率的关系转换成熔体搅拌扭矩和 电机转速之间的关系 搅拌桨是由对称的4个单片搅拌桨叶组成，尺寸见图1，每个搅拌桨叶的受力如图1()所 示，取离轴线r处的山厚的微元受力分析如图1(b).平行于y轴的S面只受正应力（σ）作用， 平行于x轴的S,面只有流体对其的切应力作用，而2个斜面S,既有正应力又有切应力的作 用.假定在桨叶厚为α，宽为b,斜面的交角为0上，各面所受的切应力和正应力处处相等，并且 x轴水平方向与y轴竖直方向上所受力达到平衡，在分别求出微元体的各受力面积后，可给出 沿y轴水平方向受力为： g·sin8=2x·cos8 (1) 沿x轴水平方向受力（将上式代入后）为： df=a(a-b/2ctg0)dr+tbdr+(o·ctg0+2x)(b/2)d山r=t(2b+2a·ctg0)dr (2) 微元所受的扭矩为： dM,=rdf=2x(b+a·ctg)rd山r (3) 1997-11-04收稿潜伟男，25岁，顶士吴男，45岁，博士，副教授 ◆国家自然科学基金资助课题(No59574026)第2 0 卷 1 9 9 8 年 第1期 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f Un i v e r si ty o f 阮i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V 0 1 . 2 0 N O . l F e b . 1 99 8 搅拌扭矩研究熔融铝合金 的流变特性 潜 伟 吴 铿 储少军 牛 强 林 怡娴 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 83 摘要 从理 论分 析将牛顿定律 中剪切 应力和 剪切速 率的关 系转 换为搅拌扭 矩和转速 的关系 , 并 通 过实脸 进行验证 , 理 论推导和实验的结果 非常吻合 . 此方法 可 以 用来判 断熔体 的流 变特性 , 也 可以 间接衡量增 粘过程的效果 . 关挂词 搅拌扭 矩; 铝合金 ; 流变特性 ; 增粘过程 分类号 0 3 7 , T B 9 33 金 属 铝 和锌 等熔体加 人 增粘 剂 、 发 泡剂 等可得 到 细 胞 状组 织 的 发泡 材料 【’ 一 ’ ] . 制 造泡 沫 金属 时 , 用搅拌桨 对加 人熔体的增粘 剂 、 发泡剂等进行 充分 地搅拌 , 使之 均匀混 合 以 达到 最佳 效果 . 熔体中加人 适量 的金属 钙来改变其粘度 是 改善熔体泡 沫 化 的有效 办 法 . 上 野等研 究 了 在 制 造 泡 沫铝 时 的搅拌扭 矩 (娜 与搅 拌时 间 (t) , 气孔 率及钙 的加人 量之 间的 关系 , 得 到 一些 有 益 的 结果 41t . 由此可 见在 增粘 过程 中 , 搅拌扭矩 是个 重要 的 参数 . 本文 通 过理 论分 析和 实验 得 出用搅拌扭矩与转 速 ( n) 之 间的关系 表示剪切 应力 砂) 和剪 切速率 ()D 的关系 . 1 牛顿流体时搅拌扭矩和转速 的关系 直接 测量 剪切 应力和 剪切 速 率这 2 个量 需 要使用 专用设 备 , 通 过 实验 室 的模 拟 实 验得 到 . 而 与其密切 有关的熔体搅拌扭矩 和 电机转速 , 可从生 产过程 中较为容易直接测得 . 通 过理 论分 析可 以 得到 在牛 顿流体的条件下 , 将剪 切应力 和剪 切速率 的关系转 换成熔体搅 拌扭 矩和 电机转速 之 间的关系 . 搅拌桨 是 由对称的 4 个 单片搅拌桨叶组成 , 尺 寸见 图 l , 每个搅 拌桨叶 的受力 如 图 1(a) 所 示 , 取离 轴线 r 处的 dr 厚的微元受力分 析如 图 l (b) . 平行 于 y 轴 的 况面 只受 正应力 (a) 作 用 , 平行于 x 轴的 凡面只 有流 体对其的切应力作 用 , 而 2 个斜面 凡既有 正应 力又有 切应 力 的作 用 . 假定 在 桨叶厚 为 a , 宽为 b , 斜 面 的交 角为O上 , 各 面所受 的切应 力和 正应力处处相等 , 并且 x 轴水平 方 向 与 y 轴竖直方 向上所 受力达 到平衡 . 在分 别求 出微元 体的各受力 面积 后 , 可给 出 沿 y 轴水平方 向受力 为 : a · s ino = Zr · e o s s ( l ) 沿 x 轴水平 方 向受力 ( 将上 式代人后 )为 : df = a( a 一 b / Ze gt s ) d r + r b d r + 位 · e gt o + Zr ) ( b / 2 ) d r = r (Zb + Z a · e gt 日) d r ( 2 ) 微元 所受 的扭矩 为 : d喊 一 r df 一 2 : ( b + a · c gt s ) r d r ( 3) 19 97 一 1 一 4 收稿 潜伟 男 , 25 岁 , 硕士 吴 铿 男 , 45 岁 , 博士 , 副教 授 · 国家 自然科学基金资助课题 (oN 5 9 5 7 4 0 2 6) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 01. 006