消失模鑄造充型過程數(shù)值模擬

1、 基于計算機模擬的消失模鑄造充填特性研究張立強1,2，盧遠志1，張楚惠3，劉金水1,2(1.湖南大學汽車車身先進設計與制造國家重點實驗室，湖南長沙，4100822.湖南大學材料科學與工程學院，湖南長沙，4100823.湖南基特制造有限公司，湖南湘陰，410502)摘要：通過計算機仿真軟件ProCAST對某公司車身覆蓋件修邊沖孔模上模座的消失模鑄造充型過程進行數(shù)值模擬，研究了消失模鑄造的充填特性，并對比分析了消失模鑄造和傳統(tǒng)空腔鑄造充型過程的差異。模擬結果表明：消失模鑄造存在著與傳統(tǒng)空腔鑄造截然不同的充型過程，由于泡沫介質的存在，使金屬液充型受阻，充型時間長，并且充型速度呈現(xiàn)周期性交替變化。關鍵

2、詞：消失模鑄造；數(shù)值模擬；充填特性；充型速度中圖分類號：TG249.6文獻標識碼：A文章編號：ResearchontheFillingCharacteristicsofEPCbasedontheComputerSimulationZHANGLi-qiang1,2,LUYuan-zhi1,ZHANGChu-hui3,LIUJin-shui1,2(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody(HunanUniversity),Changsha,410082,Hunan,China;2.SchoolofMater

3、ialsScienceEngineering,HunanUniversity,Changsha,410082,Hunan,China;3.HunanJiteManufacturingCo.,Ltd,Xiangyin,410502,Hunan,China)Abstract:ThefillingprocessofEPC(EvaporatedPatternCasting)aresimulatedinthispaperbyusingthecomputersimulationsoftwaretostudythefillingprocessofEPC.Inordertostudythefillingcha

4、racteristcsofEPCbetter,thecomparationofthefillingprocessofthetraditionalvacantcastinghavebeenalsosimulatedatthesameconditions.ThesimulationresultsshowthatthefillingprocessofEPCisdifferententirelyfromthetraditionalvacantcasting.Thefillingvelocitybecomesslowandvariesperiodicallybecauseoftheexistenseof

5、thefoamintheEPC.Keywords:EPC,numericalsimulation,fillingcharacteristics,fillingvelocity引言消失模鑄造工藝由于其具有鑄件尺寸精度高、機械加工余量少、生產(chǎn)適應性強等諸多優(yōu)點,被認為是一項很有發(fā)展前景的近凈型加工技術，并被鑄造界譽為“21世紀的鑄造新技術”。目前,我國消失模鑄造技術日趨成熟,研究單位和應用廠家越來越多13。消失模鑄造與其他鑄造方法的顯著差異在其充型過程的特殊性，金屬液在充型過程中包含著復雜的物理化學現(xiàn)象,包括熱量傳輸、充型流動、化學反應、冷卻凝固等。這些現(xiàn)象耦合在一起，并相互影響,使得金屬液的充型

6、過程更加復雜，最終影響到鑄件質量，同時，掌握消失模鑄造型內(nèi)液態(tài)金屬的充填特性還關系到澆注系統(tǒng)的設計及充滿或不充滿等重要問題的確定45。在實際生產(chǎn)過程中，由于鑄件結構上的差異和具體生產(chǎn)條件的限制，同時鑄造過程又是一個在完全封閉的型腔內(nèi)完成的生產(chǎn)過程，因此很難通過觀察或物理試驗來研究消失模鑄造的充填特性，而結合計算機模擬的消失模鑄造過程研究是一種高效的分析方法，有助于揭示其充型過程的流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)充填中的不足，為改善鑄造工藝設計，提高鑄件質量提供一個可靠、快捷的分析手段69。基于此，本文作者結合某公司車身覆蓋件修邊沖孔模上模座鑄件的實際生產(chǎn)，通過計算機仿真技術，對消失模鑄造充型過程進行了數(shù)值模擬，

7、并對比分析了消失模鑄造和傳統(tǒng)空腔鑄造充型過程的差異，研究了消失模鑄造的充填特性。第一作者簡介：張立強，男，1978年出生，碩士研究生，湖南大學材料科學與工程學院，湖南長沙(410082)，電話：013337315361,E-mail： HYPERLINK mailto: 充填過程的計算機模擬相片1是某公司車身覆蓋件修邊沖孔模上模座的實際消失模鑄件，材料為HT300,重1.09噸。鑄件尺寸為長1870mm，寬750mm，高350mm，主要壁厚35mm。鑄件要求內(nèi)部組織致密，表面3-5mm以下無裂紋、氣孔、縮松等鑄造缺陷。本文根據(jù)實際生產(chǎn)的鑄造工藝，對該鑄件進行了數(shù)值模擬試驗。計算機模擬包括三個基

8、本步驟：首先利用CAD軟件建立包括澆冒口系統(tǒng)的三維幾何模型，再通過parasolid格式的中間文件將其導入計算機模擬軟件；其次對三維幾何模型進行必要的前處理建立有限元模型，包括幾何模型簡化、網(wǎng)格剖分、計算參數(shù)設置等處理；最后利用軟件進行數(shù)值模擬計算和結果分析。相片1實際消失模鑄造鑄件Photo1ThepracticalEPCcasting鑄件幾何模型利用三維CAD軟件在零件幾何模型的基礎上，根據(jù)車身覆蓋件修邊沖孔模上模座的結構特點、消失模鑄造方法的特殊性、以及實際生產(chǎn)中的鑄造工藝參數(shù)（見表1）。添加了鑄造工藝特征，包括鑄型、澆鑄位置、澆注系統(tǒng)等。為了保證后續(xù)網(wǎng)格剖分的質量和數(shù)值計算的精度，需要

9、對上述三維幾何模型做適當?shù)暮喕幚?。?鑄造工藝參數(shù)Table1Technologicparametersofpouring直澆道橫澆道內(nèi)澆口暗冒口明冒口澆注方式截面積截面積截面積截面積/數(shù)量截面積/數(shù)量(cm2)(cm2)(cm2)(cm2/個)(cm2/個)28362110/612/8底澆注有限元模型網(wǎng)格剖分根據(jù)數(shù)值計算原理和計算機性能要求,為了得到精確的模擬結果和減少計算量，有限元模型采用非均勻四面體網(wǎng)格對幾何模型進行網(wǎng)格剖分，即澆道和鑄件采用較小的網(wǎng)格尺寸進行剖分,而砂箱則采用較大的網(wǎng)格尺寸進行剖分。如圖2所示計算所采用的有限元網(wǎng)格規(guī)模為：單元總數(shù)為1045847，節(jié)點總數(shù)為20718

10、6。圖2鑄件與鑄型的網(wǎng)格剖分Fig.2Meshgenerationofcastingandmould計算參數(shù)有限元模型中計算參數(shù)是根據(jù)生產(chǎn)實際進行設定的，主要包括材料參數(shù)和澆注工藝參數(shù)等。消失模鑄造區(qū)別于其他鑄造方法的是，它包括金屬泡沫-鑄型三類介質材料。鑄件材料為HT300,泡沫材料選擇EPS（聚苯乙烯），鑄型材料為樹脂砂，擁有很好的透氣性。材料的熱物性參數(shù)如表2所示。表中合金密度、潛熱與熱導率都是隨溫度變化的，比熱數(shù)值指0100C范圍內(nèi)。澆注工藝參數(shù)包括澆注溫度1400C和澆注壓力l.latm。作為數(shù)值計算的邊界條件主要為不同介質之間的熱交換系數(shù)，包括泡沫和砂型間的熱交換系數(shù)為100w/m

11、2k，金屬和砂型間的熱交換系數(shù)為500w/m2.k。表2合金及泡沫材料的熱物性參數(shù)Table2ThermalandphysicalparametersofalloyandEPS材料密度/kgm-3比熱/kJ(kgk)-1潛熱/kJkg-1熱導率/w(mk)-1固相溫度/k液相溫度/k鑄件(HT300)(6.37.4)xl00.53260145823.636.414061522EPS（聚苯乙烯）253.71000.035603623模擬結果數(shù)值模擬是在高性能微機工作站上利用專用的消失模鑄造分析軟件完成的，計算時間平均為58小時，消失模鑄造的充填過程計算結果見圖3。圖3a罔3e是消失模鑄造不同時刻

12、的充型形態(tài)，從圖3a為15s時的充型狀態(tài)，可以看出金屬液從最先流經(jīng)的內(nèi)澆道中進入，之后在內(nèi)澆口與橫澆道基本保持同步填充。從圖3b與c為32s時的充型狀態(tài)，當金屬液流經(jīng)內(nèi)澆口1與內(nèi)澆口2進入鑄型時，充型速度明顯增加，而橫澆道內(nèi)的金屬液充型速度相對緩慢，并且進入鑄型后的金屬液在填充底層的同時液面逐漸上升，圖3d是也說明了這種充型形態(tài)。圖3e表示62s時金屬液完全充滿型腔。圖4為消失模鑄造直澆道處金屬液在不同時刻的充型速度矢量圖，消失模鑄造充型過程中，充型速度是不斷變化的，圖a,c,e中的充型速度相對較大，而圖b,d,f中的充型速度則相對較小，呈現(xiàn)出周期性交替現(xiàn)象。(a)15s(b)32s(c)32

13、s(截面)(d)49s直澆道底部A處節(jié)點號592(e)62s圖3澆注壓力為1.1atm的消失模鑄造，澆注開始后不同時刻的充型形態(tài)(a)4s(b)11s(c)17sFig.3ThefillingstateofdifferenttimeofEPCwhen1.1atmpouringpressure(d)23s(e)25s(f)26s圖4澆注壓力為1.1atm的消失模鑄造，不同時刻的充型速度變化情況Fig.4ThevariationoffillingvelocityofdifferenttimeofEPCwhen1.1atmpouringpressure消失模鑄造充填特性研究實際鑄件的模擬結果表明，在

14、同樣的澆注工藝條件下，消失模鑄造充型過程因為受到金屬液-泡沫-砂型3個介質的相互影響與作用，與傳統(tǒng)空腔鑄造金屬液-砂型雙介質充型順序與充型速度差別很大。下面對其充填特性進行討論分析。3.1充型過程的理論基礎與傳統(tǒng)空腔鑄造不同的是，消失模鑄造的充填過程是一個包含泡沫氣化過程的流場和溫度場相互耦合的數(shù)學物理過程，因此其本構關系包括分別包括流場、溫度場以及氣化模型三個部分，下面分別加以描述。3.1.1流場本構關系在鑄件充型過程數(shù)值模擬中，將液態(tài)金屬看作不可壓縮流體，其流動過程服從質量守恒和動量守恒，數(shù)學形式為連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程(簡稱N-S方程)。連續(xù)性方程N-S方程dudvd

15、w小+=0dxdydz1)dp+pFyV2udxx+TOC o 1-5 h zdududududvdvdvdv(dtdxdydz丿2)(dtdxdydz丿dppFyV2vdyy+pFyV2wdzzdwdwdwdw)dp+u+v+w=、dtdxdydz丿式(1)中，D為散度；u,v,w為速度矢量在x,y,z方向上的分量；式中，p為金屬液的密度，t為充型時間，p為流體內(nèi)部壓力；Y為運動粘度；Fx，F(xiàn)y,Fz為單位質量力在三個坐標軸x、y、z的分量；V2=d2/dx2+d2/dy2+d2/dz2為拉普拉斯算子。溫度場本構關系流體在運動過程中，溫度場的計算遵循能量守恒定律，在直角坐標系下其本構方程為p

16、c+pcu+v+wdtdxdydz=kV2TS3)式(3)中，T為溫度，t為時間，S為潛熱項，k為熱傳導率，V2=d2/dx2+d2/dy2+d2/dz2為拉普拉斯算子。3.2氣化模型3.2.1氣化過程的物理模型消失模鑄造是金屬液-泡沫-砂型3介質相互影響與作用的結果,由于存在著泡沫氣化阻力的影響作用，其氣化模型可用圖5表示。根據(jù)這個模型可以看出，高溫液態(tài)金屬使泡沫迅速熔解氣化從而在液態(tài)金屬與泡沫模樣之間形成氣隙，氣隙里存在著三個不斷變化的相(泡沫固體顆粒、液體泡沫與泡沫氣體)，并且由于金屬液與泡沫模樣的熱交換，氣隙里同時發(fā)生著大量的傳熱與化學反應。泡沫模樣圖5泡沫氣化過程示意圖Fig.5Sc

17、hematicofthefoamdegradationprocess11氣化過程的數(shù)學模型圖5中的氣隙內(nèi)部包括兩部分氣體，一部分是充型過程中退化泡沫氣化的氣體，一部分是氣隙內(nèi)部分氣體逃逸后剩余的氣體，它們分別滿足理想氣體狀態(tài)方程PV=RGT，故有TOC o 1-5 h zPV=RGT(4)11PV二RGT(5)22式(4)中，P為退化泡沫氣化后形成的氣體壓力(Pa)；V為氣隙的體積血)，實驗測定為(44.5)V(V11metalmetal為每個時間步長所流入的金屬液體積)10r為氣體常數(shù)(m/k)，為29.18m/k；G為泡沫氣化后氣體1重量(N),根據(jù)質量守恒定律，它等于退化的泡沫重量；T為

18、氣隙實際溫度(k),近似等于液態(tài)金屬溫度。式(5)中，P為氣隙內(nèi)部分氣體逃逸后剩余的氣體壓力；G為剩余的氣體重量。22為了求出式(5)中的G，根據(jù)氣體層流時的公式(6),2需要計算逃逸的質量流量q。2q二Pgapp0卩真rR氣6)TOC o 1-5 h z式(6)中，p為氣隙處的絕對壓力(Pa)；p為大氣壓力(Pa)；p為砂型中的真空度(Pa)；R為氣隙四gap0真周涂層的氣阻(Ns/m5)；7氣隙處氣體的重度(N/md“/rt2或p/rt，當壓力較低的真空狀態(tài)時，用前面的式子計算r氣當大氣壓或差壓鑄造時用后面的式子計算；。外假設瞬時氣體溫度與體積氣恒定，根據(jù)道爾頓氣體分壓定律，有氣P二P+P

19、(7)gap12氣化區(qū)充型壓力的計算消失模鑄造充型過程受到氣隙壓力p的影響，所以氣化區(qū)實際充型壓力P需要修正為gap實P實二P充-P實充gap式(8)中，是P金屬液的充型壓力；P是氣化區(qū)實際充型壓力。實際充型壓力得到修正后，得到新的充充實型速度，因此隨著P的變化，充型速度將不斷的發(fā)生改變。gap消失模鑄造充填特性分析由消失模鑄造充型過程流場與溫度場耦合的本構關系和氣化模型可知，消失模鑄造充型過程中由于受到氣隙壓力的影響，使得充型速度減慢，同時，充型速度不斷發(fā)生變化。為了更好的研究消失模鑄造充型特性，對傳統(tǒng)空腔鑄造的充型過程進行了數(shù)值模擬，其模擬結果如圖6。從圖6a與b,傳統(tǒng)空腔鑄造過程中，金屬

20、液先充滿橫澆道后，再經(jīng)多個內(nèi)澆口同時充填型腔，圖6c,金屬液從內(nèi)澆道進入鑄型后，先填滿底層，然后液面再逐漸上升。并且在同樣的澆注工藝條件下，傳統(tǒng)空腔鑄造的充型速度更快，如圖6e,在10s時，金屬液基本充滿鑄型，而圖3e消失模鑄造需要62s的時間才可以充滿型腔。(a)0.4s(b)0.5sM71-SI1M.5(c)1s(d)4s直澆道底部A處節(jié)點號2438(e)10s圖6澆注壓力為1.1atm的空腔鑄造，澆注開始后不同時刻的充型形態(tài)Fig.6Thefillingstateofdifferenttimeofvacantcastingwhen1.1atmpouringpressure(a)消失模鑄造

21、充型速度與時間的關系(a)TherelationbetweenthefillingvelocityandtimeforEPC(b)傳統(tǒng)空腔鑄造充型速度與時間的關系(b)Therelationbetweenthefillingvelocityandtimeforvacantcasting圖7直澆道底部充型速度與時間的關系Fig.7Therelationbetweenthefillingvelocityandtime圖7為消失模鑄造和傳統(tǒng)空腔鑄造直澆道底部充型速度的變化曲線，從圖7a可以看出,此零件消失模鑄造充型過程中可分為三個不同階段，并且充型速度是呈現(xiàn)周期性交替變化。0到26s為第一階段，充型

22、的平均速度0.12m/s；26s到42s為第二階段，充型的平均速度0.46m/s；42s到62s為第三階段，充型的平均速度0.74m/s。結合圖3中的可視化結果可知，第一階段是澆注系統(tǒng)的充填階段；第二階段屬于金屬液沿水平方向充填鑄型階段；第三階段是金屬液沿垂直方向充填鑄型階段。由傳統(tǒng)空腔鑄造的模擬結果圖7b可知，其充型速度相對較大(0到10s的平均速度為5.17m/s)使得充型時間短，且充型速度是基本穩(wěn)定的。充型形態(tài)差異的具體原因是金屬液充型過程中，泡沫會迅速的熔解、氣化并在金屬液與泡沫之間形成氣隙，氣隙會使金屬液和泡沫的界面間壓力上升，從而改變了液態(tài)金屬在充型過程中的流動特性。同時泡沫氣化液

23、化退讓的空間讓液態(tài)金屬占領的置換過程是有代價的，那就是液態(tài)金屬必須付出足夠的熱量才得以進行，泡沫模型的退讓還要有個過程，就是泡沫吸收能量需要一定時間，導致消失模鑄造的充型速度較傳統(tǒng)空腔鑄造慢。總之，消失模鑄造的氣化過程造成了充型過程出現(xiàn)巨大阻力，也就是泡沫模型消失過程的阻力制約著整個充型過程。此外，在充型前期，金屬液開始充填澆注系統(tǒng)，未進入鑄型，界面前沿排氣面積小，泡沫氣化的氣體向外逃逸阻力大，則金屬液前進的阻力大，充型的平均速度??；而充型后期，金屬液大面積填充鑄型，界面前沿排氣面積大，泡沫氣化的氣體逃逸變得更加容易，金屬液前進的阻力小，導致充型的平均速度增加。此零件消失模鑄造充型速度存在周期

24、性交替變化的現(xiàn)象，其可能原因是消失模鑄造在充型的開始階段，在泡沫未氣化之前，金屬液未受到氣隙阻力影響，流動速度較大，當泡沫首先氣化時形成較大的氣隙，此時金屬液的流動速度超過泡沫模樣的熱解速度，氣隙間距減小，氣體向外界逃逸的面積變小，透氣性變差，使得氣隙阻力增加,金屬液的充型速度減小；而另一方面，氣隙的減小,增加了金屬液前沿向泡沫模樣換熱，泡沫模樣的分解速度開始大于已經(jīng)減小的金屬液充型速度,所以氣隙間距開始變大,，排氣面積增大，流動阻力減小,充型速度又開始變大。隨著充型的進行,金屬液流動速度又開始大于泡沫的熱解速度,氣隙間距又開始變小,同時金屬液前進的阻力大增,充型速度又開始變慢，如此往復循環(huán)，

25、直到氣隙厚度恰好能使消失模鑄造的退讓與液態(tài)金屬的前進保持平衡為止。因此，充型過程中氣隙間距的不斷變化，成了穩(wěn)定消失模鑄造的充型過程的重要因素。由于存在上述消失模鑄造充填特性，因此在消失模鑄造澆冒口以及澆注工藝設計時均需要采取與傳統(tǒng)空腔鑄造不同的措施。在設計消失模鑄造澆冒口設計方面，為了設計出合理的澆注系統(tǒng)，通常采用底澆方案。在設計澆注工藝方面，通常在澆注金屬液的同時，點燃四周從鑄型中逃逸出來的泡沫氣體，這樣可以增加鑄型負壓度，加快氣體逃逸，減少氣隙壓力變化輻度，從而使充型過程更加平穩(wěn)，保證充填的連續(xù)性與完整性，獲得優(yōu)質的鑄件。結論通過上述分析與討論，說明基于計算機模擬的消失模鑄造充填特性研究是

26、一種有效的研究方法，同時利用計算機可視化技術可以較好的觀察分析并揭示消失模鑄造的充型規(guī)律，其主要充型特性是：與傳統(tǒng)空腔鑄造金屬液-砂型雙介質不同，消失模鑄造充型過程受著金屬液-泡沫-砂型3個介質的相互影響與作用,金屬液與泡沫間存在氣隙，形成充型阻力,使得消失模鑄造充型過程和傳統(tǒng)空腔鑄造差別很大,并且其充型速度較傳統(tǒng)空腔鑄造要慢的多。消失模鑄造的充型過程中，因氣隙間距和氣體逃逸能力的不斷變化，可能導致了充型速度呈現(xiàn)周期性交替變化。其它結構的零件消失模鑄造充型過程中的充型速度是否也存在周期性交替變化，還需要進一步的實驗驗證。氣化間隙是消失模鑄造數(shù)值模擬的關鍵參數(shù)，同時也是影響其充填特性的關鍵參數(shù)。參考文