消失模铸造与普通铸造充型过程特点的数值模拟对比分析

1、收稿日期 :2006-01-24收到初稿 , 2006-04-07收到修订稿。作者简介 :俱英翠 (1980- , 女 , 河北无极县人 , 硕士研究生 , 主要从事铸造充型凝固过程的数值模拟技术研究。电话 俱英翠 1, 李日 1, 刘宏伟 1, 马军贤 1, 刘军利 1, 付宏江 2, 郑晋宝 2(1. 河北工业大学材料学院 , 天津市 300130; 2. 河北省迁安市海钺耐磨金属材料厂 , 河北迁安 064409摘要 :利用数值模拟技术 , 分析对比了四种铸件消失模铸造和普通空腔铸造充型过程的差异 , 以及流动进程中的温度场分布的差别。结果表明 , 消失模充

2、型顺序与普通空腔铸造充型顺序大为不同 , 消失模流动过程的热量损失较普通空腔铸造热量损失大得多。同时发现 , 在消失模铸件表面容易因残余泡沫而造成表面渣气孔 , 实际铸件的表面质量也证 明了这一点。针对消失模的这些特点提供了改进工艺的实例。关键词 :数值模拟 ; 消失模 ; 铸造 ; 充型过程中图分类号 :TG249.6-39; TG142.72文献标识码 :A文章编号 :1001-4977(2006 11-1158-04JU Ying-cui 1, LI Ri 1, LIU Hong-wei 1, MA Jun-xian 1, LIU Jun-li 1, FU Hong-jiang 2, Z

3、HENG Jin-bao 2(1.School of Materials Science Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2. Hebei Qianan Haiyue Wear Resistant Metal Factory, Qianan 064409, Hebei, China Abstract :By numerical simulation, the difference of filling process coupled with temperature field of EPC

4、and the common casting technology for 4kinds of castings was analyzed and compared, the simulation result showed that in EPC mold, the liquid filling order has great difference from that of in common mold. In the meantime, the heat lost through the filling way in EPC was also greater than that in co

5、mmon mold. In addition, imperfections like drag and gas holes were easy to turn out in the surface of EPC casting for imperfect technology design, and this was verified by the actual castings. And an example of improved process was provided for the features of EPC. Key words :numerical simulation; E

6、PC; foundry; filling process.消失模铸造与普通铸造充型过程特点的数值模拟对比分析The Analysis and Comparison of The Filling Process of EPCand Simple Cavity Foundry消 失 模 铸 造 被 铸 造 界 誉 为 “ 21世 纪 的 铸 造 新 技 术” 、 “ 铸造的绿色工程” 。消失模铸造工艺由于具有 铸件尺寸精度高、机械加工余量少、环境污染小、生 产适应性强等诸多优点 , 被认为是一项很有发展前景 的近净型加工技术和清洁生产技术 1。目前 , 我国消失 模铸造技术日趋成熟 , 研究单位和

7、应用厂家越来越多。 消失模铸造与其他铸造方法的显著差异在其充型过程 的特殊性 , 与普通空腔铸造技术相比 , 影响消失模充 型过程的工艺因素很多 , 这些因素之间的交互作用使 问题更加复杂 , 而铸造缺陷大多产生在充型过程中 2。本文利用 ProCAST 模拟软件 , 选 择四种铸件进行 消失模充型过程和普通空腔铸造充型过程的对比模拟 , 并结合实际浇注结果 , 总结了消失模铸造充型的工艺 特点 , 针对链轮提出改进工艺的方案。1各铸件主要参数设置及简单工艺分析研究的对象是河北省迁安市海钺耐磨金属材料厂实际生产的消失模铸件 , 如图 1所示 , 分别为甩子盘 (图 1a, 锤头 (图 1b ,

8、 链轮 (图 1c 和链节 (图 1d , 各 铸件主要参数与实际生产情况如表 1所列。模拟中各件 消失模铸造与普通空腔铸造采用相同的浇注系统 , 设计 采用消失模设计方法 , 均比空腔铸造的设计比例大 20%50%, 各铸件均为耐磨件 , 要求有足够的强度。Nov . 2006Vol.55No.11铸造FOUNDRY11582模拟过程对比与分析消失模铸造与普通空腔铸造的差别是浇注时型腔 被泡沫塑料模样占据 , 金属液的充型过程实际上是金 属液置换泡沫塑料模样的过程 , 这使消失模充型与普 通空腔铸造充型有很大的区别。从图 2甩子盘的模拟过 程明显看出 , 在消失模铸造充型过程中 , 充型前沿

9、与 模样间存在气隙层 , 其中的气体压力对金属液充型有 阻碍作用 , 而其本身对金属液充型有缓冲作用 , 导致 充型速度减慢。与图 3空腔铸造模拟图充型时间对比可以发现 , 在充型量基本相同的情况下 , 消失模充型时 间比空腔铸造要长 , 相应的充型速度要小。从图 4、 5的对比可以发现 , 消失模是逐步被金属液替代 , 最后 充满的位置是锤头的柄部 , 而图 5中空腔铸造是金属液 首先喷入型腔 , 然后靠重力作用 , 金属液首先到达锤 柄部位 , 最后充满的位置是锤头的两个圆形冒口。 在多浇道充型时 , 消失模铸造与空腔铸造的差别 更为明显。比较图 6、 7可以看到 , 金属液在消失模中 首

10、先在内浇道 1(见图 6a 充填 , 直到铸件内金属液将 要到达另一内浇道的高度时金属液才在内浇道 2(见图 6c 充填。空腔铸造是金属液快速充填横浇道直到碰 到横浇道端部 2时 (见图 7a , 首先进入内浇道 2, 图 7a 中区域 2中可以看出内浇道 2内冲入的金属液比内浇道 1内的稍多。图 6b 的模拟结果表明 , 铸件表面还存在不 能被迅速气化的泡沫塑料模样 , 铸件凝固后 , 这些位 置很可能产生气孔、粘砂等缺陷 , 导致铸件表面质量 降低。如图 8链轮实际产品图其表面存在严重的粘砂问 题 , 并且存在许多侵入性气孔。比较图 9a 、 10a, 能够看出 , 链节的充型也同样是金

11、属液进入内浇道的先后顺序不同 :消失模铸造中金属 液先进入上面的内浇道 , 空腔铸造中金属液先进入底 部的内浇道。综合四个件消失模充型的特点为 :金属 液首先充入离直浇道较近的内浇道 , 与普通空腔充型 正好相反。表 1各铸件主要参数Table 1The main parameter of all castings铸件 名称 甩子盘 锤头 链轮 链节 模样材料EPSEPSEPSEPS铸件材料ZGMn13ZGMn13中碳高铬钢ZG35浇注温度 /1420142014801620液相线 /1367136713981480浇道比 (内 横 直 1 1.1 1.15 1 1.1 1.152 1 1.1

12、 1.15 1 1.1 1.154铸造 俱英翠等 : 消失模铸造与普通铸造充型过程特点的数值模拟对比分析 1159消失模充型的另一大特点是由于泡沫塑料熔化需 要吸收热量 , 所以充型过程中金属液前沿会有很大热 量损失。通过图 9b 温标表显示温度情况 , 出现温度较 高的高温区和稍低的低温区 , 在充型过程中 , 金属液 前沿温度变化很大 , 充型前沿的热损失也比空腔铸造 大得多。若没有足够高的浇注温度 , 可能出现未浇完 前沿金属液已经凝固的现象 , 很难保证充型的顺利进 行。因此必须保证有足够高的浇注温度。图 10所示为 同样空腔铸造充型过程 , 可以看到与消失模相比 , 温 度损失基本没

13、有。3工艺改进通过以上模拟分析可以看出在消失模铸造中泡沫塑料模样的分解会降低金属液充型前沿的温度。充型 导致充型速度减慢 , 充型时沿程热损失增加。同时工 艺及浇注初始条件设置不当会使充型中产生大量泡沫 塑料残渣 , 这些特性极大地降低了消失模铸造整体质 量。所以生产工艺参数的优化、铸件质量的提高都依 赖于对工艺因素的分析和理解。根据上述分析 本 文 针 对 链 轮 原 工 艺 进 行 了 改 进 :增加静压头 , 并将原浇注系统改为底注式 (见图 11 。 工艺改进后的模拟过程及结果如图 12、 13b 所示。由图12可见 , 新工艺使泡沫塑料分解残渣及气体可从两个冒口中溢出 (见图 12b

14、 , 原工艺只能从一个冒口溢出FOUNDRY Nov. 2006Vol.55No.111160(见图 6d , 从而减少泡沫塑料残渣。模拟结果只有少 量 缩 松 (见 图 13b , 较 原 工 艺 缩 松 量 小 很 多 (见 图 13a , 满足使用性能。改进工艺后的实际产品如图 14所示。其表面质量明显比原工艺要好。4结论(1 数值模拟表明 , 同样铸 件的消失模铸造充型 过程和普通空腔铸造充型顺序差别很大 , 同时 , 消失 模充型时流动前沿的能量损失较空腔铸造流动前沿能 量损失大得多 , 因此 , 在设计消失模浇注系统时必须 考虑这些差别。(2 如果浇注系统或浇注 温度、浇注速度控制不 当 , 在消失模表面存在充型时不能迅速汽化的泡沫塑 料残渣 , 会造成铸件表面渣孔气孔等缺陷 , 所以应当 调整好上述工艺参数。(3 消失模铸造与普通空 腔铸造有很大差别 , 影 响因素很多 , 如浇注温度、泡沫塑料模样、涂料、真 空度、金属静压头、浇注系统等。这些因素之间的交 互作用使得