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

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Ｎｏｖ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．１１

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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
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 ３００

１３０ ； 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－ ０４ ）

Ｔｈｅ Ａｎａ ｌｙｓ ｉｓ ａ ｎｄ Ｃｏｍｐａ ｒｉｓ ｏｎ ｏｆ Ｔｈｅ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｐ ｒｏｃｅ ｓ ｓ ｏｆ ＥＰ Ｃ ａ ｎｄ Ｓ ｉｍｐｌｅ Ｃａ ｖｉｔｙ Ｆｏｕｎｄｒｙ
Ｊ Ｕ Ｙｉｎｇ－ｃｕｉ１， ＬＩ Ｒｉ１， ＬＩＵ Ｈｏｎｇ－ｗｅ ｉ１， ＭＡ Ｊ ｕｎ－ｘｉａ ｎ １， ＬＩＵ Ｊ ｕｎ－ｌｉ１， ＦＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉａ ｎｇ ２， ＺＨＥＮＧ Ｊ ｉｎ－ｂａ ｏ ２ （１．Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｈｅ ｂｅ ｉ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａ ｎｊｉｎ ３００１３０， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｈｅ ｂｅ ｉ Ｑｉａ ｎ＇ａ ｎ Ｈａ ｉｙｕｅ Ｗｅ ａ ｒ Ｒｅ ｓ ｉｓ ｔａ ｎｔ Ｍｅ ｔａ ｌ Ｆａ ｃｔｏｒｙ， Ｑｉａ ｎ＇ａ ｎ ０６４４０９， Ｈｅ ｂｅ ｉ， Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ ： Ｂｙ ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｉｆｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｃｏｕｐｌｅ ｄ ｗｉｔｈ ｔｅ ｍｐｅ ｒａ ｔｕｒｅ ｆｉｅ ｌｄ ｏｆ ＥＰ Ｃ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ４ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃａ ｓ ｔｉｎｇｓ ｗａ ｓ ａ ｎａ ｌｙｚｅ ｄ ａ ｎｄ ｃｏｍｐａ ｒｅ ｄ， ｔｈｅ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ｒｅ ｓ ｕｌｔ ｓ ｈｏｗｅ ｄ ｔｈａ ｔ ｉｎ ＥＰ Ｃ ｍｏｌｄ， ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｏｒｄｅ ｒ ｈａ ｓ ｇｒｅ ａ ｔ ｄｉｆｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈａ ｔ ｏｆ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｌｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｍｅ ａ ｎｔｉｍｅ ， ｔｈｅ ｈｅ ａ ｔ ｌｏｓ ｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｗａ ｙ ｉｎ ＥＰ Ｃ ｗａ ｓ ａ ｌｓ ｏ ｇｒｅ ａ ｔｅ ｒ ｔｈａ ｎ ｔｈａ ｔ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｌｄ． Ｉｎ ａ ｄｄｉｔｉｏｎ， ｉｍｐｅ ｒｆｅ ｃｔｉｏｎｓ ｌｉｋｅ ｄｒａ ｇ ａ ｎｄ ｇａ ｓ ｈｏｌｅ ｓ ｗｅ ｒｅ ｅ ａ ｓ ｙ ｔｏ ｔｕｒｎ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓ ｕｒｆａ ｃｅ ｏｆ ＥＰ Ｃ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｅ ｒｆｅ ｃｔ ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅ ｓ ｉｇｎ， ａ ｎｄ ｔｈｉｓ ｗａ ｓ ｖｅ ｒｉｆｉｅ ｄ ｂｙ ｔｈｅ ａ ｃｔｕａ ｌ ｃａ ｓ ｔｉｎｇｓ ． Ａｎｄ ａ ｎ ｅ ｘａ ｍｐｌｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｗａ ｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｅ ａ ｔｕｒｅ ｓ ｏｆ ＥＰ Ｃ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ； ＥＰ Ｃ； ｆｏｕｎｄｒｙ； ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ．
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 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 ， 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。

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： ０２２－２６５６４７０１ ，，

Ｅ－ｍａｉｌ ： ｊｕｙｉｎｇｃｕｉ＠ｅｙｏｕ．ｃｏｍ

铸造
表１

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

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各铸件主要参数

Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｏｆ ａｌｌ ｃａｓｔｉｎｇｓ
铸件 名称 甩子盘 锤头 链轮 链节 模样 材料 铸件材料 浇注温度 ／℃ 液相线 ／℃ 浇道比 （ 内∶ ∶ 横 直）

ＥＰＳ ＥＰＳ ＥＰＳ

ＺＧＭｎ１３ ＺＧＭｎ１３ ＺＧ３５

１ ４２０ １ ４２０ １ ４８０ １ ６２０

１ ３６７ １ ３６７ １ ３９８ １ ４８０

１∶ １．１５ １．１∶ １∶ １．１５× １．１∶ ２ １∶ １．１５ １．１∶ １．１∶ ４ １∶ １．１５×

ＥＰＳ 中碳高铬钢

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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 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 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。

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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 ， 原工艺只 能 从 一 个 冒 口 溢 出 ）

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 前沿与模样间存在的气隙层对金属液充型有缓冲作用，

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（ 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。

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 互作用使得消失模铸造工艺较普通空腔铸造工艺复杂。 计算机模拟充型过程是很有效的研究方法。
参考文献：
［１］ ［２］
肖 泽 辉 ， 罗 吉 荣 ． 消 失 模 铸 造 在 中 国 的 应 用 及 其 发 展 ［Ｊ］． 铸 造 技 术， ２００３ ， （ ３ ： １６８－ １６９． ）

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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

李 增 民 ， 李 志 勇 ． 消 失 模 铸 造 的 关 键 技 术 ［Ｊ］． 铸 造 技 术 ， ２００２ ， （ ３ ： １５５－ １５８． ）

（ 编辑： 郭桂林， ｇｕｏｇｌ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ ）



  本文关键词：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，由笔耕文化传播整理发布。