消失模鑄造與普通鑄造充型過程特點(diǎn)的數(shù)值模擬對(duì)比分析

1、收稿日期 :2006-01-24收到初稿 , 2006-04-07收到修訂稿。作者簡(jiǎn)介 :俱英翠 (1980- , 女 , 河北無(wú)極縣人 , 碩士研究生 , 主要從事鑄造充型凝固過程的數(shù)值模擬技術(shù)研究。電話 俱英翠 1, 李日 1, 劉宏偉 1, 馬軍賢 1, 劉軍利 1, 付宏江 2, 鄭晉寶 2(1. 河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 , 天津市 300130; 2. 河北省遷安市海鉞耐磨金屬材料廠 , 河北遷安 064409摘要 :利用數(shù)值模擬技術(shù) , 分析對(duì)比了四種鑄件消失模鑄造和普通空腔鑄造充型過程的差異 , 以及流動(dòng)進(jìn)程中的溫度場(chǎng)分布的差別。結(jié)果表明 , 消失模充

2、型順序與普通空腔鑄造充型順序大為不同 , 消失模流動(dòng)過程的熱量損失較普通空腔鑄造熱量損失大得多。同時(shí)發(fā)現(xiàn) , 在消失模鑄件表面容易因殘余泡沫而造成表面渣氣孔 , 實(shí)際鑄件的表面質(zhì)量也證 明了這一點(diǎn)。針對(duì)消失模的這些特點(diǎn)提供了改進(jìn)工藝的實(shí)例。關(guān)鍵詞 :數(shù)值模擬 ; 消失模 ; 鑄造 ; 充型過程中圖分類號(hào) :TG249.6-39; TG142.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :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 Qian'an Haiyue Wear Resistant Metal Factory, Qian'an 064409, Hebei, China Abstract :By numerical simulation, the difference of filling process coupled with temperature fie

4、ld of EPC 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

5、that in common 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 sim

6、ulation; EPC; foundry; filling process.消失模鑄造與普通鑄造充型過程特點(diǎn)的數(shù)值模擬對(duì)比分析The Analysis and Comparison of The Filling Process of EPCand Simple Cavity Foundry消 失 模 鑄 造 被 鑄 造 界 譽(yù) 為 “ 21世 紀(jì) 的 鑄 造 新 技 術(shù)” 、 “ 鑄造的綠色工程” 。消失模鑄造工藝由于具有 鑄件尺寸精度高、機(jī)械加工余量少、環(huán)境污染小、生 產(chǎn)適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn) , 被認(rèn)為是一項(xiàng)很有發(fā)展前景 的近凈型加工技術(shù)和清潔生產(chǎn)技術(shù) 1。目前 , 我國(guó)消失 模鑄造技術(shù)日趨

7、成熟 , 研究單位和應(yīng)用廠家越來(lái)越多。 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 , 與普通空腔鑄造技術(shù)相比 , 影響消失模充 型過程的工藝因素很多 , 這些因素之間的交互作用使 問題更加復(fù)雜 , 而鑄造缺陷大多產(chǎn)生在充型過程中 2。本文利用 ProCAST 模擬軟件 , 選 擇四種鑄件進(jìn)行 消失模充型過程和普通空腔鑄造充型過程的對(duì)比模擬 , 并結(jié)合實(shí)際澆注結(jié)果 , 總結(jié)了消失模鑄造充型的工藝 特點(diǎn) , 針對(duì)鏈輪提出改進(jìn)工藝的方案。1各鑄件主要參數(shù)設(shè)置及簡(jiǎn)單工藝分析研究的對(duì)象是河北省遷安市海鉞耐磨金屬材料廠實(shí)際生產(chǎn)的消失模鑄件 , 如圖 1所示 , 分別為甩子盤 (圖 1a,

8、錘頭 (圖 1b , 鏈輪 (圖 1c 和鏈節(jié) (圖 1d , 各 鑄件主要參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)情況如表 1所列。模擬中各件 消失模鑄造與普通空腔鑄造采用相同的澆注系統(tǒng) , 設(shè)計(jì) 采用消失模設(shè)計(jì)方法 , 均比空腔鑄造的設(shè)計(jì)比例大 20%50%, 各鑄件均為耐磨件 , 要求有足夠的強(qiáng)度。Nov . 2006Vol.55No.11鑄造FOUNDRY11582模擬過程對(duì)比與分析消失模鑄造與普通空腔鑄造的差別是澆注時(shí)型腔 被泡沫塑料模樣占據(jù) , 金屬液的充型過程實(shí)際上是金 屬液置換泡沫塑料模樣的過程 , 這使消失模充型與普 通空腔鑄造充型有很大的區(qū)別。從圖 2甩子盤的模擬過 程明顯看出 , 在消失模鑄造充型

9、過程中 , 充型前沿與 模樣間存在氣隙層 , 其中的氣體壓力對(duì)金屬液充型有 阻礙作用 , 而其本身對(duì)金屬液充型有緩沖作用 , 導(dǎo)致 充型速度減慢。與圖 3空腔鑄造模擬圖充型時(shí)間對(duì)比可以發(fā)現(xiàn) , 在充型量基本相同的情況下 , 消失模充型時(shí) 間比空腔鑄造要長(zhǎng) , 相應(yīng)的充型速度要小。從圖 4、 5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn) , 消失模是逐步被金屬液替代 , 最后 充滿的位置是錘頭的柄部 , 而圖 5中空腔鑄造是金屬液 首先噴入型腔 , 然后靠重力作用 , 金屬液首先到達(dá)錘 柄部位 , 最后充滿的位置是錘頭的兩個(gè)圓形冒口。 在多澆道充型時(shí) , 消失模鑄造與空腔鑄造的差別 更為明顯。比較圖 6、 7可以看到 ,

10、金屬液在消失模中 首先在內(nèi)澆道 1(見圖 6a 充填 , 直到鑄件內(nèi)金屬液將 要到達(dá)另一內(nèi)澆道的高度時(shí)金屬液才在內(nèi)澆道 2(見圖 6c 充填?？涨昏T造是金屬液快速充填橫澆道直到碰 到橫澆道端部 2時(shí) (見圖 7a , 首先進(jìn)入內(nèi)澆道 2, 圖 7a 中區(qū)域 2中可以看出內(nèi)澆道 2內(nèi)沖入的金屬液比內(nèi)澆道 1內(nèi)的稍多。圖 6b 的模擬結(jié)果表明 , 鑄件表面還存在不 能被迅速氣化的泡沫塑料模樣 , 鑄件凝固后 , 這些位 置很可能產(chǎn)生氣孔、粘砂等缺陷 , 導(dǎo)致鑄件表面質(zhì)量 降低。如圖 8鏈輪實(shí)際產(chǎn)品圖其表面存在嚴(yán)重的粘砂問 題 , 并且存在許多侵入性氣孔。比較圖 9a 、 10a, 能夠看出 , 鏈

11、節(jié)的充型也同樣是金 屬液進(jìn)入內(nèi)澆道的先后順序不同 :消失模鑄造中金屬 液先進(jìn)入上面的內(nèi)澆道 , 空腔鑄造中金屬液先進(jìn)入底 部的內(nèi)澆道。綜合四個(gè)件消失模充型的特點(diǎn)為 :金屬 液首先充入離直澆道較近的內(nèi)澆道 , 與普通空腔充型 正好相反。表 1各鑄件主要參數(shù)Table 1The main parameter of all castings鑄件 名稱 甩子盤 錘頭 鏈輪 鏈節(jié) 模樣材料EPSEPSEPSEPS鑄件材料ZGMn13ZGMn13中碳高鉻鋼ZG35澆注溫度 /1420142014801620液相線 /1367136713981480澆道比 (內(nèi) 橫 直 1 1.1 1.15 1 1.1 1

12、.15×2 1 1.1 1.15 1 1.1 1.15×4鑄造 俱英翠等 : 消失模鑄造與普通鑄造充型過程特點(diǎn)的數(shù)值模擬對(duì)比分析 1159消失模充型的另一大特點(diǎn)是由于泡沫塑料熔化需 要吸收熱量 , 所以充型過程中金屬液前沿會(huì)有很大熱 量損失。通過圖 9b 溫標(biāo)表顯示溫度情況 , 出現(xiàn)溫度較 高的高溫區(qū)和稍低的低溫區(qū) , 在充型過程中 , 金屬液 前沿溫度變化很大 , 充型前沿的熱損失也比空腔鑄造 大得多。若沒有足夠高的澆注溫度 , 可能出現(xiàn)未澆完 前沿金屬液已經(jīng)凝固的現(xiàn)象 , 很難保證充型的順利進(jìn) 行。因此必須保證有足夠高的澆注溫度。圖 10所示為 同樣空腔鑄造充型過程 ,

13、 可以看到與消失模相比 , 溫 度損失基本沒有。3工藝改進(jìn)通過以上模擬分析可以看出在消失模鑄造中泡沫塑料模樣的分解會(huì)降低金屬液充型前沿的溫度。充型 導(dǎo)致充型速度減慢 , 充型時(shí)沿程熱損失增加。同時(shí)工 藝及澆注初始條件設(shè)置不當(dāng)會(huì)使充型中產(chǎn)生大量泡沫 塑料殘?jiān)?, 這些特性極大地降低了消失模鑄造整體質(zhì) 量。所以生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化、鑄件質(zhì)量的提高都依 賴于對(duì)工藝因素的分析和理解。根據(jù)上述分析 本 文 針 對(duì) 鏈 輪 原 工 藝 進(jìn) 行 了 改 進(jìn) :增加靜壓頭 , 并將原澆注系統(tǒng)改為底注式 (見圖 11 。 工藝改進(jìn)后的模擬過程及結(jié)果如圖 12、 13b 所示。由圖12可見 , 新工藝使泡沫塑料分解

14、殘?jiān)皻怏w可從兩個(gè)冒口中溢出 (見圖 12b , 原工藝只能從一個(gè)冒口溢出FOUNDRY Nov. 2006Vol.55No.111160(見圖 6d , 從而減少泡沫塑料殘?jiān)?。模擬結(jié)果只有少 量 縮 松 (見 圖 13b , 較 原 工 藝 縮 松 量 小 很 多 (見 圖 13a , 滿足使用性能。改進(jìn)工藝后的實(shí)際產(chǎn)品如圖 14所示。其表面質(zhì)量明顯比原工藝要好。4結(jié)論(1 數(shù)值模擬表明 , 同樣鑄 件的消失模鑄造充型 過程和普通空腔鑄造充型順序差別很大 , 同時(shí) , 消失 模充型時(shí)流動(dòng)前沿的能量損失較空腔鑄造流動(dòng)前沿能 量損失大得多 , 因此 , 在設(shè)計(jì)消失模澆注系統(tǒng)時(shí)必須 考慮這些差別。(2 如果澆注系統(tǒng)或澆注 溫度、澆注速度控制不 當(dāng) , 在消失模表面存在充型時(shí)不能迅速汽化的泡沫塑 料殘?jiān)?, 會(huì)造成鑄件表面渣孔氣孔等缺陷 , 所以應(yīng)當(dāng) 調(diào)整好上述工藝參數(shù)。(3 消失模鑄造與普通空 腔鑄造有很大差別 , 影 響因素很多 , 如澆注溫度、泡沫塑料模樣、涂料、真 空度、金屬靜壓頭、澆注系統(tǒng)等。這些因素之間的交 互作用使