消失模铸造充型过程数值模拟

1、 基于计算机模拟的消失模铸造充填特性研究张立强1,2，卢远志1，张楚惠3，刘金水1,2(1.湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室，湖南长沙，4100822.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙，4100823.湖南基特制造有限公司，湖南湘阴，410502)摘要：通过计算机仿真软件ProCAST对某公司车身覆盖件修边冲孔模上模座的消失模铸造充型过程进行数值模拟，研究了消失模铸造的充填特性，并对比分析了消失模铸造和传统空腔铸造充型过程的差异。模拟结果表明：消失模铸造存在着与传统空腔铸造截然不同的充型过程，由于泡沫介质的存在，使金属液充型受阻，充型时间长，并且充型速度呈现周期性交替变化。关键

2、词：消失模铸造；数值模拟；充填特性；充型速度中图分类号：TG249.6文献标识码：A文章编号：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引言消失模铸造工艺由于其具有铸件尺寸精度高、机械加工余量少、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，并被铸造界誉为“21世纪的铸造新技术”。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13。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，金属液在充型过程中包含着复杂的物理化学现象,包括热量传输、充型流动、化学反应、冷却凝固等。这些现象耦合在一起，并相互影响,使得金属液的充型

6、过程更加复杂，最终影响到铸件质量，同时，掌握消失模铸造型内液态金属的充填特性还关系到浇注系统的设计及充满或不充满等重要问题的确定45。在实际生产过程中，由于铸件结构上的差异和具体生产条件的限制，同时铸造过程又是一个在完全封闭的型腔内完成的生产过程，因此很难通过观察或物理试验来研究消失模铸造的充填特性，而结合计算机模拟的消失模铸造过程研究是一种高效的分析方法，有助于揭示其充型过程的流动规律，发现充填中的不足，为改善铸造工艺设计，提高铸件质量提供一个可靠、快捷的分析手段69。基于此，本文作者结合某公司车身覆盖件修边冲孔模上模座铸件的实际生产，通过计算机仿真技术，对消失模铸造充型过程进行了数值模拟，

7、并对比分析了消失模铸造和传统空腔铸造充型过程的差异，研究了消失模铸造的充填特性。第一作者简介：张立强，男，1978年出生，硕士研究生，湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙(410082)，电话：013337315361,E-mail： HYPERLINK mailto: 充填过程的计算机模拟相片1是某公司车身覆盖件修边冲孔模上模座的实际消失模铸件，材料为HT300,重1.09吨。铸件尺寸为长1870mm，宽750mm，高350mm，主要壁厚35mm。铸件要求内部组织致密，表面3-5mm以下无裂纹、气孔、缩松等铸造缺陷。本文根据实际生产的铸造工艺，对该铸件进行了数值模拟试验。计算机模拟包括三个基

8、本步骤：首先利用CAD软件建立包括浇冒口系统的三维几何模型，再通过parasolid格式的中间文件将其导入计算机模拟软件；其次对三维几何模型进行必要的前处理建立有限元模型，包括几何模型简化、网格剖分、计算参数设置等处理；最后利用软件进行数值模拟计算和结果分析。相片1实际消失模铸造铸件Photo1ThepracticalEPCcasting铸件几何模型利用三维CAD软件在零件几何模型的基础上，根据车身覆盖件修边冲孔模上模座的结构特点、消失模铸造方法的特殊性、以及实际生产中的铸造工艺参数（见表1）。添加了铸造工艺特征，包括铸型、浇铸位置、浇注系统等。为了保证后续网格剖分的质量和数值计算的精度，需要

9、对上述三维几何模型做适当的简化处理。表1铸造工艺参数Table1Technologicparametersofpouring直浇道横浇道内浇口暗冒口明冒口浇注方式截面积截面积截面积截面积/数量截面积/数量(cm2)(cm2)(cm2)(cm2/个)(cm2/个)28362110/612/8底浇注有限元模型网格剖分根据数值计算原理和计算机性能要求,为了得到精确的模拟结果和减少计算量，有限元模型采用非均匀四面体网格对几何模型进行网格剖分，即浇道和铸件采用较小的网格尺寸进行剖分,而砂箱则采用较大的网格尺寸进行剖分。如图2所示计算所采用的有限元网格规模为：单元总数为1045847，节点总数为20718

10、6。图2铸件与铸型的网格剖分Fig.2Meshgenerationofcastingandmould计算参数有限元模型中计算参数是根据生产实际进行设定的，主要包括材料参数和浇注工艺参数等。消失模铸造区别于其他铸造方法的是，它包括金属泡沫-铸型三类介质材料。铸件材料为HT300,泡沫材料选择EPS（聚苯乙烯），铸型材料为树脂砂，拥有很好的透气性。材料的热物性参数如表2所示。表中合金密度、潜热与热导率都是随温度变化的，比热数值指0100C范围内。浇注工艺参数包括浇注温度1400C和浇注压力l.latm。作为数值计算的边界条件主要为不同介质之间的热交换系数，包括泡沫和砂型间的热交换系数为100w/m

11、2k，金属和砂型间的热交换系数为500w/m2.k。表2合金及泡沫材料的热物性参数Table2ThermalandphysicalparametersofalloyandEPS材料密度/kgm-3比热/kJ(kgk)-1潜热/kJkg-1热导率/w(mk)-1固相温度/k液相温度/k铸件(HT300)(6.37.4)xl00.53260145823.636.414061522EPS（聚苯乙烯）253.71000.035603623模拟结果数值模拟是在高性能微机工作站上利用专用的消失模铸造分析软件完成的，计算时间平均为58小时，消失模铸造的充填过程计算结果见图3。图3a罔3e是消失模铸造不同时刻

12、的充型形态，从图3a为15s时的充型状态，可以看出金属液从最先流经的内浇道中进入，之后在内浇口与横浇道基本保持同步填充。从图3b与c为32s时的充型状态，当金属液流经内浇口1与内浇口2进入铸型时，充型速度明显增加，而横浇道内的金属液充型速度相对缓慢，并且进入铸型后的金属液在填充底层的同时液面逐渐上升，图3d是也说明了这种充型形态。图3e表示62s时金属液完全充满型腔。图4为消失模铸造直浇道处金属液在不同时刻的充型速度矢量图，消失模铸造充型过程中，充型速度是不断变化的，图a,c,e中的充型速度相对较大，而图b,d,f中的充型速度则相对较小，呈现出周期性交替现象。(a)15s(b)32s(c)32

13、s(截面)(d)49s直浇道底部A处节点号592(e)62s图3浇注压力为1.1atm的消失模铸造，浇注开始后不同时刻的充型形态(a)4s(b)11s(c)17sFig.3ThefillingstateofdifferenttimeofEPCwhen1.1atmpouringpressure(d)23s(e)25s(f)26s图4浇注压力为1.1atm的消失模铸造，不同时刻的充型速度变化情况Fig.4ThevariationoffillingvelocityofdifferenttimeofEPCwhen1.1atmpouringpressure消失模铸造充填特性研究实际铸件的模拟结果表明，在

14、同样的浇注工艺条件下，消失模铸造充型过程因为受到金属液-泡沫-砂型3个介质的相互影响与作用，与传统空腔铸造金属液-砂型双介质充型顺序与充型速度差别很大。下面对其充填特性进行讨论分析。3.1充型过程的理论基础与传统空腔铸造不同的是，消失模铸造的充填过程是一个包含泡沫气化过程的流场和温度场相互耦合的数学物理过程，因此其本构关系包括分别包括流场、温度场以及气化模型三个部分，下面分别加以描述。3.1.1流场本构关系在铸件充型过程数值模拟中，将液态金属看作不可压缩流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，数学形式为连续性方程和Navier-Stokes方程(简称N-S方程)。连续性方程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为散度；u,v,w为速度矢量在x,y,z方向上的分量；式中，p为金属液的密度，t为充型时间，p为流体内部压力；Y为运动粘度；Fx，Fy,Fz为单位质量力在三个坐标轴x、y、z的分量；V2=d2/dx2+d2/dy2+d2/dz2为拉普拉斯算子。温度场本构关系流体在运动过程中，温度场的计算遵循能量守恒定律，在直角坐标系下其本构方程为p

16、c+pcu+v+wdtdxdydz=kV2TS3)式(3)中，T为温度，t为时间，S为潜热项，k为热传导率，V2=d2/dx2+d2/dy2+d2/dz2为拉普拉斯算子。3.2气化模型3.2.1气化过程的物理模型消失模铸造是金属液-泡沫-砂型3介质相互影响与作用的结果,由于存在着泡沫气化阻力的影响作用，其气化模型可用图5表示。根据这个模型可以看出，高温液态金属使泡沫迅速熔解气化从而在液态金属与泡沫模样之间形成气隙，气隙里存在着三个不断变化的相(泡沫固体颗粒、液体泡沫与泡沫气体)，并且由于金属液与泡沫模样的热交换，气隙里同时发生着大量的传热与化学反应。泡沫模样图5泡沫气化过程示意图Fig.5Sc

17、hematicofthefoamdegradationprocess11气化过程的数学模型图5中的气隙内部包括两部分气体，一部分是充型过程中退化泡沫气化的气体，一部分是气隙内部分气体逃逸后剩余的气体，它们分别满足理想气体状态方程PV=RGT，故有TOC o 1-5 h zPV=RGT(4)11PV二RGT(5)22式(4)中，P为退化泡沫气化后形成的气体压力(Pa)；V为气隙的体积血)，实验测定为(44.5)V(V11metalmetal为每个时间步长所流入的金属液体积)10r为气体常数(m/k)，为29.18m/k；G为泡沫气化后气体1重量(N),根据质量守恒定律，它等于退化的泡沫重量；T为

18、气隙实际温度(k),近似等于液态金属温度。式(5)中，P为气隙内部分气体逃逸后剩余的气体压力；G为剩余的气体重量。22为了求出式(5)中的G，根据气体层流时的公式(6),2需要计算逃逸的质量流量q。2q二Pgapp0卩真rR气6)TOC o 1-5 h z式(6)中，p为气隙处的绝对压力(Pa)；p为大气压力(Pa)；p为砂型中的真空度(Pa)；R为气隙四gap0真周涂层的气阻(Ns/m5)；7气隙处气体的重度(N/md“/rt2或p/rt，当压力较低的真空状态时，用前面的式子计算r气当大气压或差压铸造时用后面的式子计算；。外假设瞬时气体温度与体积气恒定，根据道尔顿气体分压定律，有气P二P+P

19、(7)gap12气化区充型压力的计算消失模铸造充型过程受到气隙压力p的影响，所以气化区实际充型压力P需要修正为gap实P实二P充-P实充gap式(8)中，是P金属液的充型压力；P是气化区实际充型压力。实际充型压力得到修正后，得到新的充充实型速度，因此随着P的变化，充型速度将不断的发生改变。gap消失模铸造充填特性分析由消失模铸造充型过程流场与温度场耦合的本构关系和气化模型可知，消失模铸造充型过程中由于受到气隙压力的影响，使得充型速度减慢，同时，充型速度不断发生变化。为了更好的研究消失模铸造充型特性，对传统空腔铸造的充型过程进行了数值模拟，其模拟结果如图6。从图6a与b,传统空腔铸造过程中，金属

20、液先充满横浇道后，再经多个内浇口同时充填型腔，图6c,金属液从内浇道进入铸型后，先填满底层，然后液面再逐渐上升。并且在同样的浇注工艺条件下，传统空腔铸造的充型速度更快，如图6e,在10s时，金属液基本充满铸型，而图3e消失模铸造需要62s的时间才可以充满型腔。(a)0.4s(b)0.5sM71-SI1M.5(c)1s(d)4s直浇道底部A处节点号2438(e)10s图6浇注压力为1.1atm的空腔铸造，浇注开始后不同时刻的充型形态Fig.6Thefillingstateofdifferenttimeofvacantcastingwhen1.1atmpouringpressure(a)消失模铸造

21、充型速度与时间的关系(a)TherelationbetweenthefillingvelocityandtimeforEPC(b)传统空腔铸造充型速度与时间的关系(b)Therelationbetweenthefillingvelocityandtimeforvacantcasting图7直浇道底部充型速度与时间的关系Fig.7Therelationbetweenthefillingvelocityandtime图7为消失模铸造和传统空腔铸造直浇道底部充型速度的变化曲线，从图7a可以看出,此零件消失模铸造充型过程中可分为三个不同阶段，并且充型速度是呈现周期性交替变化。0到26s为第一阶段，充型

22、的平均速度0.12m/s；26s到42s为第二阶段，充型的平均速度0.46m/s；42s到62s为第三阶段，充型的平均速度0.74m/s。结合图3中的可视化结果可知，第一阶段是浇注系统的充填阶段；第二阶段属于金属液沿水平方向充填铸型阶段；第三阶段是金属液沿垂直方向充填铸型阶段。由传统空腔铸造的模拟结果图7b可知，其充型速度相对较大(0到10s的平均速度为5.17m/s)使得充型时间短，且充型速度是基本稳定的。充型形态差异的具体原因是金属液充型过程中，泡沫会迅速的熔解、气化并在金属液与泡沫之间形成气隙，气隙会使金属液和泡沫的界面间压力上升，从而改变了液态金属在充型过程中的流动特性。同时泡沫气化液

23、化退让的空间让液态金属占领的置换过程是有代价的，那就是液态金属必须付出足够的热量才得以进行，泡沫模型的退让还要有个过程，就是泡沫吸收能量需要一定时间，导致消失模铸造的充型速度较传统空腔铸造慢。总之，消失模铸造的气化过程造成了充型过程出现巨大阻力，也就是泡沫模型消失过程的阻力制约着整个充型过程。此外，在充型前期，金属液开始充填浇注系统，未进入铸型，界面前沿排气面积小，泡沫气化的气体向外逃逸阻力大，则金属液前进的阻力大，充型的平均速度小；而充型后期，金属液大面积填充铸型，界面前沿排气面积大，泡沫气化的气体逃逸变得更加容易，金属液前进的阻力小，导致充型的平均速度增加。此零件消失模铸造充型速度存在周期

24、性交替变化的现象，其可能原因是消失模铸造在充型的开始阶段，在泡沫未气化之前，金属液未受到气隙阻力影响，流动速度较大，当泡沫首先气化时形成较大的气隙，此时金属液的流动速度超过泡沫模样的热解速度，气隙间距减小，气体向外界逃逸的面积变小，透气性变差，使得气隙阻力增加,金属液的充型速度减小；而另一方面，气隙的减小,增加了金属液前沿向泡沫模样换热，泡沫模样的分解速度开始大于已经减小的金属液充型速度,所以气隙间距开始变大,，排气面积增大，流动阻力减小,充型速度又开始变大。随着充型的进行,金属液流动速度又开始大于泡沫的热解速度,气隙间距又开始变小,同时金属液前进的阻力大增,充型速度又开始变慢，如此往复循环，

25、直到气隙厚度恰好能使消失模铸造的退让与液态金属的前进保持平衡为止。因此，充型过程中气隙间距的不断变化，成了稳定消失模铸造的充型过程的重要因素。由于存在上述消失模铸造充填特性，因此在消失模铸造浇冒口以及浇注工艺设计时均需要采取与传统空腔铸造不同的措施。在设计消失模铸造浇冒口设计方面，为了设计出合理的浇注系统，通常采用底浇方案。在设计浇注工艺方面，通常在浇注金属液的同时，点燃四周从铸型中逃逸出来的泡沫气体，这样可以增加铸型负压度，加快气体逃逸，减少气隙压力变化辐度，从而使充型过程更加平稳，保证充填的连续性与完整性，获得优质的铸件。结论通过上述分析与讨论，说明基于计算机模拟的消失模铸造充填特性研究是

26、一种有效的研究方法，同时利用计算机可视化技术可以较好的观察分析并揭示消失模铸造的充型规律，其主要充型特性是：与传统空腔铸造金属液-砂型双介质不同，消失模铸造充型过程受着金属液-泡沫-砂型3个介质的相互影响与作用,金属液与泡沫间存在气隙，形成充型阻力,使得消失模铸造充型过程和传统空腔铸造差别很大,并且其充型速度较传统空腔铸造要慢的多。消失模铸造的充型过程中，因气隙间距和气体逃逸能力的不断变化，可能导致了充型速度呈现周期性交替变化。其它结构的零件消失模铸造充型过程中的充型速度是否也存在周期性交替变化，还需要进一步的实验验证。气化间隙是消失模铸造数值模拟的关键参数，同时也是影响其充填特性的关键参数。参考文