消失模铸造充型过程数值模拟.docx

基于计算机模拟的消逝模铸造充填特性争论张立强L2,卢远志I张楚惠3,刘金水L2（1.湖南高校汽车车身先进设计与制造我国重点试验室，湖南长沙，4100822 .湖南高校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对某公司车身掩盖件修边冲孔模上模座的消逝模铸造充型过程进行数值模拟，争论了消逝模铸造的充填特性，并对比分析了消逝模铸造和传统空腔铸造充型过程的差异。模拟结果表明：消逝模铸造存在着与传统空腔铸造截然不同的充型过程，由泡沫介质的存在，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。关键词：消逝模铸造；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:Research on the Filling Characteristics of EPCbased on the Computer SimulationZHANG Li-qiang, LU Yuan-zhil, ZHANG Chu-hui3, LIU Jin-shuik2(I. State Key Laboratoryr of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body (Hunan University), Changsha, 410082, Hunan, China;2.School of Materials Science Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, Hunan, China;3 .Hunan Jite Manufacturing Co., Ltd, Xiangyin, 410502, Hunan, China)Abstract: The filling process of EPC (Evaporated Pattern Casting) are simulated in this paper by using the computersimulation software to study the filling process of EPC. In order to study the filling characteristcs of EPC better, thecomparation of the filling process of the traditional vacant casting have been also simulated at the same conditions. Thesimulation results show that the filling process of EPC is different entirely from the traditional vacant casting. The fillingvelocity becomes slow and varies periodically because of the existense of the foam in the EPC.Key words: EPC, numerical simulation, filling characteristics, filling velocity1引言消逝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，被认为是一项很有进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，我们我国消逝模铸造技术日趋成熟，争论单位和应用厂家越来越多、。消逝模铸造与其他铸造方法的显著差异在其充型过程的特别性，金属液在充型过程中包含着简单的物理化学现象，包括热量传输、充型流淌、化学反应、冷却凝固等。这些现象耦合在一起，并相互影响,使得金属液的充型过程更加简单，最终影响到铸件质量，同时，把握消逝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布满或不布满等重要问题的确定“八。在实际生产过程中，由于铸件结构上的差异和详细生产条件的限制，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，因此很难通过观看或物理试验来争论消逝模铸造的充填特性，而结合计算机模拟的消逝模铸造过程争论是一种高效的分析方法，有助于揭示其充型过程的流淌规律，发觉充填中的不足，为改善铸造工艺设计，提高铸件质量供应一个牢靠、快捷的分析手段“。基于此，本文作者结合某公司车身掩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，对消逝模铸造充型过程进行了数值模拟，并对比分析了消逝模铸造和传统空腔铸造充型过程的差异，争论了消逝模铸造的充填特性。第一作者简介：张立强，男，1978年诞生，硕士争论生，湖南高校材料科学与工程学院，湖南长沙（410082）,电话：02充填过程的计算机模拟相片1是某公司车身掩盖件修边冲孔模上模座的实际消逝模铸件，材料为HT300,重1.09吨。铸件尺寸为长1870mm,宽750mm,高350mm,主要壁厚35io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。本文依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本步骤：首先采用CAD软件建立包括浇冒口系统的三维儿何模型，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.；最终采用软件进行数值模拟计算和结果分析。相片1实际消逝模铸造铸件Photo 1 The practical EPC casting2.1铸件几何模型采用三维CAD软件在零件几何模型的基础上，依据车身掩盖件修边冲孔模上模座的结构特点、消逝模铸造方法的特别性、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Table 1 Technologic parameters of pouring直浇道截面积(cm2)横浇道截面积(cm2)内浇口截面积(cm2)暗冒口截面积/数量(cm2)明冒口截面积/数量(cm2)浇注方式28362110/612/8底浇注2. 2有限元模型2. 2.1网格剖分依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削减计算量，有限元模型采纳非匀称四周体网格对几何模型进行网格剖分，即浇道和铸件采纳较小的网格尺寸进行剖分,而砂箱则采纳较大的网格尺寸进行剖分。如图2所示计算所采纳的有限元网格规模为：单元总数为1045847,节点总数为207186。图2铸件与铸型的网格剖分Fig.2 Mesh generation of casting and mould2. 2. 2计算参数有限元模型中计算参数是依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。消逝模铸造区分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0100°C范围内。浇注工艺参数包括浇注温度1400C和浇注压力l.latm0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lOOw/m/,金属和砂型间的热交换系数为500wm2ko表2合金及泡沫材料的热物性参数Tabic 2 Thermal and physical parameters of alloy and EPS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)xl()30.53260-145823.6-36.414061522EPS （聚苯乙烯）253.7100().0356036232. 3模拟结果数值模拟是在高性能微机工作站上采用专用的消逝模铸造分析软件完成的，计算时间平均为58小时，消逝模铸造的充填过程计算结果见图3。图3标图3e是消逝模铸造不同时刻的充型形态，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渐渐提升，图3d是也说明白这种充型形态。图3。表示62s时金属液完全布满型腔。图4为消逝模铸造直浇道处金属液在不同时刻的充型速度矢量图，消逝模铸造充型过程中，充型速度是不断变化的，图a, c,。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。K.>13/4 . I/I.V(a) 15s(b) 32s I>>.211 SIf，,，n/，9i-T7.7(c) 32s (截面)1”.>771.»112 1，C(d)49©直浇道底部A处节点号592(e) 62s图3浇注压力为Llatm的消逝模铸造，浇注开头后不同时刻的充型形态Fig.3 The filling state of different time of EPC when I. I atm pouring pressure(a)4s(b) Ils(c) 17s(d) 23s(e) 25s(f) 26s图4浇注压力为llatm的消逝模铸造，不同时刻的充型速度变化状况Fig.4 The variation of filling velocity of different time of EPC when 1.1 atm pouring pressure3消逝模铸造充填特性争论实际铸件的模拟结果表明，在同样的浇注工艺条件下，消逝模铸造充型过程由于受到金属液-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-砂型双介质充型挨次与充型速度差别很大。下面对其充填特性进行争论分析。3.1 充型过程的理论基础与传统空腔铸造不同的是，消逝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，将液态金属看作不行压缩流体，其流淌过程听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)。连续性方程八 u v w a( 1)D = + + = 0I"x y zN-S方程(u8up + w t xuuypL m2+ VF W =F prx + 0zVyz)xv