摘要：在金属铸造的工艺设计中，“优先顶注”是多数金属铸件所遵循的铸造原则，其中薄壁的中小型铸件通常采用顶注式浇注工艺。然而，顶注式工艺也存在很多缺陷和局限性，如对铸型底部冲击力大、金属液激溅氧化、对壁厚大于20mm的铸件易产生气孔砂眼夹渣等。针对顶注式工艺的局限性和缺点，本文提出了基于消失模铸造法的顶注式工艺。利用消失模铸造的诸多技术优点，弥补顶注法的不足。采用计算机模拟技术对顶注式消失模铸造法建立数理模型，模拟充型过程中的界面推移及温度分布状态，表明浇铸方案的有效性。
关键词：消失模铸造法；顶注式工艺；数值模拟；分布状态
1引言
消失模铸造（LFC或称为EPC),是比较成型的铸造工艺，其工艺操作简单、铸件表面质量好、机加工余量少、是一项绿色的铸造技术[1-3]。消失模不同于其它的铸造工艺，是通过实型和真空密封铸造法相结合而成的一种新方法，它提取了真空密封铸造和实型铸造的优点，改进了各自的缺陷与不足，是对铸造技术的突破与发展。本文提出了基于消失模铸造的顶注式浇注生产工艺的开发与研究。针对顶注式浇注方式的局限性和缺点，利用消失模铸造法的优势技术弥补顶注式浇注工艺的不足。通过对顶注式浇注系统和消失模铸造工艺系统的数值模拟和实验比对，找出它们之间的最码佳结合性，为铸造技术提供一种新方法，提高铸件的成品率[4]。
2消失模铸造理论与模拟应用
消失模铸造是使泡沫塑料在模具中成型发泡成为与铸件等尺寸模具填充物，进行浇注过程中高温的金属液分解气化泡沫填充并取代其占有的模具空间。2.1特性概述与影响因素充型过程是消失模铸造与其它铸造方法的主要区别。在填充型腔的过程中，金属液发生多种物理化学现象使消失模铸造充型过程变得复杂化，其中包括：⑴金属液与泡沫模之间的热量传递、金属液与干砂、金属液与EPS及耐火涂层之间都有热传导和热辐射。⑵EPS在热解气化的过程中，气化产物与金属液、涂层及干砂发生的物化反应产生传质。⑶EPS模样的气化分解使型腔压力升高，而在金属液充型时，模样的对热量的吸收使金属液前沿温度下降而降低浇注成型能力。消失模铸造的影响因素有多种：⑴EPS模样铸件充型影响：模样主要通过材料的成分对铸件充型产生影响，其分解后吸收热量和分解产物由模样成分和密度决定，随着材料密度的增加，将会导致热解温度升高从而使金属液前沿温度下降降低充型速度。⑵图层的性能和厚度对充型的影响：图层的透气性差也会导致充型速度降低，并且还容易发生塌箱。通常情况下，图层越厚强度越高而透气性越差。⑶金属静压头对充型的影响：静压头的影响是由浇注系统的控制实现的，在真空炉内的金属静压头应作为浇注工艺的重要标准。⑷负压的影响：稳定干砂砂型通过负压的方法来解决。若在浇注时对砂箱进行抽真空操作，使型砂表面产生正压梯度是利于腔内气体排出的，可间接提高金属液充型能力。2.2消失模凝固特性凝固是指金属液有液相冷却为固相的过程，热传导的三种方式（传导、对流、辐射）在消失模凝固过程中都有体现。影响消失模凝固的原因有：⑴干燥的砂型内气化水带走的热量。⑵排异产物使干砂结块对热传导的影响。⑶图层性能和厚度对热量扩散的影响。铸件产品的凝固时间与组织性能息息相关，对铸件的凝固过程控制是对产品质量控制的有效手段，图1为不同铸造工艺的凝固过程变化曲线。2.3充型模拟过程简化消失模铸造的充型过程中发生的物理化学变化都是在短时间内发生结束的，由于充型过程的复杂性暂不能对其建立精确的模型，需要对其进行简化，本文假设了以下过程。⑴假设金属液流动前沿气隙压力是均匀分布。⑵假设模样分解产生的气体和其它产物对充型的影响全部归结为图层影响。⑶假设浇道尺寸可提供完全金属液流量，这个假设针对的情况是由于界面推移需要的液态金属流量在空腔铸造模拟时流速恒定，该变化取决于模样消失速率，通过浇口杯中的流量调整来保证。⑷假设浇口尺寸能够保证金属液流量。对于封闭式浇注系统，浇口尺寸对充型过程有重要影响。在计算中将浇口作为铸件本体的一部分进行计算而不需要特殊处理。
3基于消失模铸造法顶注式系统的模拟分析
本文选取灰铁底架制作工艺方案进行数值模拟，该铸件结构较简单，壁厚均匀。三维轮廓尺寸温870×460×65㎜，约重125kg，材质HT150.3.1确定方案建立几何模型该灰铁铸件消失模浇注方案有：⑴EPS模样制作，模样包括浇道、冒口和铸件部分。直浇道和冒口形状较简单故采用手工制作成型。⑵涂料涂敷,采用透气性好耐高温的五号涂料，用浸涂方式分两次涂敷，厚度在1~1.5㎜之间。⑶采用顶注式浇注系统生产铸铁件。⑷补缩冒口设计灵活多样，且冒口位置不固定。⑸方便大批生产，采用平行布局方式。⑹浇注参数包括，浇注温度设置在1380~1450℃之间，负压条件在充型结束后保压15~20MIN，压力在0.0250~0.030MPa。使用Pro_F对铸件进行特征建模。对冒口，砂型设计，整体装配建模导出*igs格式。模拟造型是应将直浇道与浇口空心部位设为一个整体，使铸件、冒口、和浇道合并为一。3.2热物理模型建立与评估建立热物理模型是数值模拟软件的构建基础。本文使用ProCAST包含的数据库，计算铸件HT150的材料性能。根据计算得到的结果，其固相线在1108℃，液相线在1129℃。界面参数定义为COMIN传热系数初步设置为H=500W/m2•k。在边界条件方面，设置空冷条件是（Hnat）边界（Pressure）负压0.05MPa，浇口面为1.00MPa，砂箱表面取值1.05MPa，设置（TempraTure）于浇口面。耦合微观的凝固计算初始温度取充型时的温度。运行参数中凝固部分选择热模拟模式计算温度场和微观模型，根据实际生产效果调整石墨膨胀参数，在试制时的系数选择0.5。顶注式实验方案的铸件充型状况优良，在充型过程中没有断流和反喷的现象，只是不利于排渣。在凝固过程中，顶部冒口最先凝固。金属液无法从外部对铸件进行补缩，易出现缩孔缩松。
4结论
本文针对顶注式浇注的缺点和不足提出了基于消失模铸造法的顶注式浇铸生产工艺。通过建立数值模拟模型，分析了该法的物理化学性能。通过实验证明该法有效的缩短铸件充型过程的时间，大幅节约生产成本，有利于生产发展建设。
参考文献
[1]徐宏，梁红玉，侯华等.铸造充型过程模拟新技术研究[Jl.应用基础与工程科学学报，2001,9(2):191-196.
[2]周建新.基于非均匀网格技术的铸件充型凝固过程数值模拟的研究[D].武汉:华中科技大学，2003.
[3]董秀琦，朱丽娟.消失模铸造使用技术.北京:机械工业出版社，2005.
[4]H.J.Lin,W.S.Hwang.Three-DimensionalFluidFlowSimulationfo人力资源管理rMouldFilling.AFSTransactions，1989，9（7）:855-862.
作者：王静平 孙志敏 王建国 单位：内蒙古机电职业技术学院
