数值模拟技术在机器人铸件熔模铸造工艺中的应用

数值模拟技术在机器人铸件熔模铸造工艺中的应用
作者：王惠
来源：《电子技术与软件工程》2016年第18期
摘要
铸件铸造是一项非常复杂的工程，一些材料经常使用试错法或者反复熔模铸造实验来确定其铸造参数。

在本文的研究中，将TiB2/A356 复合材料的热物性参数导入ProCAST的数据库，然后对其热物性参数进行二次开发和熔模铸造数值模拟，通过对机器人关节零件熔模铸造过程的模拟，找到存在的问题和缺陷，为提高机器人铸件熔模铸造工艺技术水平打下基础。

【关键词】铸造模拟 TiB2/A356 复合材料热物性参数数值模拟实验浇注系统
熔模铸造技术是铸造领域中，一种非常优秀的材料净成型工艺，随着现代工业铸造零件技术的推广，熔模铸造技术正在工业零件铸造方面发挥着越来越大的作用。

一些精密零件的加工铸造，如汽车零件、机器人零件以及军事武器装备等精密零部件，都已经应用熔模铸造技术。

不过在不同的材料运用这种工艺技术时，如果能够合理的进行数值模拟，找到不同材料之间铸造参数的差异，从而不断优化和提升铸造效率。

基于此，需要通过数值模拟技术，研究并确定不同材料在铸造时的铸造参数，以防止不当的参数设置给零件铸造带来质量和性能方面的损失，同时，在确定合理的铸造参数基础上，能够保障铸件熔模铸造工艺技术的作业效率，降低材料的损耗，提供整个技术工艺的经济效益。

1 建立TiB2/A356 复合材料的热物性数据库
应用数值模拟技术，首先需要建立相关材料的热物性数据库，在本文的研究中，重点以TiB2/A356 复合材料为研究案例，建立其热物性数据库。

一般情况下，如果往基体材料中加入增强体后，原材料的热物理性质就会发生变化。

以 TiB2/A356 复合材料的研究来说，在确定其数值模拟需要的所有热物性参数时，需要参考其颗粒均匀分散于基体类型的复合材料性能混合公式，并且根据不同条件变化下的公式调整和参数设置，对数值模拟的热物性参数进行相应调整。

利用 Pro CAST 的数据库开发模块计算并确定 TiB2体积分数为 10%的 TiB2/A356Al 颗粒增强铝基复合材料的导热系数、密度、黏度和热焓随温度变化的关系。

同时按照复合材料的复合法则，热物性参数的计算由 TiB2/A356 复合材料热物性参数可知，与A356 相比复合材料在导热系数、热熵等方面相对下降了一些，而提高比较明显的就是复合材料的密度和粘度，二者同基体材料相比都有了较大幅度的提升。

2 复合材料铸件的数值模拟试验
2.1 机器人零件规格
机器人零件一般都是三维模型的，在本文的研究中，使用的机器人模型关节零件，其构成部分包括顶部圆柱形凸台和下部薄壁腔，整体机器人的零件高度为 212mm，顶部凸台直径
25mm，底部腔体处壁厚最小为4mm。

2.2 模拟设计
在进行复核材料的数值模拟铸造之前，要运用相关的软件导入机器人零件的基本参数，本文研究中运用的设计顶注式浇注系统启动软件 Visual Environment 8.0，实际实验过程中先在VisualMesh模块中导入零件的igs格式文件，将铸件和浇注系统网格长度均设置成 2mm。

网络浇注系统一定要划分好，划分好网格的浇注系统。

耐火型壳材料要使用Fused Silica，需要注意的是在这个过程中要把接触面类型为COINC界面，换热系数为 500 W/（m2窑 K）的冷却类型Aircooling。

将浇注类型为GravityFilling的设置浇注温度为 700℃浇注速度为 0.3 m/s型。

壳预热温度为300℃，在实验中我们发现，在铸件薄壁处的温度下降幅度较大，能够明显的观测出来，另外，还发现在这种状态下，复合材料也不能按照既定的顺序进行凝固，这就容易出现结构缺陷。

2.3 模拟的整体过程
数值模式是一个比较复杂的过程，在本研究中，在总结相关领域研究成果的基础上，找到了一些实现逐渐顺序凝固，并提高逐渐质量的浇筑方法。

其中，顶式浇筑，用的比较多。

从一些参考资料中发现，在浇注温度为 700℃时，模壳预热温度 300℃，浇注速度 0.8 m/s，在实际铸造过程中，基体材料会出现一定程度的收缩和变形，产生的缺陷较大。

这与模拟实验的预期差距较大。

2.4 浇注工艺参数的优化
通过反复不断的模拟，对初始的实验参数进行调整和优化，是提高数值模拟应用水平的重要手段。

正是基于此，本文运用正交实验法对浇注工艺参数进行优化。

对模壳预热温度进行重新设定，依次为 300℃、400℃和500℃，将浇注温度设置为为 700℃、720℃、740℃，设置浇注速度0.6 、0.8 、1.0m/s，从这三组新数据中，再进行9 次数值模拟实验。

9次不同的模拟实验，需要对相关的变量进行控制，以找到其中影响实验结果的关键因素，为浇筑工艺技术参数的优化提供数据支持。

经过上述不同参数设置的数值模拟，并对模拟的最终结果进行确认，发现在将浇注温度为设置为 720℃时，其保证的浇筑工艺效果是理想的，能够在很大程度上缓解液态合金的收缩，并降低缩孔出现的频率和单个缩孔的口径。

在将模壳预热温度设置为 400℃时，在一定程度上
增加了模具的保温性，这种做法可以有效延缓薄壁部分的凝固；另外，浇注速度设置为0.6
m/s，由于速度的降低，使得铸件可以按照顺序进行凝固。

3 试验验证
3.1 结果分析
基于仿真分析结果，采用浇注速度 0.6 m/s尧浇注温度 750℃。

模壳初始温度 400℃的工艺参数，为减小增强颗粒分布不均匀的影响，实际中采用快速搅拌法并且使用强风吹铸件冷却的方法，提高铸件质量。

在实验后用专业的方法进行观察发现，TiB2 颗粒分布均匀没有发生明显沉降偏聚现象。

3.2 验证过程
通过本文的模拟分析，确定了最优浇注工艺参数，在改进的工艺参数下进行实验验证。

实验主要内容包括压型设计、蜡模制备、型壳制备与焙烧、铝合金熔炼与浇注。

蜡模是对铸件本体的精确复制，蜡模的质量直接关系到最终铸件的尺寸精度。

因此，本次实验选用中温蜡
WM36-4，其具有强度高、收缩率小、热稳定性好及灰分少的特点，能够保证尺寸精度和表面粗糙度的要求。

制模时采用自动压蜡机，模料温度为65～70℃，射蜡压力为 2MPa，保压 200s 得到蜡模。

将蜡模浸入到由粘结剂和耐火材料按一定比例配制而成的涂料中，经撒砂、干燥硬化、脱蜡和焙烧等工序得到型壳。

型壳焙烧时，应注意将型壳推入焙烧炉炉膛后应将炉门半关，待残余蜡料燃尽后再关闭炉门焙烧，焙烧保温时间为 3h。

由于铝合金在熔炼过程中容易出现氧化和吸气，因此，为了得到纯净的铝合金熔液，需要进行精炼。

实验中采用吸附法，通过添加六氯乙烷精炼剂达到精炼目的。

具体方法为：总用量为合金液的 0.4%，分 3 次用钟罩压入合金液内距坩埚底部约
100mm 处，每次精炼时间 4min，（总精炼时间 10min），精炼温度 740℃，静置10min 后除渣。

合金浇注工艺参数为：浇注温度 720 ℃，浇注速度0.6m/s，模壳预热温度 400℃。

另外，在浇注过程中，在浇口处增加石棉保温层，可有效延长浇口凝固时间，提高铸件的补缩率。

3.3 宏观效果
通过数值模拟技术，对实际铸件生产过程中实现连铸起到了很重要的作用，另外，一些其他领域的，如中间包钢水温度的连续测量和在线监控技术等，也可以在运用数值模拟技术时进行借鉴，可以为连铸过程的优化控制、提高控制和操作精度做出一定贡献。

合理的运用数值模拟技术，能够有效提高机器人铸坯的质量和产量，降低劳动强度等奠定了基础。

采用计算机仿真模拟技术，对相关参数进行优化和调整，对不合理的参数进行重新设计，实现热风炉冷风、热风的均匀分布。

4 结论
数值模拟技术在很多领域的应用，都是经过反复多次实验才确定其模拟基础参数的，随着现代工业铸件技术工艺的进步以及互联网计算机信息的使用，为数值模拟技术在一些精密铸件工艺的应用提供了良好的基础。

在本文的研究中，主要是通过实验模拟，对机器人铸件的熔模铸造技术工艺进行研究，根据复合材料的复合法则，热物性参数的计算公式通过Procast的二次开发功建立TiB2/A356 复合材料的数据库，并模拟了浇注机器人关节部件。

模拟结果显示复合材料的流动性差，容易产生缩孔尧缩松缺陷。

提高浇注速度和浇注温度有助于提高提高
TiB2/A356 复合材料流动性，提高补缩能力，使用吹风强制冷却的方法有助于形成凝固温度梯度，从而实现顺序凝固。

参考文献
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