消失模铸造充型过程的数值模拟分析

图 4 为附壁效应的状态图。其中浇注温度为 1330℃ ，模样密度为 15 ㎏ / m3 ，涂料的保温性能， 即涂料与金属液体的换热系数为 150 W / m2 ·K，
真空度为 0． 06Mpa。
图 2 11024、8499、16786、17247 真空度变化曲线图
高温金属液体与泡沫模样之间的气隙附近的 铸型处的真空度不断发生变化，发生变化的铸型 区 域 不 是 很 大，并 保 持 在 一 个 稳 定 的 变 化 过 程。 由于泡沫模样的气化，气态分解产物的产生，使得 真空度有所下降，在一定的时间和距离后，真空度 又恢复成设定的值。
彭 静，郭玲宏
（ 成都纺织高等专科学校机械系，四川成都 611731）
摘要 应用计算机数值模拟技术对消失模铸造充型过程仿真，对充型过程中真空度的变化进行分
析，研究充型过程中附壁效应、裹气和反喷缺陷的产生过程及原因。
关键词 消失模 充型过程 高铬铸铁 数值模拟
中图分类号： TG249． 5
文献标识码： A
图 4 附壁效应状态图
从上图中可以看出随着充型的不断进行，金 属液体沿着铸型壁发生附壁效应。由于模样密度 较大，此时高温金属液体与泡沫模样之间的气隙 中存在大量的气态分解产物，气隙中的压力很大。 在高的真空度的作用下，靠近铸型壁的气隙处的 气体迅速排出，后续的金属液体沿着铸型壁向前 充填。金属液体附近的铸型中真空度降低，气隙 中间的压力越来越大，裹在中间的气体更加无法 排出，附壁效应也越来越严重。
［4］Bollerslev，T． and J． M． Wooldridge，Quasi － maximum likelihood estimation and inference in dynamic models with time － varying covariances，［J］Econometric Reviews， 1992，11，143 － 172．
可以通过观察金属液体在充型过程的压力变 化，来判断反喷的可能性。图 7 是高温金属液体 在充型过程中压力变化状态图。
从下面的压力云图中可以看出，由于高的模 样密度，分解出的气态产物多； 高的浇注温度，气 态分解产物产生的速度快； 低的铸型透气性，气体 排出通道小； 低的真空度，气体排出速度慢。高温 金属液体在直浇道中充型时的压力值总是很大， 远远超过了大气压力。高温金属液体只有向着压 力阻力小的地方充型，即反冲向大气，因此产生了 反喷。
成都纺织高等专科学校学报
Journal of Chengdu Textile College
第 29 卷第3 期（ 总第105 期） 2012 年7 月
Vol ． 2 9 ，No ． 3 （ Sum 1 0 5 ）
文章编号： 1008 － 5580（ 2012） 03 － 005 － 03
消失模铸造充型过程的数值模拟分析
图 1 开始浇注时铸型中真空度的变化
在靠近浇口杯和直浇道的铸型处，分别取 4 个点 11024、8499、16786、17247 的曲线图，可以更 加清楚地观察这 4 点处的真空度随时间的变化。 其点所在的位置如图 1 所示，其曲线变化图如图 2。横坐标表示时间，为了观察方便，在这里只取 前 0． 6s 的真空度变化，纵坐标表示压力，单位为 bar。
2 附壁效应分析
在消失模铸造过程中，液态金属充型前沿存 在大量的气态分解产物。靠近铸型壁的气隙中的 气态分解产物在真空度的作用下，迅速排出铸型。 后续的金属液体沿着铸型壁向前推进，使得气隙 呈凹形弯曲，从而排气阻力增加，充型中心的阻力 加大。金属液体充型前沿的凹形加剧，将一部分 尚未受热分解的泡沫模样包围在铸件中心。泡沫
随着计算机技术的发展，铸造过程的数值模 拟技术发展地越来越成熟。许多企业和研究单位 逐渐采用数值模拟技术辅助铸造工艺设计和研究 数值模拟技术在铸造充型过程中的应用。本文采 用数值模拟技术，通过对高铬铸铁衬板进行充型 过程模拟并分析消失模铸造充型过程中真空度的 变化，以及附壁效应、裹气、反喷等充型缺陷的产 生原因及防止措施，对丰富消失模铸造充型过程 的理论基础有着重要意义，为消失模铸造工艺设 计及在生产中控制铸件质量提供科学的理论指 导，同时也能推动消失模技术在生产中广泛的应 用。
3 裹气分析
在消失模铸造过程中，高温金属液体遇到冷 铁、通孔、凸台等障碍物时，常常被分成多股液流， 产生充型紊乱，从而导致裹气缺陷。如图 5 所示， 其中浇注温度为 1360℃ ，模样密度为 10 ㎏ / m3 ， 涂料的保温性能即涂料与金属液体的换热系数为 200 W / m2 ·K，真空度为 0． 06Mpa。
［8］魏尊杰，安阁英，叶容茂． 干砂消失模铸造 Al － 7% Si 合金液充型能力的数值计算． ［J］哈尔滨工业大学 学报，1995，27（ 5） ： 123 ～ 127．
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成都纺织高等专科学校学报
2012 年 7 月
素较强，总体风险较大。（ 2） 在不同的分布假设 下，GED 分布能较好地反映沪深 300 指数收益率 的 尖 峰 厚 尾 性，更 准 确 地 描 述 股 票 市 场 的 波 动 性。
1 铸型中真空度的变化分析
在消失模铸造充型过程中，气化泡沫模样产 生大量的气体，真空度并不是一成不变的。采取 一组工艺参数为浇注温度为 1330℃ ，模样密度为 10 ㎏ / m3 ，涂料的保温性能，即涂料与金属液体的 换热系数为 150 W / m2 ·K，真空度为 0． 03Mpa，对 铸型中真空度的变化进行分析。
［5］Tsay，R． S． ，金融时间序列分析，［M］潘家柱，译． 北京： 机械工业出版社，2006： 62 － 97．
Comparative Study and Empirical Analysis of Residual Distribution of GARCH Model
下面一组实验设置模样密度为 20 ㎏ / m3 、真 空度 为 0． 03 Mpa、铸 型 的 透 气 性 为 1． 00e － 07cm2 。从模拟结果可以推测出很有可能发生反 喷。其充型过程的状态图如图 6 所示。
图 7 反喷过程中的压力变化
5 结语
综上所述，在消失模铸造充型过程中，真空度 随着充型的推进而不断发生变化，从而不可避免 地会出现附壁效应、裹气和反喷等缺陷。这些缺 陷极有可能导致铸件产生气孔、渣孔、塌箱，甚至 威胁到操作工人的人身安全。因此要预防此类缺 陷的产生，通常要减缓靠近铸型壁处的气隙中的 气态分解物的排出和气隙中心处气体的大量产 生。综合考虑浇注温度、真空度、模样密度、涂料 等工艺因素及其交互作用对充型过程的影响，保 证金属液充型时流动平稳、平衡、迅速地充满铸型 并取代模样。
参考文献
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当高温金属液体到达内浇口处，真空度发生 较大的变化，且发生变化的铸型区域很大。由于 到达内浇口处时，高温金属液体接触的泡沫模样 更多，产生的气态分解产物更多。有更多的气体 需要排出，从而导致大范围内的真空度降低。如 图 3 所示。
图 3 内浇口处真空度
通常要求在浇注过程中，负压下降最低点不 应低于（ 铸铁件） 0． 015 ～ 0． 02 Mpa，生产上最好 控制在 0． 02 Mpa 以上，不允许出现正压状态。
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消失模铸造是二十一世纪的绿色铸造技术， 但由于泡沫塑料模样的存在，消失模铸造充型前 沿存在复杂的物理化学反应，其充型过程具有不 确定性。最终形成的铸件质量与充型过程有着密 切联系，因此研究消失模铸造充型过程中充型缺 陷的产生有着非常重要的意义。然而消失模铸造 的各种特点如泡沫模样、涂料和真空度的存在及 浇注温度过高等，采用传统的实验方法对其研究 具有极大的局限性。