仿真技術(shù)在消失模鑄造中的應(yīng)用

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

消失模鑄造技術(shù)是一項具有廣闊應(yīng)用前景的快速鑄造新工藝，被譽(yù)為“2l 世紀(jì)的鑄造技術(shù)”，然而消失模鑄造充型過程的因素多而復(fù)雜，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，裝備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為消失模鑄造技術(shù)革命的核心技術(shù)之一，仿真裝備和技術(shù)作為鑄造裝備重要的一部分在鑄造行業(yè)中逐步得到應(yīng)用，通過鑄造等全流程仿真分析，逐步得到與生產(chǎn)預(yù)期進(jìn)一步接近的試驗結(jié)果，為后期量化和批量化生產(chǎn)提供依據(jù)，從而達(dá)到從設(shè)計源頭降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量合格生產(chǎn)效率。

1 仿真技術(shù)在消失模開發(fā)中的應(yīng)用

1.1 仿真技術(shù)原理

采用三維軟件和仿真模擬等軟件確定消失模鑄件的鑄造方式，確定鑄造系統(tǒng)澆道、澆口、加工余量等，同時對冒口、冷鐵、補(bǔ)貼、以及澆注系統(tǒng)采用華鑄軟件對鑄件的澆注、充型、凝固、型內(nèi)冷卻過程進(jìn)行仿真，針對不可鑄出孔例如高徑比較小或需加工等孔去除，實現(xiàn)對消失模件的完整性、缺陷、縮孔等內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行分析。

圖l 為鑄件的設(shè)計、制造、驗證的具體操作流程。

“華鑄”模擬軟件能夠進(jìn)行完整的鑄造工藝過程預(yù)測評估，包括充型、凝固、微觀組織以及熱力耦合模擬等，使工藝設(shè)計人員可以很便捷地觀察模具設(shè)計效果，從而在制造過程的早期階段就能進(jìn)行正確的選擇與決策。

1.2 仿真與鑄造關(guān)系

虛擬技術(shù)與實際制造相互作用，關(guān)系密切。虛擬技術(shù)是來源于實際鑄造過程，是實際鑄造數(shù)字的影像，傳統(tǒng)的鑄造分析是實際鑄造完成后對產(chǎn)品進(jìn)行分析。目前國內(nèi)鑄造行業(yè)在已固化的零件模型基礎(chǔ)上對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過不斷地生產(chǎn)、試制，最終制造符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品。

圖1 消失模仿真模擬流程

虛擬設(shè)計、虛擬制造、虛擬驗證技術(shù)是通過對鑄造參數(shù)的確認(rèn)和過程的仿真，提前實現(xiàn)對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)預(yù)先評估縮松、冷隔、尺寸等等缺陷，實現(xiàn)提前優(yōu)化，降低實際生產(chǎn)風(fēng)險和問題，減少生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量。

2 仿真技術(shù)對產(chǎn)品和部件的選擇

消失模鑄造仿真技術(shù)實現(xiàn)了消失模鑄造液態(tài)金屬充型與凝固過程虛擬現(xiàn)實的可視化仿真。但對于大件和中小件相比仍然存在較大差異。

2.1 中小件消失模鑄件模擬特點

公司使用華鑄包含的數(shù)據(jù)庫，計算鑄件QT420-5 材料性能。根據(jù)計算得到的結(jié)果，在邊界條件方面，設(shè)置條件是邊界負(fù)壓0.05 MPa～0.07 MPa，耦合微觀的凝固計算初始溫度取充型時的溫度。消失模鑄造的影響因素有多種：1）EPS 模樣材料：密度、成分、體積熱量，特別是分解吸熱和分解產(chǎn)物由模樣成分和密度決定，密度增加造成熱解溫度升高，造成前端鐵液溫度降低大，降降低充型速度，甚至形成冷隔，為此設(shè)定澆注溫度較普通鑄造高30 ℃～50 ℃；2）涂層性能和厚度對充型的影響：涂層透氣性差導(dǎo)致充型速度降低，并且還容易發(fā)生塌箱，為此要求有一定穩(wěn)定的負(fù)壓；3）靜壓頭對充型的影響：靜壓頭作為充型的重要參數(shù)影響充型距離和速度；4）負(fù)壓的影響：穩(wěn)定干砂砂型通過負(fù)壓的方法來解決。

運行參數(shù)中凝固部分選擇熱模擬模式計算溫度場和微觀模型，通過模擬和實際現(xiàn)場制作，中小件具有較大的指導(dǎo)意義，模擬凝固、耦合分析，能夠發(fā)現(xiàn)該鑄件工藝存在的熱節(jié)和最后充型位置，可以通過增加冷鐵或冒口等措施進(jìn)行工藝優(yōu)化，部分消失模品種可采用頂注方式，實現(xiàn)工藝的簡化，通過模擬目前產(chǎn)生各類問題較少，對優(yōu)化有較好作用。

圖2 中小型消失模鑄件仿真模擬

2.2 大型（空腔件）消失模鑄件模擬問題及原因分析

2.2.1 模擬問題

大件采取對澆注溫度、真空度、壓頭高度、澆道多次模擬改進(jìn)，可以模擬預(yù)測卷起夾渣、縮松縮孔等缺陷，進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化，減少鑄件產(chǎn)生缺陷，同時能夠減少試驗的次數(shù)和試驗產(chǎn)生的殘次品，對于低高徑比和大開口型產(chǎn)品可有效發(fā)現(xiàn)問題，對生產(chǎn)給與指導(dǎo)和參考。但是由于大型產(chǎn)品即使模擬缺陷較小情況下，本身不穩(wěn)態(tài)仍然會產(chǎn)生較多問題，生產(chǎn)中特別發(fā)生較容易塌箱、出口變形等較大缺陷。例如針對圖3 大型產(chǎn)品，雖然經(jīng)過多次模擬仿真和工藝改進(jìn)，仍然存在不小問題，需結(jié)合分析實際情況增加模擬的指導(dǎo)性。

2.2.2 原因分析及改善措施

圖3 大型消失模鑄件仿真模擬

1）大件由于高大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部模型氣化過程產(chǎn)生高溫氣體，高徑比較大或出口較小時，短時間內(nèi)部產(chǎn)生高氣壓狀態(tài)，容易造成內(nèi)部失壓，氣場和流場紊亂。為此外界的保障條件不能按中小鑄件對待，要高于中小件。高大件的真空條件澆注時不同高度和不同點的真空條件并不一致，與模擬時采用單一真空模擬值不符。需通過模擬計算，對鑄件的氣場、流場進(jìn)行分析，預(yù)測和避免缺陷產(chǎn)生。

2）消失模由于貼壁效應(yīng)和熱流上升，鐵水并未優(yōu)先實現(xiàn)下部順序充型，消失模高溫氣體產(chǎn)生于內(nèi)部，內(nèi)部氣流沿壓強(qiáng)薄弱處流動，流動高溫氣流對出氣口和斜面部位持續(xù)產(chǎn)生高溫影響，極易產(chǎn)生變形和塌箱，所以實際生產(chǎn)該位置需考慮防護(hù)。模擬軟件需增加該處的溫變的影響。

3）對于大件內(nèi)部需優(yōu)先保障真空度，增加多個真空抽氣等裝置，同時增加內(nèi)部真空測量裝置，實現(xiàn)澆注過程的正反饋，查找真正的原因，模擬軟件增加設(shè)置多區(qū)域真空變化，實現(xiàn)對問題的反應(yīng)。仿真模擬可結(jié)合實際生產(chǎn)參數(shù)，進(jìn)行問題模擬。

3 結(jié)論

1）通過運用仿真模擬可視化，實現(xiàn)對消失模液態(tài)金屬充型和凝固的模擬，使工藝人員可以直觀、快速地了解不同工藝和凝固的異動，實現(xiàn)快速預(yù)測新工藝實施的效果。采用該技術(shù)從一定程度上彌補(bǔ)普通工具的滯后性，為提前預(yù)測鑄造缺陷等提供了依據(jù)，簡化了通過多次澆注實驗來確定澆注工藝的次數(shù)，降低了成本，為綠色鑄造提供了技術(shù)支持。

2）中小件消失模采用模擬取得較好的指導(dǎo)效果，大型空腔件在模擬鑄造缺陷效果明顯。

3）消失模大型高徑比和大型空腔等模擬在固有技術(shù)等問題仍需要較大的技術(shù)攻關(guān)。

4）不能簡單為模擬而模擬，通過不斷模擬與實際生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合，更能體現(xiàn)模擬的價值，從而更好地促進(jìn)了CAE 等仿真軟件的發(fā)展。