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鑄
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造

Ｎｏｖ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．１１

ＦＯＵＮＤＲＹ

消失模鑄造與普通鑄造充型過程特點(diǎn)的 數(shù)值模擬對比分析
俱英翠１， 李 日１， 劉宏偉１， 馬軍賢１， 劉軍利１， 付宏江２， 鄭晉寶２
（ １． 河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院， 天津市 ３００

１３０ ； ２． 河北省遷安市海鉞耐磨金屬材料廠， 河北遷安 ０６４４０９ ）

摘要： 利用數(shù)值模擬技術(shù)， 分析對比了四種鑄件消失模鑄造和普通空腔鑄造充型過程的差異， 以及流動進(jìn)程中的溫度 場分布的差別。結(jié)果表明， 消失模充型順序與普通空腔鑄造充型順序大為不同， 消失模流動過程的熱量損失較普通空 腔鑄造熱量損失大得多。同時(shí)發(fā)現(xiàn)， 在消失模鑄件表面容易因殘余泡沫而造成表面渣氣孔， 實(shí)際鑄件的表面質(zhì)量也證 明了這一點(diǎn)。針對消失模的這些特點(diǎn)提供了改進(jìn)工藝的實(shí)例。 關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬； 消失模； 鑄造； 充型過程 中圖分類號： ＴＧ２４９．６－３９； ＴＧ１４２．７２ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： Ａ 文章編號： １００１－ ４９７７ （ ２００６ １１－ １１５８－ ０４ ）

Ｔｈｅ Ａｎａ ｌｙｓ ｉｓ ａ ｎｄ Ｃｏｍｐａ ｒｉｓ ｏｎ ｏｆ Ｔｈｅ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｐ ｒｏｃｅ ｓ ｓ ｏｆ ＥＰ Ｃ ａ ｎｄ Ｓ ｉｍｐｌｅ Ｃａ ｖｉｔｙ Ｆｏｕｎｄｒｙ
Ｊ Ｕ Ｙｉｎｇ－ｃｕｉ１， ＬＩ Ｒｉ１， ＬＩＵ Ｈｏｎｇ－ｗｅ ｉ１， ＭＡ Ｊ ｕｎ－ｘｉａ ｎ １， ＬＩＵ Ｊ ｕｎ－ｌｉ１， ＦＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉａ ｎｇ ２， ＺＨＥＮＧ Ｊ ｉｎ－ｂａ ｏ ２ （１．Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｈｅ ｂｅ ｉ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａ ｎｊｉｎ ３００１３０， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｈｅ ｂｅ ｉ Ｑｉａ ｎ＇ａ ｎ Ｈａ ｉｙｕｅ Ｗｅ ａ ｒ Ｒｅ ｓ ｉｓ ｔａ ｎｔ Ｍｅ ｔａ ｌ Ｆａ ｃｔｏｒｙ， Ｑｉａ ｎ＇ａ ｎ ０６４４０９， Ｈｅ ｂｅ ｉ， Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ ： Ｂｙ ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｉｆｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｃｏｕｐｌｅ ｄ ｗｉｔｈ ｔｅ ｍｐｅ ｒａ ｔｕｒｅ ｆｉｅ ｌｄ ｏｆ ＥＰ Ｃ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ４ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃａ ｓ ｔｉｎｇｓ ｗａ ｓ ａ ｎａ ｌｙｚｅ ｄ ａ ｎｄ ｃｏｍｐａ ｒｅ ｄ， ｔｈｅ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ｒｅ ｓ ｕｌｔ ｓ ｈｏｗｅ ｄ ｔｈａ ｔ ｉｎ ＥＰ Ｃ ｍｏｌｄ， ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｏｒｄｅ ｒ ｈａ ｓ ｇｒｅ ａ ｔ ｄｉｆｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈａ ｔ ｏｆ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｌｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｍｅ ａ ｎｔｉｍｅ ， ｔｈｅ ｈｅ ａ ｔ ｌｏｓ ｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｗａ ｙ ｉｎ ＥＰ Ｃ ｗａ ｓ ａ ｌｓ ｏ ｇｒｅ ａ ｔｅ ｒ ｔｈａ ｎ ｔｈａ ｔ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｌｄ． Ｉｎ ａ ｄｄｉｔｉｏｎ， ｉｍｐｅ ｒｆｅ ｃｔｉｏｎｓ ｌｉｋｅ ｄｒａ ｇ ａ ｎｄ ｇａ ｓ ｈｏｌｅ ｓ ｗｅ ｒｅ ｅ ａ ｓ ｙ ｔｏ ｔｕｒｎ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓ ｕｒｆａ ｃｅ ｏｆ ＥＰ Ｃ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｅ ｒｆｅ ｃｔ ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅ ｓ ｉｇｎ， ａ ｎｄ ｔｈｉｓ ｗａ ｓ ｖｅ ｒｉｆｉｅ ｄ ｂｙ ｔｈｅ ａ ｃｔｕａ ｌ ｃａ ｓ ｔｉｎｇｓ ． Ａｎｄ ａ ｎ ｅ ｘａ ｍｐｌｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｗａ ｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｅ ａ ｔｕｒｅ ｓ ｏｆ ＥＰ Ｃ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ； ＥＰ Ｃ； ｆｏｕｎｄｒｙ； ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ．
消 失 模 鑄 造 被 鑄 造 界 譽(yù) 為 ２１ 世 紀(jì) 的 鑄 造 新 技 “ 術(shù)” “ 鑄造的綠色工程 ” 、 。消失模鑄造工藝由于 具 有 鑄件尺寸精度 高、機(jī)械加工余量少、環(huán) 境污 染 小 、生 產(chǎn)適應(yīng) 性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn) 為是一項(xiàng)很有發(fā)展前 景 的近 凈 型 加 工 技 術(shù) 和 清 潔 生 產(chǎn) 技 術(shù) ［１］。目 前 ， 我 國 消 失 模 鑄 造 技 術(shù) 日 趨 成 熟，研 究 單 位 和 應(yīng) 用 廠 家 越 來 越 多 。 消失模鑄造與其 他鑄造方法的顯著差 異在其充型過 程 的 特殊性， 與普通空腔鑄 造技術(shù)相比， 影響消 失 模 充 型過程的工藝 因素很多， 這些因素 之間的交互作 用 使 問題更加復(fù)雜， 而鑄造缺陷大多產(chǎn)生在充型過程中［２］。 本 文 利 用 ＰｒｏＣＡＳＴ 模 擬 軟 件 ， 選 擇 四 種 鑄 件 進(jìn) 行 消失模充型過程和普通空腔鑄造充型過程的對比模擬， 并結(jié)合實(shí) 際澆注結(jié)果， 總結(jié)了消 失模鑄造充型的工 藝 特點(diǎn)， 針對鏈輪提出改進(jìn)工藝的方案。

１

各鑄件主要參數(shù)設(shè)置及簡單工藝分析
研究的對象是河北省遷安市海鉞耐磨金屬材料廠實(shí)

際生產(chǎn)的消失模鑄件， 如圖 １ 所示， 分別為甩子盤 （ 圖 ） ） ） ） １ａ ， 錘頭 （ 圖 １ｂ ， 鏈輪 （ 圖 １ｃ 和鏈節(jié) （ 圖 １ｄ ， 各 鑄件主要參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)情況如表 １ 所列。模擬中各件 消失模鑄造與普通空腔鑄造采用相同的澆注系統(tǒng)， 設(shè)計(jì) 采用消失模設(shè)計(jì)方法， 均比空腔鑄造的設(shè)計(jì)比例大 ２０％

～５０％， 各鑄件均為耐磨件， 要求有足夠的強(qiáng)度。

收稿日期： ２００６－ ０１－ ２４ 收到初稿， ２００６－ ０４－ ０７ 收到修訂稿。 作者簡介： 俱英翠 （ １９８０－） ， 女， 河北無極縣人， 碩士研究生， 主要從事鑄造充型凝固過程的數(shù)值模擬技術(shù)研究。電話： ０２２－２６５６４７０１ ，，

Ｅ－ｍａｉｌ ： ｊｕｙｉｎｇｃｕｉ＠ｅｙｏｕ．ｃｏｍ

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表１

俱英翠等： 消失模鑄造與普通鑄造充型過程特點(diǎn)的數(shù)值模擬對比分析

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各鑄件主要參數(shù)

Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｏｆ ａｌｌ ｃａｓｔｉｎｇｓ
鑄件 名稱 甩子盤 錘頭 鏈輪 鏈節(jié) 模樣 材料 鑄件材料 澆注溫度 ／℃ 液相線 ／℃ 澆道比 （ 內(nèi)∶ ∶ 橫 直）

ＥＰＳ ＥＰＳ ＥＰＳ

ＺＧＭｎ１３ ＺＧＭｎ１３ ＺＧ３５

１ ４２０ １ ４２０ １ ４８０ １ ６２０

１ ３６７ １ ３６７ １ ３９８ １ ４８０

１∶ １．１５ １．１∶ １∶ １．１５× １．１∶ ２ １∶ １．１５ １．１∶ １．１∶ ４ １∶ １．１５×

ＥＰＳ 中碳高鉻鋼

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模擬過程對比與分析
消失模鑄造與普通空 腔鑄造的差別是澆 注 時(shí) 型 腔

被泡沫塑料 模樣占據(jù)， 金屬液的充 型過程實(shí)際上是 金 屬液置換泡沫塑料模 樣的過程， 這使消失 模充型 與 普 通空腔鑄造充型有很大的區(qū)別。從圖 ２ 甩子盤的模擬過 程明顯看出， 在消失 模鑄造充型過程中， 充型 前 沿 與 模樣間存 在氣隙層， 其中的氣 體壓力對金屬液充型 有 阻礙作用， 而其本身 對金屬液充型有緩 沖作用 ， 導(dǎo) 致 充型速度減慢。與圖 ３ 空腔鑄造模擬圖充型時(shí)間對比可 以發(fā)現(xiàn)， 在充型量 基本相同的情況下， 消 失模 充 型 時(shí) 間比空腔 鑄造要長， 相應(yīng)的充 型速度要小 。從 圖 ４、 ５ 的對 比可以發(fā)現(xiàn)， 消失模 是逐步被金屬液替代 ， 最 后 充滿的位置是錘頭的柄部， 而圖 ５ 中空腔鑄造是金屬液 首先噴入 型腔， 然后靠重力作用， 金屬液首先到 達(dá) 錘 柄部位， 最后充滿的位置是錘頭的兩個(gè)圓形冒口。 在多澆道充型時(shí)， 消失 模鑄造與空腔 鑄 造 的 差 別 更為明顯。比較 圖 ６、 ７ 可以看到， 金屬液 在 消 失 模 中 首先在內(nèi)澆道 １ （ 見圖 ６ａ 充填， 直到鑄件內(nèi)金屬液將 ） 要到達(dá)另一內(nèi)澆道的高度時(shí)金屬液才在內(nèi)澆道 ２ （ 見圖 ） ６ｃ 充填�？涨昏T造 是金 屬 液 快 速 充 填 橫 澆 道 直 到 碰 到橫澆道端部 ２ 時(shí) （ 見圖 ７ａ ， 首先進(jìn)入內(nèi)澆道 ２， 圖 ７ａ ） 中區(qū)域 ２中可以看出內(nèi)澆道 ２ 內(nèi)沖入的金屬液比內(nèi)澆道 １ 內(nèi)的稍多。圖 ６ｂ 的模 擬結(jié)果表明， 鑄件表面 還 存 在 不 能被迅速 氣化的泡沫塑料模樣， 鑄件凝固后， 這 些 位 置很可能產(chǎn)生氣孔、粘 砂等缺陷， 導(dǎo)致鑄件表 面 質(zhì) 量 降低。如圖 ８鏈輪實(shí)際產(chǎn)品圖其表面存在嚴(yán)重的粘砂問 題， 并且存在許多侵入性氣孔。 比較圖９ａ 、１０ａ，能夠看出， 鏈節(jié)的充型也同樣是金 屬 液進(jìn)入內(nèi)澆道的先 后順序不同： 消失模鑄 造中金 屬 液先進(jìn)入 上面的內(nèi)澆道， 空腔鑄 造中金屬液先進(jìn)入 底 部的內(nèi)澆道。綜合四 個(gè)件消失模充型的特 點(diǎn)為： 金 屬 液首先充 入離直澆道較近的內(nèi) 澆道， 與普通空腔充 型 正好相反。

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導(dǎo)致充型速度減慢， 充 型時(shí)沿程熱損失增加 。同 時(shí) 工 藝及澆注初 始條件設(shè)置不當(dāng)會使 充型中產(chǎn)生大量泡 沫 塑料殘?jiān)?這些特性 極大地降低了消失 模鑄造整 體 質(zhì) 量。所以 生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化 、鑄件質(zhì)量的提高 都 依 賴于對工藝因素的分析和理解。 根據(jù)上述分析本文針對鏈輪原工藝進(jìn)行了改進(jìn)： 增加靜壓頭， 并 將原澆注系統(tǒng)改為底 注式 （ 見 圖 １１ 。 ） 工藝改進(jìn)后的模擬過程及結(jié)果如圖 １２、 １３ｂ 所示。由圖

１２ 可見 ， 新工藝使泡沫塑料分 解殘?jiān)皻怏w可從 兩 個(gè)
冒口中溢出 （ 見圖 １２ｂ ， 原工藝只 能 從 一 個(gè) 冒 口 溢 出 ）

消失模充型的另一大 特點(diǎn)是由于泡沫塑 料 熔 化 需 要吸收熱量， 所以充型過程中金屬 液前沿會有很大 熱 量損失。通過圖 ９ｂ 溫標(biāo)表 顯示溫度情況， 出 現(xiàn) 溫 度 較 高的高溫區(qū)和 稍低的低溫區(qū)， 在充型 過程中， 金 屬 液 前沿 溫度變化很大， 充型前 沿的熱損失也比空 腔鑄 造 大得多。若沒有 足夠高的澆注溫度， 可能出現(xiàn) 未 澆 完 前沿 金屬液已經(jīng)凝固的現(xiàn) 象， 很難保證充型的 順利 進(jìn) 行。因此必須保 證有足夠高的澆注 溫度。圖 １０ 所 示 為 同樣空 腔鑄造充型過程， 可 以看到與消失模相比 ， 溫 度損失基本沒有。

３

工藝改進(jìn)
通過以上模擬分析可 以看出在消失模鑄 造 中 泡 沫

塑料模樣的 分解會降低金屬液充 型前沿的溫度。充 型 前沿與模樣間存在的氣隙層對金屬液充型有緩沖作用，

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（ 見圖 ６ｄ ， 從而減少泡沫塑 料殘?jiān)�。模擬 結(jié) 果 只 有 少 ） 量 縮 松 （ 見 圖 １３ｂ ， 較 原 工 藝 縮 松 量 小 很 多 （ 見 圖 ） ） １３ａ ， 滿足使用性能 。改 進(jìn) 工 藝 后 的 實(shí) 際 產(chǎn) 品 如 圖 １４ 所示。其表面質(zhì)量明顯比原工藝要好。

料殘?jiān)?會造成鑄件表 面渣孔氣孔等缺陷， 所 以 應(yīng) 當(dāng) 調(diào)整好上述工藝參數(shù)。 （ ３ ） 消失模鑄造與普通空腔鑄造有很大差別， 影 響因素很多， 如澆注 溫度、泡沫塑料模樣 、涂 料 、真 空度、金屬靜壓 頭、澆注系統(tǒng)等。這些因 素 之 間 的 交 互作用使得消失模鑄造工藝較普通空腔鑄造工藝復(fù)雜。 計(jì)算機(jī)模擬充型過程是很有效的研究方法。
參考文獻(xiàn)：
［１］ ［２］
肖 澤 輝 ， 羅 吉 榮 ． 消 失 模 鑄 造 在 中 國 的 應(yīng) 用 及 其 發(fā) 展 ［Ｊ］． 鑄 造 技 術(shù)， ２００３ ， （ ３ ： １６８－ １６９． ）

４

結(jié)論
（ １ ） 數(shù)值模擬表明， 同樣鑄件的消失模鑄造充型

過程和普通空腔鑄 造充型順序差別很大 ， 同時(shí) ， 消 失 模充型時(shí) 流動前沿的能量損失 較空腔鑄造流動前 沿能 量損失大得多， 因 此， 在設(shè)計(jì)消失模澆注 系統(tǒng) 時(shí) 必 須 考慮這些差別。 （ ２ ） 如果澆注系統(tǒng)或澆注溫度、澆注速度控制不 當(dāng)， 在消失模表面存 在充型時(shí)不能迅速汽 化的泡 沫 塑

李 增 民 ， 李 志 勇 ． 消 失 模 鑄 造 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) ［Ｊ］． 鑄 造 技 術(shù) ， ２００２ ， （ ３ ： １５５－ １５８． ）

（ 編輯： 郭桂林， ｇｕｏｇｌ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ ）



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