消失模铸造设备及液态金属前沿的仿真

张守魁 王丹虹

大连理工大学机械学院 辽宁大连 116024

☆现代教育技术与装备☆

消失模铸造设备及液态金属前沿的仿真

张守魁 王丹虹

大连理工大学机械学院 辽宁大连 116024

用Flash模拟消失模铸造虽然有一定的局限性，但在消失模铸造的电化教学、传播及研究中具有积极的作用。通过对消失模铸造设备的振动水平输送筛分机、振动垂直提升机以及液态金属前沿的状况进行了Flash模拟。动画演示了输砂机砂粒筛分及输送过程，演示了液态金属前沿的聚苯乙烯、苯乙烯、甲烷、碳、氢等的变化，模拟了气体的排出和增碳等现象。介绍了模拟的一些制作过程。

消失模铸造；Flash；仿真；液态金属前沿；输砂机

铸造领域进行计算机模拟已经比较普遍，比如对凝固过程的模拟，对冲天炉的模拟等。对消失模铸造进行计算机模拟也是非常有意义的。用计算机可对消失模铸造过程、设备、液态金属前沿及凝固过程等进行模拟，把不可观察的过程变为直观的动画演示，或计算机根据给定的数据，通过建模的方法，采用虚拟现实技术模拟消失模铸造，并得到数字上的结论。

笔者就Flash对消失模铸造设备的工作以及液态金属前沿状况的模拟进行说明。

消失模铸造用设备包含一系列装置，如发泡机、振动造型机、振动水平输送筛分机、振动垂直提升机等。对消失模铸造设备主要模拟了振动水平输送筛分机、振动垂直提升机。

1 垂直提升机模拟及Flash按钮制作

垂直振动提升机的结构如图1所示，主要由下列部分组成：螺旋式输送塔、激振器、弹簧、底座、护板等。两台激振器在空间交叉安装。工作时，激振器同步振动。而两台激振器不平衡的惯性力合成为沿着垂直方向的振动力以及绕垂直方向的振动力矩，砂粒在合成力作用下沿螺旋输送槽向上提升，从而完成物料输送。

图1 垂直提升机工作模拟页面

利用直线工具绘制出垂直提升机的轮廓如图1所示，并创建一个新的元件，命名为砂粒，在砂粒元件中绘制出一个灰色的圆形。该元件就是垂直提升机里面的砂粒，一共建立15个砂粒图层，每个图层里都需要有4颗砂粒，在时间上，它们不可以同时运动，所以每一个图层里砂粒的运动都是单独往复的，且每10帧制作一个砂粒图层，4颗砂粒做往复运动。

砂粒的运动是盘旋向上的，因为砂粒不单独受到向上的提升力，还要受到一个扭矩的共同作用，最后形成了螺旋上升的运动趋势，为了展示这一趋势，必须给垂直提升机一个向上的力的展示，所以，须要新建一个元件命名为力，输入力的符号F，并绘制一个箭头指示力的方向，让元件做上下往复运动，箭头指向必须向上。绘制一个弯箭头，代表扭矩，原理同力的指示方向类似。

为了方便查看Flash文件，应给文件添加按钮。图2是Flash的动作设计面板,有几个经常使用的函数：

图2 动作设置面板

on函数，在每个Flash播放按钮中该函数是必须要有的，该函数是所有函数的入口，在其函数的括号中一般我们选择“释放”，也就是当点该按钮释放后，动作才会发生。

介绍一些常用按钮的制作：

(1)开始按钮。打开公共库，选择按钮，选取适合的按钮后新建一个图层，命名为“Play”，将按钮的图标拖至合适位置，然后选中这一图层，打开动作设置面板，在面板中输入代码：on (release) {play();

}

选择控制菜单里面的测试电影功能，检验一下按钮制作是否成功。

(2)停止按钮。打开公共库，选择按钮，选取适合的按钮后新建一个图层，命名为“Stop”，然后将按钮的图标拖至合适的位置，选中该层，打开动作设置面板，在面板中输入代码：on (release) {gotoAndStop(1);

(3)暂停按钮的制作基本与前两个按钮类似，它的代码为：

以上是Flash播放文件基本按钮的制作。消失模铸造设备及液态金属前沿的Flash仿真将6种按钮的制作完全应用到了文件的制作中。

2 水平振动输送筛分机模拟

振动水平输送筛分机结构如图3所示，主要由弹簧、激振器、出砂口、筛网、入砂口等4部分组成。筛网为双层，上筛网孔大，下筛网孔小。

图3 振动水平输送筛分机工作模拟页面

振动水平输送筛分机是集输送和筛分于一体的消失模铸造专用砂处理设备，工作时利用激振器产生激振力，使物料在机体内做抛掷运动的同时，由于具有合理匹配的筛分结构，使物料在运动的同时达到筛分效果，可使消失模铸造用的型砂以抛掷运动的形式，达到在进行水平输送的同时还能进行筛分，除掉型砂中块状物及粉尘达到净化型砂的目的。

水平振动筛分机在绘制场景上与垂直提升机非常相似，但它在动作上要区别于垂直提升机。新建3个元件，分别是绿色的大砂粒，红色的细砂粒，以及蓝色的适中砂粒。当砂子从入砂口进入振动水平输送筛分机内后，型砂以抛掷运动的形式向前运动。但不同砂粒要限定它们进行不同的运动，大砂粒(绿色的)要做上下振动向前运动，而且必须在上筛网上，因为大的砂粒要被筛出。而细砂粒(红色的)要做向下的运动，通过双层筛网落到底层，细砂粒在底层振动向前运动，最后进入废砂收集袋中。造型用的适中砂粒(蓝色的)落到第二层筛网上，做上下振动向前运动。振动水平输送筛分机砂子输送和筛分如图3模拟页面。

3 液态金属前沿状态仿真

消失模铸造是用泡沫塑料模制造铸型后不取出模样，浇注金属时模样汽化消失获得铸件的铸造方法。泡沫塑料模样在浇注过程中并非只经历汽化过程，在很多情况下，汽化过程并不是主要的。泡沫塑料的变化包括软化、熔融、汽化和燃烧等一系列物理化学变化。图4为液态金属前沿模拟页面，上部分为铸型，下部分为液态金属前沿主要物质碳、甲烷、苯乙烯及氢随温度变化曲线。上下两部分是对应的，曲线的温度标注为300～1200℃。

模拟页面是彩色的。液态金属为红色，涂料层及型砂为灰黑色，碳为黑色小圆球、甲烷为蓝色中圆球、苯乙烯为绿色大圆球，氢为黄色小圆球。各彩色球在液流方向的出现几率及分布与模拟页面下部分的液态金属前沿主要物质碳、甲烷、苯乙烯及氢随温度变化曲线基本相符。温度处于75～164℃，为软化区，泡沫塑料只是软化、体积收缩，其密度增大。温度处于164～316℃，为熔化区，聚苯乙烯变成液体，其分子量保持不变。温度处于316～567℃，为汽化区，液态聚苯乙烯解聚，产生苯乙烯单体和其他的小产物，热分解温度不同，各产物的含量不同。温度达到567℃，进入燃烧区，开始裂解，汽化燃烧，析出的气体显著增加，产生大量小分子碳氢化合物，同时开始分解出氢和固体碳，温度越高，氢和固体碳越多。在液态金属的热作用下，EPS模样发生热解汽化，产生大量气体，在铸型、模样及金属间隙内形成一定气压，液态金属不断地占据EPS模样位置，向前推进，发生液态金属与EPS模样的置换过程，气体不断通过涂层型砂，向外排放。同时，固体碳进入液态金属，导致低碳钢及不锈钢增碳现象发生。图5模拟的液态金属前沿，气体正在排出铸型及固体碳进入液态金属(在彩色页面下清晰可见)。

图4 液态金属前沿模拟页面

图5 液态金属前沿模拟

以Flash为载体，通过简单的动画对消失模铸造设备的振动水平输送筛分机、振动垂直提升机以及液态金属前沿的状况进行了模拟。动画演示了输砂机砂粒筛分及输送过程，演示了液态金属前沿的聚苯乙烯、苯乙烯、甲烷、碳、氢等的变化，模拟了气体的排出和增碳。把不可观察的微观过程变为直观的动画演示，让我们对消失模铸造有了直接的宏观认识。消失模铸造模拟在消失模铸造的推广、研究及电化教学中是很有意义的。

振动水平输送筛分机、振动垂直提升机以及液态金属前沿状况的Flash模拟仅是原理的、概括的、放大的模拟，有一定的局限性。一是量值上的不确定，模拟不能得到准确的数值结论。二是Flash软件使动画中角色的动作失去了自然的属性，不符合运动规律，动作变得生硬、单一，给人一种千篇一律的感觉。所模拟的结果与实际的感官差异较大。

[1] 王晓峰，赵九洲，何杰，等.Cu-13.5%Sn合金雾化液滴凝固过程模拟[J].金属学报，2005，9：923～928

[2] Y.H.Su,C.-Y.A.Tsao. Modeling of solidification of molten metal droplet during atomization[J].Metallurgical and Materials Transactions B，1997，28(6)：1249～1255

[3] 张守魁，王丹虹.冲天炉熔炼过程模拟[J].中国铸造装备与技术，2006，6：59～61

Simulation for EPC equipment and front of liquid metal

Zhang Shoukui, Wang Danhong
Dalian university of technology, Dalian, 116024, China

The computer simulation of EPC is signif cant for EPC research, teaching and promotion. The vibrating horizontal riddle and conveyer, the vibrating vertical conveys, and the scene of front of liquid metal is simulated in Flash-animation. The users just need simply operate and can directly understand the equipments work process and the change of polystyrene, styrene, methane, C and H of front of liquid metal. The main procedure of making computer simulation is introduced in this article.

EPC; Flash; simulation; front of liquid metal; sand conveyer

2010-09-16

张守魁，本科，高级工程师。