仿真技术在消失模铸造中的应用

（芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽 芜湖 241000）

消失模铸造技术是一项具有广阔应用前景的快速铸造新工艺，被誉为“2l 世纪的铸造技术”，然而消失模铸造充型过程的因素多而复杂，随着计算机技术的发展，装备数字化、网络化、智能化成为消失模铸造技术革命的核心技术之一，仿真装备和技术作为铸造装备重要的一部分在铸造行业中逐步得到应用，通过铸造等全流程仿真分析，逐步得到与生产预期进一步接近的试验结果，为后期量化和批量化生产提供依据，从而达到从设计源头降低成本，提高产品质量合格生产效率。

1 仿真技术在消失模开发中的应用

1.1 仿真技术原理

采用三维软件和仿真模拟等软件确定消失模铸件的铸造方式，确定铸造系统浇道、浇口、加工余量等，同时对冒口、冷铁、补贴、以及浇注系统采用华铸软件对铸件的浇注、充型、凝固、型内冷却过程进行仿真，针对不可铸出孔例如高径比较小或需加工等孔去除，实现对消失模件的完整性、缺陷、缩孔等内部质量进行分析。

图l 为铸件的设计、制造、验证的具体操作流程。

“华铸”模拟软件能够进行完整的铸造工艺过程预测评估，包括充型、凝固、微观组织以及热力耦合模拟等，使工艺设计人员可以很便捷地观察模具设计效果，从而在制造过程的早期阶段就能进行正确的选择与决策。

1.2 仿真与铸造关系

虚拟技术与实际制造相互作用，关系密切。虚拟技术是来源于实际铸造过程，是实际铸造数字的影像，传统的铸造分析是实际铸造完成后对产品进行分析。目前国内铸造行业在已固化的零件模型基础上对铸造工艺进行优化改进，通过不断地生产、试制，最终制造符合质量要求的产品。

图1 消失模仿真模拟流程

虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证技术是通过对铸造参数的确认和过程的仿真，提前实现对产品进行结构优化，实现预先评估缩松、冷隔、尺寸等等缺陷，实现提前优化，降低实际生产风险和问题，减少生产成本，缩短生产周期，提高生产效率和铸件质量。

2 仿真技术对产品和部件的选择

消失模铸造仿真技术实现了消失模铸造液态金属充型与凝固过程虚拟现实的可视化仿真。但对于大件和中小件相比仍然存在较大差异。

2.1 中小件消失模铸件模拟特点

公司使用华铸包含的数据库，计算铸件QT420-5 材料性能。根据计算得到的结果，在边界条件方面，设置条件是边界负压0.05 MPa～0.07 MPa，耦合微观的凝固计算初始温度取充型时的温度。消失模铸造的影响因素有多种：1）EPS 模样材料：密度、成分、体积热量，特别是分解吸热和分解产物由模样成分和密度决定，密度增加造成热解温度升高，造成前端铁液温度降低大，降降低充型速度，甚至形成冷隔，为此设定浇注温度较普通铸造高30 ℃～50 ℃；2）涂层性能和厚度对充型的影响：涂层透气性差导致充型速度降低，并且还容易发生塌箱，为此要求有一定稳定的负压；3）静压头对充型的影响：静压头作为充型的重要参数影响充型距离和速度；4）负压的影响：稳定干砂砂型通过负压的方法来解决。

运行参数中凝固部分选择热模拟模式计算温度场和微观模型，通过模拟和实际现场制作，中小件具有较大的指导意义，模拟凝固、耦合分析，能够发现该铸件工艺存在的热节和最后充型位置，可以通过增加冷铁或冒口等措施进行工艺优化，部分消失模品种可采用顶注方式，实现工艺的简化，通过模拟目前产生各类问题较少，对优化有较好作用。

图2 中小型消失模铸件仿真模拟

2.2 大型（空腔件）消失模铸件模拟问题及原因分析

2.2.1 模拟问题

大件采取对浇注温度、真空度、压头高度、浇道多次模拟改进，可以模拟预测卷起夹渣、缩松缩孔等缺陷，进行预先优化，减少铸件产生缺陷，同时能够减少试验的次数和试验产生的残次品，对于低高径比和大开口型产品可有效发现问题，对生产给与指导和参考。但是由于大型产品即使模拟缺陷较小情况下，本身不稳态仍然会产生较多问题，生产中特别发生较容易塌箱、出口变形等较大缺陷。例如针对图3 大型产品，虽然经过多次模拟仿真和工艺改进，仍然存在不小问题，需结合分析实际情况增加模拟的指导性。

2.2.2 原因分析及改善措施

图3 大型消失模铸件仿真模拟

1）大件由于高大，结构内部模型气化过程产生高温气体，高径比较大或出口较小时，短时间内部产生高气压状态，容易造成内部失压，气场和流场紊乱。为此外界的保障条件不能按中小铸件对待，要高于中小件。高大件的真空条件浇注时不同高度和不同点的真空条件并不一致，与模拟时采用单一真空模拟值不符。需通过模拟计算，对铸件的气场、流场进行分析，预测和避免缺陷产生。

2）消失模由于贴壁效应和热流上升，铁水并未优先实现下部顺序充型，消失模高温气体产生于内部，内部气流沿压强薄弱处流动，流动高温气流对出气口和斜面部位持续产生高温影响，极易产生变形和塌箱，所以实际生产该位置需考虑防护。模拟软件需增加该处的温变的影响。

3）对于大件内部需优先保障真空度，增加多个真空抽气等装置，同时增加内部真空测量装置，实现浇注过程的正反馈，查找真正的原因，模拟软件增加设置多区域真空变化，实现对问题的反应。仿真模拟可结合实际生产参数，进行问题模拟。

3 结论

1）通过运用仿真模拟可视化，实现对消失模液态金属充型和凝固的模拟，使工艺人员可以直观、快速地了解不同工艺和凝固的异动，实现快速预测新工艺实施的效果。采用该技术从一定程度上弥补普通工具的滞后性，为提前预测铸造缺陷等提供了依据，简化了通过多次浇注实验来确定浇注工艺的次数，降低了成本，为绿色铸造提供了技术支持。

2）中小件消失模采用模拟取得较好的指导效果，大型空腔件在模拟铸造缺陷效果明显。

3）消失模大型高径比和大型空腔等模拟在固有技术等问题仍需要较大的技术攻关。

4）不能简单为模拟而模拟，通过不断模拟与实际生产经验结合，更能体现模拟的价值，从而更好地促进了CAE 等仿真软件的发展。