让消失模铸造模拟变得更简单
让消失模铸造模拟变得更简单

 

让消失模铸造模拟变得更简单

作者

Harry Littleton, Alchemcast,LCC

Melissa Carter, Flow Science Inc.

 

一、前言

消失模铸造是是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的铸造方法。消失模铸造的成品不需考虑分模线,大部分量产品不需要二次加工。通常的铸造金属包含了铸铁、铝合金、钢和镍金属。尺寸范围从 1.1磅~几吨。铸件的表面粗糙度可达 2.5~25μm,铸件的尺寸经度可达 CT7~9,最小铸件厚度约为 2.5mm。消失模铸造为铸件结构提供了充分的自由度,设计人员可以开发相对复杂的铸件机构。

图1.消失模铸造工艺

在成形过程中,融熔金属不能接触模型,因为成形金属大多高于模型的蒸发温度(438-711 0K)。因此金属和模型之间总是会存在着间隙。间隙之间会存在液体层(模型融化的第一阶段温度约在 160℃(433.0K))。模型分解后的接续阶段是解聚,也就是将聚合物转化为单体或单体混合物的过程。所有聚合物在高温下解聚,随后蒸发。

图2.消失模铸造的物理模型说明

 

二、实验配置

对于消失模铸造的数值模拟而言,最大的问题在于必须取得金属融汤与模型之间的热传递系数。为了在分析之前取得相关信息,必须设计一套实验以取得相关的参数。

图三为实验所采用的造型。将模型由左往右以不同的速度推进,在右侧安装一加热器,量测在不同的速度下,模型因为加热所损失的体积(包含液态损失及气态损失),藉由体积消失量计算热传系数。一般而言,如果加热材料为铝合金,气态损失率约为 20%-30%;如果是铸铁,则是 60%~80%。

图3.实验材料 Foam bar

图四为实验机台设计。实验模型可用固定速度或是固定力量向右移动,安装在加热器上的热电偶可用来量测温度变化,藉以计算热传递系数。

图4.机台设定

图5.实验机台

根据实验结果,可得到如图六之图表。数据为在不同的速度下,热传递系数与加热金属之间的关系图。

图6.消失模铸造之热传递系数 (铝合金: 1250W/M2-S / 铁: 2500 W/M2-S)

 

三、铸件实作与数值模拟比对

为了进行数值比对,采用一单模15穴之消失模铸件进行测试。图七为消失模模型,铸件相关数据如下:

  • Polystyrene Foam - Density = 24.04 kg/m3
  • Silica Sand
  • Aluminum A356
  • Heat transfer aluminum/foam = 1200 W/m2-K
  • Initial temperature of liquid metal=1033 K (759.85 ⁰C)

本次实验采用之数值模拟为FLOW-3D。在进行数值模拟之前,必须先取得下列数据,才能进行合理的数值分析。

  • 金属/模型的热传递系数
  • 模型比热(Pattern Specofoc Heat)
  • 熔化热(Melting Heat)
  • 分解能(Decomposition Energy)
  • 气化能(Vaporization Energy)
  • 融熔温度(Melting Temperature)
  • 气化温度(Vaporization Temperature)

图7.消失模之铸件模型

图八为FLOW-3D充填模拟结果

图8.消失模充填结果

FLOW-3D 可输出消失模成形过程中的问题缺陷。图九为铸件缺陷与FLOW-3D数值比对 (Foam Residue Concentration)

9.铸件缺陷点与FLOW-3D数值模拟比对

 

四、结论

随着铸件肉厚减少,精密尺寸特征复杂度增加,消失模铸造在铸造工艺的比重会逐渐提升。FLOW-3D 能够精确的模拟消失模铸造工艺,并且预测铸件制造过程中的缺陷位置生成,这对于产品开发人员以及铸件制造人员来说相当有帮助。