熔模精铸件凝固过程温度场的数值模拟
王贵;杨莉;周铁涛
【摘 要】根据熔模精密铸造过程的传热特点,通过对铸型/环境边界及冒口/环境边界进行自然对流和辐射传热处理,改进了原有数值模拟系统,实现了对熔模铸造凝固过程温度场的数值模拟.对采用4种不同铸造工艺方案的阀体铸件凝固过程进行了数值模拟及缺陷预测,获得了与试验相一致的模拟结果.根据数值模拟结果,确定了进行批生产的铸造工艺方案.
【期刊名称】《北京航空航天大学学报》 【年(卷),期】2000(026)003 【总页数】3页(P249-251)
【关键词】熔模铸造;数值模拟;温度场;缺陷预测 【作 者】王贵;杨莉;周铁涛
【作者单位】北京航空航天大学,材料科学与工程系;北京航空航天大学,材料科学与工程系;北京航空航天大学,材料科学与工程系 【正文语种】中 文 【中图分类】工业技术
熔 模 精 铸 件 凝 固 过 程 温 度 场 的 数 值 模 拟王 贵 杨莉周 铁涛（北 京航空航天大学 材料科学与 工 程系）摘要：根据熔模精 密铸造过程的传热特点 ， 通过对铸型 ，环境边界及冒 口，环 境边界进行 自然对流和辐射传热处 理 ， 改进了 原有数值模拟系统 ， 实现了对熔模铸 造凝 固过程 温度场 的数值模拟 ． 对采用 4
种 不 同铸 造 工 艺 方案 的 阀体铸 件 凝 固 过 程 进行了数值模拟及缺陷预测 ，获得了与 试 验相一致 的模拟结果 ． 根据数值 模拟结果 ，确定 了进行批 生产 的铸造 工 艺方案 ，关 键 词： 熔模铸造； 数值模拟； 温度场； 缺陷预测中图分类号： T G 2 文 献标识 码 ： A 文章 编 号： 1 0 0 1 - 5 9 6 5( 2000) 03 -0 2 4 9 - 0 3熔模精密铸造是生产近净形金属零件的重要方法之 一 ， 在制造业中有着广泛的应用 ， 采用合理的精铸 工 艺方案是确保以 较低的生产成本获得合 格铸件的重 要 条件 ， 由于铸造过程具有 的高温 、 动 态的特点 ， 使得 获得铸件质 量 和 工 艺 因 素间 的作 用 规律 极其 困 难 ， 因 此 ， 在 实 际 生产 中 ， 往 往采 用 基 于“ 经 验 + 试验 ” 的方法 确定铸造 工 艺 方案 ， 这不仅增加 了产 品 开 发成本 ， 而 且 还 延 长 了铸 造 工艺定 型 周期1 ] ． 数值模拟技术在铸造 领域 的 发 展 和 应 用 ， 为解 决 上 述问 题 提供了有效 工 具 ． 然 而 ， 目前对铸件 凝固 过 程 数值 模 拟 技术 的 研究 ， 大 多 数还 局 限 于 砂型铸造过程 ． 要在熔模铸造过程中应用 ， 还需 要 根据熔模精密铸 造 工 艺 的 特点 ， 在算 法 上 进 行 改 进‘ 2] ． 1 熔模精密铸造 过 程 的 热 交 换 特点与普通 的砂 型 铸造 相 比 ， 熔模精 密铸 造 具 有 以 下 两 个特点：①铸型 多为薄壳 ， 其本身的蓄热能 力有 限；②在 浇注金属液 之前 ， 型 壳需 经 过高温焙 烧 和 预热 ， 并在热壳状态下 进行浇注 ．上 述 两 个特点使得 在熔模精密铸 造 的传热 过 程 中 ， 整 个铸 型 及 其外表 面处 于较高的 温度 ， 铸件 的凝 固散热速度主要 取决 于铸型外 表 面与 环境间 ． 的换热速度 ， 而 且 两者 之 间 的换热 方式 必 然 包 括 自然对流 和 热辐射 ，在砂 型 铸造 中 ， 砂箱尺寸较大 ， 砂 型 具有 足 够收稿 日 期： 1999- 0 9 - 2 7 基金 项 目 ： 国 家自然科学基金资助项 目(59975004)作者简介： 王贵（ 1963 - ），男 ，湖南双 峰人 ，副教授 ，100083 ， 北京大的蓄热能力 ， 铸 型 的外表 面 温度在铸件凝 固过 程中变化较小；铸件 的凝 固散热 速度 主 要 取决 于 铸型 的蓄热能力 ， 铸型 外表 面的换热条件 对铸件 的凝固影 响小 ． 因
此 ， 砂型铸造过程的数值模拟只 需采用 自然对 流换热边 界 即可 ． 甚 至 可 以 忽 略对 流换热 而 对 界面进行简化处理 ．为了简化计算 ，有时甚 至忽略冒 口，环境界面 之间 的热交换作用 ， 认 为铸件（ 包括 冒 口）完 全 被 铸型 包 裹 ， 等 于 仅 有 铸 型 和 环 境 相 接触 ， 事 实 上 ， 在任何铸造过程 中 ， 冒 口 对 铸件的凝 固都起着相 当重要 的作用 ， 尤其对 于熔模铸造 ， 冒 口 不仅影响 着整个换热体系 的 热交换 过 程 ， 而 且 对 铸件起着 重要 的补缩作 用 ， 因 此 要 使熔模铸造铸件凝 固过 程温度场的数值模拟 切 合铸造 实 际 ， 必 须 考 虑冒 口／环境 界 面换 热 ， 由 于 冒 口 内金属 液 面 直接 和 大 气接触 ， 因 此在铸件凝固的整个过程中 ， 冒 口 和 环 境之间亦同时 以 自然 对流和热辐射进行热交换 ． 针 对熔模精密铸造 工 艺传热中的特点 及铸型 ／环境 、 冒 口／ 环境界 面的热 交换 特点 ， 要 实 现熔模 精密铸造 铸件 凝 固 过 程 温 度 场数值模拟 ， 就 必 须 针 对其 换热特点 在 数值模拟 算法 上 进 行 改 进 ．2 数 学 模 型 假定铸 型为 一灰体 ， 其传 热控制 瞬 态 非 线 性方程 为 ‘ 3j 塑 一 ￡ （ A 筹 ） + 易 （ A 舅 ） + pc P — a t — a x王贵杨环 境边界进行 自然对流和辐射传热处 理 ， 改进了 原有数值模拟系统 ， 实现了对熔模铸造凝 固过程 温度场 的数值模拟 ． 对采用 4 种 不 同铸 造 工 艺 方案 的 阀体铸 件 凝 固 过 程进行了数值模拟及缺陷预测 ，获得了与 试 验相关键词：熔模铸造； 数值模拟； 温度场； 缺陷预测中图分类号： T G 2文 献标识 码 ： A文章编号：10-5965( 2000) 03243方法之，在制造业中有着广泛的应用 ， 采用合理的精铸 工 艺方案是确保以 较低的生产成本获得合格铸件的重 要 条件 ， 由于铸造过程具有 的高温 、 动态的特点 ， 使得 获得铸件质 量 和 工 艺 因 素间 的作用 规律 极其 困 难 ， 因 此 ， 在 实 际 生产 中 ， 往 往采 用基 于“经 验 +试验”的方法 确定铸造 工 艺 方案 ， 这]．数值模拟技术在铸造 领域 的 发 展 和 应 用 ， 为解 决 上 述问 题 提供了有效 工 具 ． 然 而 ， 目前对铸件凝固 过 程 数值 模 拟 技术 的 研究 ， 大 多 数还
熔模精铸件凝固过程温度场的数值模拟
