精密铸造大型蜡模成形过程的数值模拟

摘要

基于Moldflow软件对某大型复杂蜡模的成形过程进行了数值模拟，并在同等工艺条件下通过注蜡试验评价计算准确性。选用的KC4017B造型蜡具有非牛顿流体特征。计算结果表明，流体前沿在行进至内环环面时出现了明显停滞，流动前沿温度突然降低，形成12处充填不足的区域。试验蜡模在相同位置也出现了充填不足的孔洞，验证了数值模拟的准确性。

熔模铸造通常是用易熔材料（蜡料、塑料）制成模样，在模样表面覆盖耐火材料制成型壳，经过脱蜡和高温焙烧后进行浇注的铸造方法。采用精密铸造技术生产的钛合金铸件尺寸精度高、表面质量好，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。作为熔模铸造的第一步，研究指出蜡模尺寸和表面质量会被最终产品所继承，20%~70%的产品缺陷由蜡模不合理引起。传统上采用试错法设计压蜡工艺，耗费大量成本和时间，且难以获得最优方案。近年来数值模拟技术不断发展，已成为铸造工艺设计的有力工具。然而不足的是，蜡料与金属有着截然不同的物理特性，数值模拟常用于金属充型凝固过程，针对蜡料充填过程的数值模拟研究较少，对于大型复杂蜡模成形过程的数值模拟与工程验证更是很少有学者 道。本研究以某大型结构件蜡模为研究对象，借助Moldflow软件对注蜡过程进行计算，分析蜡模成形过程和缺陷，并通过工程试验评估数值模拟结果的准确性。

1　试验方法

试验蜡模为带有支板的中介机匣，如图1所示。外轮廓尺寸为Ф920mm×231mm，共有2个环面和5处厚大法兰，环面间由12处支板相连。流道系统由1个注蜡口、12个均布的横浇道和36个均布的内浇道组成，直径分别为10mm、18mm和18mm。铝制模具的外形轮廓为Ф1100 mm×400mm。充填蜡料是Paramelt公司提供的KC4017B型蜡，其环球软化点为64.4℃。试验在MPI-150t压蜡机上开展，注蜡口位于模具下端，压蜡工艺参数为注射流量220cm3/s，射蜡嘴直径8mm，蜡料温度65℃，模具初始温度25℃，环境温度23℃，保压压力1MPa，保压时间300s。

图1　蜡模及其浇道模型

2　数值模拟前处理

首先，采用CAD软件绘制蜡模三维实体模型，然后，将蜡模的三维数模导入Moldflow软件，使用软件 格划分模块产生蜡模模型3D 格， 格边长为4mm， 格单元总数约120万。设置分析序列为填充+保压，计算蜡模成形过程蜡料充填、凝固、收缩等物理变化。蜡模材料选择KC4017B蜡料，其热物性参数值如表1所示，液态KC4017B蜡料属于非牛顿流体，其粘度随温度和剪切速率而变化，如图2所示。模具材料选择Moldflow材料库中的A1铝，设置为刚性体，其热物性参数如表2所示。模具与蜡料之间的换热系数设置为5000W·m-2·K-1。

表1　KC4017B蜡料的热物性参数

表2　A1铝的热物性参数

图2　KC4017B蜡料粘度曲线

在模型注蜡口处设置入流边界，工艺参数设置与实际压蜡试验参数相同，勾选重力影响和惯性影响，其余采用默认设置。

3　结果与分析

蜡料充填时间的数值模拟结果如图3所示。高粘度的蜡料流体在注射口处喷射进入模具型腔内部，由横浇道分流后从内浇道进入产品本体区域，流动前沿形成凸起界面，无喷溅，总充填时间约为78s。流动动画显示在内环环面部位，流动前沿在行进至支板两侧时出现了明显停滞，蜡料在此处不再流动，形成12个局部成形不足的区域，在流动模拟完成后显示为局部异常色。对于外环、支板等其他部位，蜡料由下往上充填完整。

图3　蜡料充填时间数值模拟结果

为了分析内环充填不足的原因，可以观察流动前沿温度分布情况，如图4所示。在蜡料充填过程中，通常是靠近注射口位置的蜡料温度较高，但同时会显著受到局部壁厚的影响。可以看到支板两侧的内环环面是蜡料前沿温度最低的区域，当充填到此位置时，蜡料温度下降至49℃，已达到其玻璃化转化温度，不再具有流动性。图4中圈定的区域与图3中的最后充填区域相对应，说明此处壁面较薄，蜡料降温迅速，前沿温度过低容易导致蜡料充填不足缺陷。

图4　蜡料流动前沿温度

压蜡试验获得的实际结构件蜡模如图5所示。观察实际蜡模的成形情况，发现在支板两侧的内环部位出现了充填不足缺陷，形成大孔洞。由于试验具有更大的随机性，孔洞数量共10处，相互之间的形态和大小也略有差别，但试验中的孔洞位置与数值模拟结果基本一致，且形态与图4中圈定的区域大致吻合，验证了数值模拟的准确性和实用性。

图5　试验蜡模的充填不足缺陷

在改进方案中，将注射速率从220cm3/s提高至470cm3/s，其余参数不变。数值模拟结果显示，充填时间由78s缩短至33s，说明蜡料能更快地流动至内环并完成充填，流动前沿温度的最小值由49℃提高至58℃，相比于65℃的注射温度仅下降了7℃，显著高于此蜡料的玻璃化转变温度，充填过程顺利，确保了蜡模成形完整，如图6所示。结果表明，适当提高注射速率能够缩短蜡料充填时间，提高蜡料流动前沿温度，消除充填不足缺陷。

图6　改进方案的蜡料流动前沿温度

在实际压蜡过程中，蜡缸内蜡料温度通常保持不变，能调节的工艺参数包括注射速率、注射压力和保压时间。本次改进方案中，适当提高注射速率，减小蜡料与模具型腔内的流动时间，可以达到提高蜡料前沿温度的目的，而且不引起流痕等其他缺陷。适当增大注射压力能增大蜡料充填的动力，从而提高成形性，但过高的注射压力容易导致蜡料飞溅。改变保压时间一般来说不影响蜡料流动阶段的完整性。

按照上述数值模拟的改进方案进行了注蜡试验，获得的蜡模成形完整，无充填不足缺陷，证实了数值模拟是优化蜡模制备工艺的有效手段。

4　结论

（1）针对某大型机匣蜡模充填时间的数值模拟结果显示，蜡料流体前沿在行进至内环环面时出现了明显停滞，流动前沿温度突然降低，形成12处充填不足的区域，与试验蜡模中出现的孔洞位置和形态吻合，验证了数值模拟结果的准确性。

（2）适当提高注射速率能够缩短蜡料充填时间，提高蜡料流动前沿温度，消除充填不足缺陷。