消失模鑄造設備及液態金屬前沿的仿真

張守魁 王丹虹

大連理工大學機械學院 遼寧大連 116024

☆現代教育技術與裝備☆

消失模鑄造設備及液態金屬前沿的仿真

張守魁 王丹虹

大連理工大學機械學院 遼寧大連 116024

用Flash模擬消失模鑄造雖然有一定的局限性，但在消失模鑄造的電化教學、傳播及研究中具有積極的作用。通過對消失模鑄造設備的振動水平輸送篩分機、振動垂直提升機以及液態金屬前沿的狀況進行了Flash模擬。動畫演示了輸砂機砂粒篩分及輸送過程，演示了液態金屬前沿的聚苯乙烯、苯乙烯、甲烷、碳、氫等的變化，模擬了氣體的排出和增碳等現象。介紹了模擬的一些制作過程。

消失模鑄造；Flash；仿真；液態金屬前沿；輸砂機

鑄造領域進行計算機模擬已經比較普遍，比如對凝固過程的模擬，對沖天爐的模擬等。對消失模鑄造進行計算機模擬也是非常有意義的。用計算機可對消失模鑄造過程、設備、液態金屬前沿及凝固過程等進行模擬，把不可觀察的過程變為直觀的動畫演示，或計算機根據給定的數據，通過建模的方法，采用虛擬現實技術模擬消失模鑄造，并得到數字上的結論。

筆者就Flash對消失模鑄造設備的工作以及液態金屬前沿狀況的模擬進行說明。

消失模鑄造用設備包含一系列裝置，如發泡機、振動造型機、振動水平輸送篩分機、振動垂直提升機等。對消失模鑄造設備主要模擬了振動水平輸送篩分機、振動垂直提升機。

1 垂直提升機模擬及Flash按鈕制作

垂直振動提升機的結構如圖1所示，主要由下列部分組成：螺旋式輸送塔、激振器、彈簧、底座、護板等。兩臺激振器在空間交叉安裝。工作時，激振器同步振動。而兩臺激振器不平衡的慣性力合成為沿著垂直方向的振動力以及繞垂直方向的振動力矩，砂粒在合成力作用下沿螺旋輸送槽向上提升，從而完成物料輸送。

圖1 垂直提升機工作模擬頁面

利用直線工具繪制出垂直提升機的輪廓如圖1所示，并創建一個新的元件，命名為砂粒，在砂粒元件中繪制出一個灰色的圓形。該元件就是垂直提升機里面的砂粒，一共建立15個砂粒圖層，每個圖層里都需要有4顆砂粒，在時間上，它們不可以同時運動，所以每一個圖層里砂粒的運動都是單獨往復的，且每10幀制作一個砂粒圖層，4顆砂粒做往復運動。

砂粒的運動是盤旋向上的，因為砂粒不單獨受到向上的提升力，還要受到一個扭矩的共同作用，最后形成了螺旋上升的運動趨勢，為了展示這一趨勢，必須給垂直提升機一個向上的力的展示，所以，須要新建一個元件命名為力，輸入力的符號F，并繪制一個箭頭指示力的方向，讓元件做上下往復運動，箭頭指向必須向上。繪制一個彎箭頭，代表扭矩，原理同力的指示方向類似。

為了方便查看Flash文件，應給文件添加按鈕。圖2是Flash的動作設計面板,有幾個經常使用的函數：

圖2 動作設置面板

on函數，在每個Flash播放按鈕中該函數是必須要有的，該函數是所有函數的入口，在其函數的括號中一般我們選擇“釋放”，也就是當點該按鈕釋放后，動作才會發生。

介紹一些常用按鈕的制作：

(1)開始按鈕。打開公共庫，選擇按鈕，選取適合的按鈕后新建一個圖層，命名為“Play”，將按鈕的圖標拖至合適位置，然后選中這一圖層，打開動作設置面板，在面板中輸入代碼：on (release) {play();

}

選擇控制菜單里面的測試電影功能，檢驗一下按鈕制作是否成功。

(2)停止按鈕。打開公共庫，選擇按鈕，選取適合的按鈕后新建一個圖層，命名為“Stop”，然后將按鈕的圖標拖至合適的位置，選中該層，打開動作設置面板，在面板中輸入代碼：on (release) {gotoAndStop(1);

(3)暫停按鈕的制作基本與前兩個按鈕類似，它的代碼為：

以上是Flash播放文件基本按鈕的制作。消失模鑄造設備及液態金屬前沿的Flash仿真將6種按鈕的制作完全應用到了文件的制作中。

2 水平振動輸送篩分機模擬

振動水平輸送篩分機結構如圖3所示，主要由彈簧、激振器、出砂口、篩網、入砂口等4部分組成。篩網為雙層，上篩網孔大，下篩網孔小。

圖3 振動水平輸送篩分機工作模擬頁面

振動水平輸送篩分機是集輸送和篩分于一體的消失模鑄造專用砂處理設備，工作時利用激振器產生激振力，使物料在機體內做拋擲運動的同時，由于具有合理匹配的篩分結構，使物料在運動的同時達到篩分效果，可使消失模鑄造用的型砂以拋擲運動的形式，達到在進行水平輸送的同時還能進行篩分，除掉型砂中塊狀物及粉塵達到凈化型砂的目的。

水平振動篩分機在繪制場景上與垂直提升機非常相似，但它在動作上要區別于垂直提升機。新建3個元件，分別是綠色的大砂粒，紅色的細砂粒，以及藍色的適中砂粒。當砂子從入砂口進入振動水平輸送篩分機內后，型砂以拋擲運動的形式向前運動。但不同砂粒要限定它們進行不同的運動，大砂粒(綠色的)要做上下振動向前運動，而且必須在上篩網上，因為大的砂粒要被篩出。而細砂粒(紅色的)要做向下的運動，通過雙層篩網落到底層，細砂粒在底層振動向前運動，最后進入廢砂收集袋中。造型用的適中砂粒(藍色的)落到第二層篩網上，做上下振動向前運動。振動水平輸送篩分機砂子輸送和篩分如圖3模擬頁面。

3 液態金屬前沿狀態仿真

消失模鑄造是用泡沫塑料模制造鑄型后不取出模樣，澆注金屬時模樣汽化消失獲得鑄件的鑄造方法。泡沫塑料模樣在澆注過程中并非只經歷汽化過程，在很多情況下，汽化過程并不是主要的。泡沫塑料的變化包括軟化、熔融、汽化和燃燒等一系列物理化學變化。圖4為液態金屬前沿模擬頁面，上部分為鑄型，下部分為液態金屬前沿主要物質碳、甲烷、苯乙烯及氫隨溫度變化曲線。上下兩部分是對應的，曲線的溫度標注為300～1200℃。

模擬頁面是彩色的。液態金屬為紅色，涂料層及型砂為灰黑色，碳為黑色小圓球、甲烷為藍色中圓球、苯乙烯為綠色大圓球，氫為黃色小圓球。各彩色球在液流方向的出現幾率及分布與模擬頁面下部分的液態金屬前沿主要物質碳、甲烷、苯乙烯及氫隨溫度變化曲線基本相符。溫度處于75～164℃，為軟化區，泡沫塑料只是軟化、體積收縮，其密度增大。溫度處于164～316℃，為熔化區，聚苯乙烯變成液體，其分子量保持不變。溫度處于316～567℃，為汽化區，液態聚苯乙烯解聚，產生苯乙烯單體和其他的小產物，熱分解溫度不同，各產物的含量不同。溫度達到567℃，進入燃燒區，開始裂解，汽化燃燒，析出的氣體顯著增加，產生大量小分子碳氫化合物，同時開始分解出氫和固體碳，溫度越高，氫和固體碳越多。在液態金屬的熱作用下，EPS模樣發生熱解汽化，產生大量氣體，在鑄型、模樣及金屬間隙內形成一定氣壓，液態金屬不斷地占據EPS模樣位置，向前推進，發生液態金屬與EPS模樣的置換過程，氣體不斷通過涂層型砂，向外排放。同時，固體碳進入液態金屬，導致低碳鋼及不銹鋼增碳現象發生。圖5模擬的液態金屬前沿，氣體正在排出鑄型及固體碳進入液態金屬(在彩色頁面下清晰可見)。

圖4 液態金屬前沿模擬頁面

圖5 液態金屬前沿模擬

以Flash為載體，通過簡單的動畫對消失模鑄造設備的振動水平輸送篩分機、振動垂直提升機以及液態金屬前沿的狀況進行了模擬。動畫演示了輸砂機砂粒篩分及輸送過程，演示了液態金屬前沿的聚苯乙烯、苯乙烯、甲烷、碳、氫等的變化，模擬了氣體的排出和增碳。把不可觀察的微觀過程變為直觀的動畫演示，讓我們對消失模鑄造有了直接的宏觀認識。消失模鑄造模擬在消失模鑄造的推廣、研究及電化教學中是很有意義的。

振動水平輸送篩分機、振動垂直提升機以及液態金屬前沿狀況的Flash模擬僅是原理的、概括的、放大的模擬，有一定的局限性。一是量值上的不確定，模擬不能得到準確的數值結論。二是Flash軟件使動畫中角色的動作失去了自然的屬性，不符合運動規律，動作變得生硬、單一，給人一種千篇一律的感覺。所模擬的結果與實際的感官差異較大。

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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

張守魁，本科，高級工程師。