張守魁 王丹虹

大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 遼寧大連 116024

☆現(xiàn)代教育技術(shù)與裝備☆

消失模鑄造設(shè)備及液態(tài)金屬前沿的仿真

張守魁 王丹虹

大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)、傳播及研究中具有積極的作用。通過(guò)對(duì)消失模鑄造設(shè)備的振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)、振動(dòng)垂直提升機(jī)以及液態(tài)金屬前沿的狀況進(jìn)行了Flash模擬。動(dòng)畫(huà)演示了輸砂機(jī)砂粒篩分及輸送過(guò)程，演示了液態(tài)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(xiàn)象。介紹了模擬的一些制作過(guò)程。

消失模鑄造；Flash；仿真；液態(tài)金屬前沿；輸砂機(jī)

鑄造領(lǐng)域進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)比較普遍，比如對(duì)凝固過(guò)程的模擬，對(duì)沖天爐的模擬等。對(duì)消失模鑄造進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬也是非常有意義的。用計(jì)算機(jī)可對(duì)消失模鑄造過(guò)程、設(shè)備、液態(tài)金屬前沿及凝固過(guò)程等進(jìn)行模擬，把不可觀察的過(guò)程變?yōu)橹庇^的動(dòng)畫(huà)演示，或計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，通過(guò)建模的方法，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬消失模鑄造，并得到數(shù)字上的結(jié)論。

筆者就Flash對(duì)消失模鑄造設(shè)備的工作以及液態(tài)金屬前沿狀況的模擬進(jìn)行說(shuō)明。

消失模鑄造用設(shè)備包含一系列裝置，如發(fā)泡機(jī)、振動(dòng)造型機(jī)、振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)、振動(dòng)垂直提升機(jī)等。對(duì)消失模鑄造設(shè)備主要模擬了振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)、振動(dòng)垂直提升機(jī)。

1 垂直提升機(jī)模擬及Flash按鈕制作

垂直振動(dòng)提升機(jī)的結(jié)構(gòu)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(hù)板等。兩臺(tái)激振器在空間交叉安裝。工作時(shí)，激振器同步振動(dòng)。而兩臺(tái)激振器不平衡的慣性力合成為沿著垂直方向的振動(dòng)力以及繞垂直方向的振動(dòng)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(jī)工作模擬頁(yè)面

利用直線工具繪制出垂直提升機(jī)的輪廓如圖1所示，并創(chuàng)建一個(gè)新的元件，命名為砂粒，在砂粒元件中繪制出一個(gè)灰色的圓形。該元件就是垂直提升機(jī)里面的砂粒，一共建立15個(gè)砂粒圖層，每個(gè)圖層里都需要有4顆砂粒，在時(shí)間上，它們不可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，所以每一個(gè)圖層里砂粒的運(yùn)動(dòng)都是單獨(dú)往復(fù)的，且每10幀制作一個(gè)砂粒圖層，4顆砂粒做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

砂粒的運(yùn)動(dòng)是盤(pán)旋向上的，因?yàn)樯傲２粏为?dú)受到向上的提升力，還要受到一個(gè)扭矩的共同作用，最后形成了螺旋上升的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為了展示這一趨勢(shì)，必須給垂直提升機(jī)一個(gè)向上的力的展示，所以，須要新建一個(gè)元件命名為力，輸入力的符號(hào)F，并繪制一個(gè)箭頭指示力的方向，讓元件做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，箭頭指向必須向上。繪制一個(gè)彎箭頭，代表扭矩，原理同力的指示方向類(lèi)似。

為了方便查看Flash文件，應(yīng)給文件添加按鈕。圖2是Flash的動(dòng)作設(shè)計(jì)面板,有幾個(gè)經(jīng)常使用的函數(shù)：

圖2 動(dòng)作設(shè)置面板

on函數(shù)，在每個(gè)Flash播放按鈕中該函數(shù)是必須要有的，該函數(shù)是所有函數(shù)的入口，在其函數(shù)的括號(hào)中一般我們選擇“釋放”，也就是當(dāng)點(diǎn)該按鈕釋放后，動(dòng)作才會(huì)發(fā)生。

介紹一些常用按鈕的制作：

(1)開(kāi)始按鈕。打開(kāi)公共庫(kù)，選擇按鈕，選取適合的按鈕后新建一個(gè)圖層，命名為“Play”，將按鈕的圖標(biāo)拖至合適位置，然后選中這一圖層，打開(kāi)動(dòng)作設(shè)置面板，在面板中輸入代碼：on (release) {play();

}

選擇控制菜單里面的測(cè)試電影功能，檢驗(yàn)一下按鈕制作是否成功。

(2)停止按鈕。打開(kāi)公共庫(kù)，選擇按鈕，選取適合的按鈕后新建一個(gè)圖層，命名為“Stop”，然后將按鈕的圖標(biāo)拖至合適的位置，選中該層，打開(kāi)動(dòng)作設(shè)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(gè)按鈕類(lèi)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(shè)備及液態(tài)金屬前沿的Flash仿真將6種按鈕的制作完全應(yīng)用到了文件的制作中。

2 水平振動(dòng)輸送篩分機(jī)模擬

振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由彈簧、激振器、出砂口、篩網(wǎng)、入砂口等4部分組成。篩網(wǎng)為雙層，上篩網(wǎng)孔大，下篩網(wǎng)孔小。

圖3 振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)工作模擬頁(yè)面

振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)是集輸送和篩分于一體的消失模鑄造專(zhuān)用砂處理設(shè)備，工作時(shí)利用激振器產(chǎn)生激振力，使物料在機(jī)體內(nèi)做拋擲運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于具有合理匹配的篩分結(jié)構(gòu)，使物料在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)達(dá)到篩分效果，可使消失模鑄造用的型砂以?huà)仈S運(yùn)動(dòng)的形式，達(dá)到在進(jìn)行水平輸送的同時(shí)還能進(jìn)行篩分，除掉型砂中塊狀物及粉塵達(dá)到凈化型砂的目的。

水平振動(dòng)篩分機(jī)在繪制場(chǎng)景上與垂直提升機(jī)非常相似，但它在動(dòng)作上要區(qū)別于垂直提升機(jī)。新建3個(gè)元件，分別是綠色的大砂粒，紅色的細(xì)砂粒，以及藍(lán)色的適中砂粒。當(dāng)砂子從入砂口進(jìn)入振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)內(nèi)后，型砂以?huà)仈S運(yùn)動(dòng)的形式向前運(yùn)動(dòng)。但不同砂粒要限定它們進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)，大砂粒(綠色的)要做上下振動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，而且必須在上篩網(wǎng)上，因?yàn)榇蟮纳傲Ｒ缓Y出。而細(xì)砂粒(紅色的)要做向下的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)雙層篩網(wǎng)落到底層，細(xì)砂粒在底層振動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，最后進(jìn)入廢砂收集袋中。造型用的適中砂粒(藍(lán)色的)落到第二層篩網(wǎng)上，做上下振動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)砂子輸送和篩分如圖3模擬頁(yè)面。

3 液態(tài)金屬前沿狀態(tài)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(shí)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(guò)程中并非只經(jīng)歷汽化過(guò)程，在很多情況下，汽化過(guò)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(xué)變化。圖4為液態(tài)金屬前沿模擬頁(yè)面，上部分為鑄型，下部分為液態(tài)金屬前沿主要物質(zhì)碳、甲烷、苯乙烯及氫隨溫度變化曲線。上下兩部分是對(duì)應(yīng)的，曲線的溫度標(biāo)注為300～1200℃。

模擬頁(yè)面是彩色的。液態(tài)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(lán)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(xiàn)幾率及分布與模擬頁(yè)面下部分的液態(tài)金屬前沿主要物質(zhì)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(qū)，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(qū)，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(qū)，液態(tài)聚苯乙烯解聚，產(chǎn)生苯乙烯單體和其他的小產(chǎn)物，熱分解溫度不同，各產(chǎn)物的含量不同。溫度達(dá)到567℃，進(jìn)入燃燒區(qū)，開(kāi)始裂解，汽化燃燒，析出的氣體顯著增加，產(chǎn)生大量小分子碳?xì)浠衔?，同時(shí)開(kāi)始分解出氫和固體碳，溫度越高，氫和固體碳越多。在液態(tài)金屬的熱作用下，EPS模樣發(fā)生熱解汽化，產(chǎn)生大量氣體，在鑄型、模樣及金屬間隙內(nèi)形成一定氣壓，液態(tài)金屬不斷地占據(jù)EPS模樣位置，向前推進(jìn)，發(fā)生液態(tài)金屬與EPS模樣的置換過(guò)程，氣體不斷通過(guò)涂層型砂，向外排放。同時(shí)，固體碳進(jìn)入液態(tài)金屬，導(dǎo)致低碳鋼及不銹鋼增碳現(xiàn)象發(fā)生。圖5模擬的液態(tài)金屬前沿，氣體正在排出鑄型及固體碳進(jìn)入液態(tài)金屬(在彩色頁(yè)面下清晰可見(jiàn))。

圖4 液態(tài)金屬前沿模擬頁(yè)面

圖5 液態(tài)金屬前沿模擬

以Flash為載體，通過(guò)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)對(duì)消失模鑄造設(shè)備的振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)、振動(dòng)垂直提升機(jī)以及液態(tài)金屬前沿的狀況進(jìn)行了模擬。動(dòng)畫(huà)演示了輸砂機(jī)砂粒篩分及輸送過(guò)程，演示了液態(tài)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(guò)程變?yōu)橹庇^的動(dòng)畫(huà)演示，讓我們對(duì)消失模鑄造有了直接的宏觀認(rèn)識(shí)。消失模鑄造模擬在消失模鑄造的推廣、研究及電化教學(xué)中是很有意義的。

振動(dòng)水平輸送篩分機(jī)、振動(dòng)垂直提升機(jī)以及液態(tài)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(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)論。二是Flash軟件使動(dòng)畫(huà)中角色的動(dòng)作失去了自然的屬性，不符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，動(dòng)作變得生硬、單一，給人一種千篇一律的感覺(jué)。所模擬的結(jié)果與實(shí)際的感官差異較大。

[1] 王曉峰，趙九洲，何杰，等.Cu-13.5%Sn合金霧化液滴凝固過(guò)程模擬[J].金屬學(xué)報(bào)，2005，9：923～928

[2] Y.H.Su,C.-Y.A.Tsao. Modeling of solidification of molten metal droplet during atomization[J].Metallurgical and Materials Transactions B，1997，28(6)：1249～1255

[3] 張守魁，王丹虹.沖天爐熔煉過(guò)程模擬[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2006，6：59～61

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(jí)工程師。