垂直縫隙式澆注系統(tǒng)充型特性實(shí)踐
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論文導(dǎo)讀：充型過程中型腔內(nèi)自由液面的演變過程如圖4所示。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了垂直縫隙式澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件充型凝固過程的影響規(guī)律。充型過程，垂直縫隙式澆注系統(tǒng)充型特性的數(shù)值模擬研究。
關(guān)鍵詞：垂直縫隙式澆注系統(tǒng)，充型過程，數(shù)值模擬
隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，整體鑄造大型非鐵金屬薄壁圓筒構(gòu)件日益增多，對(duì)其質(zhì)量的要求也越來越高，這類構(gòu)件通常在低壓或差壓鑄造機(jī)上用垂直縫隙式澆注系統(tǒng)鑄造。論文大全，充型過程。采用此種澆注系統(tǒng)在充型過程中金屬液經(jīng)直澆道、橫澆道由立筒和內(nèi)澆道進(jìn)入鑄型型腔，由于內(nèi)澆道的阻流作用使得金屬液在立筒中匯集，金屬液流動(dòng)速度降低，有利于氧化渣的上浮，同時(shí)金屬液緩慢進(jìn)入型腔，減少了紊流現(xiàn)象的發(fā)生，使得金屬液在型腔平穩(wěn)上升[1-3]。論文大全，充型過程�？p隙式澆道設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到鑄件的成型過程，從而對(duì)鑄件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。本章利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)圓筒形鑄件的縫隙式澆注系統(tǒng)充型特性進(jìn)行研究，分析縫隙澆道尺寸參數(shù)對(duì)鑄件充型過程的影響。
1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?br>
該圓筒型鑄件的直徑為460mm，模型高為1140mm，壁厚為20mm，如圖1所示。
通�？p隙式澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順序如下所示。設(shè)縫隙式內(nèi)澆道處鑄件壁厚為δ，如圖2所示。
1）立縫厚度a：當(dāng)δ≥10mm時(shí)，取a=(0.8~1.2)δ,當(dāng)δ≤10mm時(shí)，取a=(1.2~1.5)δ
2） 立縫的寬度b：一般取b=15~35mm
3） 立筒直徑：D=(4~6)a
立筒的數(shù)量：
其中，P為鑄件外圓周長(mm)。
按照上述計(jì)算方法，將圓筒鑄件的縫隙澆道尺寸確定為縫隙厚度20mm，縫隙寬度為55mm，立筒直徑為70mm，橫澆道尺寸為120mm×390mm×50mm，升液管直徑為100mm如圖3所示。選取A356合金作為充填介質(zhì)，澆注溫度為720℃，澆注時(shí)間為65s。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1型腔和立筒中液面的變化
模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用縫隙式澆注系統(tǒng)時(shí)，型腔中液體金屬的自由表面在大部分時(shí)問內(nèi)平穩(wěn)上升，充型過程中型腔內(nèi)自由液面的演變過程如圖4所示。
在壓力作用下金屬液自升液管上升并進(jìn)入橫澆道，而后經(jīng)過內(nèi)澆道進(jìn)入立筒。當(dāng)液頭進(jìn)入立筒后，由于縫隙對(duì)液流的阻力較大，同時(shí)，由于液頭正面遇到型壁的阻礙，立筒中液面要比型腔中液面高，見圖4(a)。論文大全，充型過程。隨后，液流改變流動(dòng)方向，沿型腔底面向兩側(cè)橫向流動(dòng)，當(dāng)液頭遇到側(cè)壁后，液流沿側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)并失去其速度頭而形成返回流，與此同時(shí)，立筒中的液面也在不斷升高見圖4(b)。當(dāng)從縫隙中流入的液流與從型腔末端型壁處返回的液流相遇后，型腔中的液面基本呈水平狀態(tài)，型腔和立簡中的液面相差很小見圖4(c)。此后，型腔和立筒中的液面高度差消失，液面平穩(wěn)上升，直至充型結(jié)束見圖4(d)。因此，對(duì)于縫隙式澆注系統(tǒng)來說，僅在充型初期，液面變化較為劇烈，而在充型過程的大部分時(shí)問，液面上升平穩(wěn)。
2.2型腔中速度場的演變規(guī)律
充型過程中自由液面的變化是速度場變化的宏觀表現(xiàn)，為了進(jìn)一步研究充型過程中液體金屬的流動(dòng)狀態(tài)，還需要進(jìn)一步分析金屬液在充型過程中的速度場變化。
圖5為型腔中鋁液的速度場的演變過程。金屬液通過縫隙式澆道進(jìn)入鑄型時(shí)兩側(cè)的速度不對(duì)稱分布，并具有一定的噴射充填效果，見圖5(a)所示。當(dāng)液頭遇到側(cè)壁而形成回流后，在型腔底部靠近縫隙處形成一個(gè)漩渦，見圖5(b)。當(dāng)縫隙中流入的液流與從型腔末端型壁處返回的液流相遇后，通過縫隙下部進(jìn)入型腔的液體的速度逐漸減小，而通過縫隙上部進(jìn)入型腔的液體沿橫向流動(dòng)時(shí)由于受到側(cè)壁的阻礙，分別形成兩個(gè)方向流動(dòng)，如圖5(c)。同時(shí)由于兩股液流相遇，在鑄型底部靠近側(cè)壁一側(cè)又形成一個(gè)漩渦，見圖5(e)。隨著充型的進(jìn)行，由于型腔側(cè)壁阻力增大，液態(tài)金屬的線速度逐漸降低，靠近側(cè)壁的漩渦逐漸消失，充型過程進(jìn)入平穩(wěn)上升階段，此時(shí)金屬液速度大小和流線方向基本保持不變，直至充型結(jié)束，見圖5(g)。論文大全，充型過程。
2.3縫隙澆道尺寸對(duì)充型狀態(tài)的影響
從上述分析可以看出，縫隙式澆道的尺寸參數(shù)尤其是縫隙厚度對(duì)金屬液的充型狀態(tài)具有很大的影響，為考察縫隙厚度對(duì)金屬液流動(dòng)狀態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，即縫隙厚度分別為16mm和18mm，為將立筒直徑和縫隙寬度的影響降到最低，將這兩個(gè)值取為最大，即縫隙寬度為65mm，立筒直徑為80mm。
圖6、7和8分別顯示了不同縫隙厚度條件下鑄件充型過程模擬結(jié)果。文獻(xiàn)[3]的作者通過對(duì)縫隙式澆注系統(tǒng)金屬液上升到一定高度之后隨著液面的升高，垂直縫隙內(nèi)澆道中的阻力鑄件減小，而立筒內(nèi)的壓力卻鑄件增大，從而上升到一定高度之后型腔中的金屬液面會(huì)趨于水平，所以這里只顯示充型到35%的模擬結(jié)果。
從模擬結(jié)果可以看出，縫隙厚度對(duì)金屬液流狀態(tài)具有很大影響。由于縫隙較小，造成入口處金屬液流線速度過高，充型過程產(chǎn)生了噴射現(xiàn)象，如圖6b和圖6c所示。噴射造成了充型過程中金屬液與氧氣接觸的面積增加，從而易產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。并且由于金屬液翻滾，氧化物又被卷入液態(tài)金屬中從而形成了夾雜，這將嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量。
比較圖6、圖7和圖8可知，隨著縫隙澆道的尺寸逐漸增大，金屬液的充填狀態(tài)也趨于平緩。論文大全，充型過程。如圖8所示，在縫隙澆道厚度較大（20mm）的情況下，金屬液充填過程較為平穩(wěn)，基本上呈水平上升，這樣就減少了充型過程中氧化夾雜缺陷，可以有效改善鑄件的質(zhì)量。論文大全，充型過程。
3 結(jié)論
利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了垂直縫隙式澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件充型凝固過程的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，縫隙厚度對(duì)金屬液流狀態(tài)具有很大影響。
（1）在縫隙較小的情況下入口處金屬液流線速度過高，充型過程產(chǎn)生了噴射現(xiàn)象。
�。�2）在縫隙澆道厚度較大（20mm）的情況下，金屬液充填過程較為平穩(wěn)，基本上呈水平上升。
�。�3）隨著縫隙澆道的尺寸逐漸增大，金屬液的充填狀態(tài)也趨于平緩。
參考文獻(xiàn)
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