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曹韓學(xué)  賈從波  姜浩  唐浩興  李莉

 （重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

摘要  運用Flu。nt軟件對抽真空和壓鑄模具的排氣槽形狀與排氣率的影響關(guān)系進行了數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明，在型腔中抽真空能極大地提高排氣率，排氣槽口的形狀對真空壓鑄的排氣率的影響較大，漸變式和大截面形狀的排氣槽更有利于抽真空。

關(guān)鍵詞  壓鑄；排氣；抽真空

 氣孔缺陷是壓鑄件的主要缺陷之一。普通壓鑄模具的排氣能力越差，壓鑄件的氣孔率越高。對此，研究人員為了降低壓鑄件的氣孔率，做了很多研究工作。MASASHI U和萬里等采用真空壓鑄工藝，降低壓鑄金屬流體充型過程中型腔內(nèi)的氣體含量，減少了氣孔缺陷。于雪梅等采用大截面、短距離壓鑄模具排氣通道提高了型腔的排氣能力。

 然而，這些工作都沒有對壓鑄模具的排氣槽形狀與其排氣率的影響關(guān)系進行分析。本課題主要結(jié)合Flu-ent流體分析軟件對抽真空、排氣槽形狀對排氣率的影響進行分析。

1數(shù)值模擬仿真

對壓鑄排氣過程的數(shù)值仿真，將壓鑄排氣復(fù)雜的模型進行抽象，主要考慮溫度以及抽真空這兩個參數(shù)對排氣槽的排氣率的影響，不考慮金屬液的作用。對于室溫下空氣流動，其主要驅(qū)動力為流動區(qū)域進出口之間的壓力差。壓力差隨時間而大范圍的變化，表征各種不同的真空狀態(tài)。壓力值的變化很緩慢時，表明任意時刻都可以認為流動接近于穩(wěn)態(tài)。圖1為設(shè)計排氣槽的幾何形狀及網(wǎng)格，排氣槽入口和出口的尺寸比例為3：1。其中入口指靠近鑄件方向，出口與入口方向相反。

在進行排氣溢流系統(tǒng)中氣體的流動模擬時，選擇Spalart-Allmaras湍流模型，其僅考慮了動量相對簡單的傳遞方程模型。對于有固壁邊界的氣體動力學(xué)流動，采用Spalart-Allmaras模型計算邊界層內(nèi)的流動以及較大壓力梯度的流動效果。模擬參數(shù)設(shè)置見表1，出口處的溫度設(shè)置為300 K，人口處溫度設(shè)置為600 K。對于普通壓鑄的排氣，其出口處為標準大氣壓狀態(tài)，而真空壓鑄的抽真空排氣出口處的氣壓設(shè)置為0.5個大氣壓。

2  抽真空對排氣率的影響

普通壓鑄和真空壓鑄排氣槽的質(zhì)量流率分別見圖2和圖3�？梢钥闯�，普通壓鑄排氣率低，而真空壓鑄排氣率高。抽真空會加速壓鑄模具型腔內(nèi)氣體的排出，有效減少型腔中的氣體，從而減少鑄件卷入氣體。另外，還可以發(fā)現(xiàn)普通壓鑄排氣率的波動大，而真空壓鑄排氣率的波動小。抽真空技術(shù)的采用在壓鑄過程中更有效地引導(dǎo)氣體的流動，加大型腔排氣率，有效減少型腔內(nèi)殘留氣體。

 對于普通壓鑄，其排氣槽出口處的靜態(tài)壓強等于其下游區(qū)域流體的壓強。原因有如下兩點：①沒有內(nèi)在的機制導(dǎo)致排氣槽出口和入口之間產(chǎn)生靜態(tài)壓差，因此對于亞聲速流體，排氣槽人口和出口處的壓強相同；②排氣槽出口處的微小擾動通過整個流場傳遞至入口處，上游壓強的連續(xù)增加會引起質(zhì)量流動及氣體流動速度的增加，直到局部馬赫數(shù)在出口處達到統(tǒng)一。

3  型腔形狀對排氣率的影響

 在壓鑄過程中，尤其是在真空壓鑄中，排氣槽處氣體流動的速度是極有可能超過聲速，在這種條件下就極容易產(chǎn)生激波，從而引起擾動。任何時候，超聲速氣流形成一個激波時，特別是在非常薄的區(qū)域（在空氣中為10-s cm量級），通過這一區(qū)域時，密度、壓力、速度等量都會發(fā)生急劇的變化。這些變化在激波區(qū)域內(nèi)以一個連續(xù)的方式進行。但是，由于激波通常很薄，宏觀觀察到的變化是以不連續(xù)的方式發(fā)生的。因此，在傳統(tǒng)的超聲速空氣動力學(xué)中，通常在數(shù)學(xué)和物理上，將激波看作是突變的間斷。

 當氣體從一個很大的容器（或型腔）中通過一個小孔向外逸出時，可以近似為穩(wěn)態(tài)、絕熱流動，如果容器的體積相比小孔來說足夠大的話，那么可以認為容器中的氣體近似處于滯止狀態(tài)。當容器中的氣體通過小孔被完全排除達到真空的那一瞬間，小孔中氣體的流速達到最大。對于室溫時的空氣而言，溫度為300 K，比熱容C。=1 000 J/( kg．K)，空氣的最大流速可以達到775m/s。所以，在壓鑄過程中，尤其是在真空壓鑄中，排氣槽處氣體流動的速度是極有可能超過聲速，在這種條件下就極容易產(chǎn)生激波，從而引起擾動。

在空氣動力學(xué)中，壓力分布通常以相對壓力系數(shù)表示，而非壓力本身。相對壓力系數(shù)a。定義為

可見，激波的形成受障礙物的影響。在壓鑄過程中，這種擾動受制于排氣槽的幾何形狀和尺寸。在設(shè)計的突變式排氣槽（見圖1）的基礎(chǔ)上，再設(shè)計一種出口為大截面的排氣槽（見圖4），其出口處尺寸為圖1的3倍；另外一種截面形狀平穩(wěn)變化的排氣槽——漸變式排氣槽，見圖5。其中，圖4和圖5排氣槽人口方向的尺寸與圖1-樣，且這兩種形狀的的排氣槽都應(yīng)用表1中的抽真空參數(shù)進行數(shù)值仿真。模擬的出口抽真空質(zhì)量流率分別見圖6和圖7。

  本課題設(shè)計的排氣槽形狀，有兩種變化方式：從階梯式到漸變式，從小截面到大截面。對3種形狀的排氣槽進行抽真空排氣率分析。對于階梯式的排氣槽，其排氣率偏小，且在排氣過程中排氣率沒有明顯的增加，而漸變式的排氣槽，其排氣率較大，且隨著時間的推移，其排氣率增加明顯。從小截面積到大截面積的排氣槽，小截面積的排氣率小，而大截面積的排氣率大。

4結(jié)論

 (1)對于排氣槽口的氣體流動狀態(tài)，抽真空能極大地提高型腔排氣速度，減少型腔內(nèi)殘留氣體。

 (2)排氣槽口的形狀對真空壓鑄的排氣率的影響較大，漸變式和大截面的排氣槽更有利于抽真空。