【正文】 壓力鑄造等 一系列較先進(jìn)的 鑄造方法 。這些鑄造方法與古代鑄造方法相比都較大的提高鑄件質(zhì)量。當(dāng)然由于技術(shù)不斷改進(jìn)，先進(jìn)設(shè)備的使用，砂型鑄造的鑄件質(zhì)量也得到了較大的改善 。但是 無論何種鑄造方法 都無法避免一個普遍 存在的問題— 鑄件缺陷，鑄件缺陷 嚴(yán)重影響鑄件的性能，甚至導(dǎo)致 廢品，部分鑄件廢品率甚至達(dá)到 30%，這 必然加大材料的浪費(fèi)，增加勞動強(qiáng)度，促使 生產(chǎn)成本 提高 。鑄件的缺陷 種類 很多，比如氣孔、夾雜、粘砂 、 澆不到、冷裂、冷隔、變形等 ， 而在這些缺陷中，夾雜類缺陷占較高比例。 據(jù) 報道 ，在鑄造生產(chǎn)中 ,由于夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的 50% ~ 60%【 1】 ，因此減少鑄件夾雜 可以大大 降低廢品率 ，降低生產(chǎn)成本 。 目前普遍認(rèn)為橫澆道具有一定的捕獲夾雜物功能即集渣作用，因此 提高橫澆 道集渣 作用可以 減少鑄件的夾雜 類缺陷 ， 這將會大大降低廢品率 ，從而降低生產(chǎn)成本 ，這 也正 是本課題研究的初衷和意義所在。 計算機(jī)在鑄造上的應(yīng)用和發(fā)展 我國是一個鑄造大國卻不是鑄造強(qiáng)國，要想成為一個鑄造強(qiáng)國，就必須 向鑄造強(qiáng)國看齊，適應(yīng) 當(dāng)代世界經(jīng)濟(jì)全球化、快節(jié)奏的趨勢，做到市場反應(yīng)快速、低成本 、 高質(zhì)量 、高效率 ，這就必須對傳統(tǒng)鑄造業(yè)進(jìn)行提升 和改革 。 在 傳統(tǒng)的 鑄造生產(chǎn)中，一般情況設(shè)計的產(chǎn)品要成功運(yùn)用于生產(chǎn)或者 設(shè)計出 一個合理的工藝方案，往往都需要經(jīng)驗豐富的工藝設(shè)計人員經(jīng)過多 個 ―設(shè)計 → 試澆→優(yōu)化 ‖循環(huán) ，這樣勢必花費(fèi)大量 的人力、物力和財力， 同時在新產(chǎn)品的開發(fā)過程會 增加產(chǎn)品的研發(fā)成本和研發(fā)周期， 總之，傳統(tǒng)鑄造 生產(chǎn) 其 成本 較高 ，這已經(jīng)無法 滿足鑄造行業(yè)發(fā)展需求。從目前來看，鑄造行業(yè)的一個重要發(fā)展趨勢是工藝設(shè)計由經(jīng)驗判斷走向定量分析， 利用 計算機(jī)來 進(jìn)行工藝設(shè)計、 確定工藝參數(shù) ，通過仿真 預(yù)測過程中可能出現(xiàn)的缺陷 ，從而 采取的防止措施 ，優(yōu)化工藝方案 ， 實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高 產(chǎn) 、低耗、清潔的 生產(chǎn)過程 。計算機(jī) 應(yīng)用逐步使鑄造 工藝研究從 ―定性 ‖走向 ―定量 ‖、從 ―經(jīng)驗 ‖走向 ―科學(xué) ‖[24]。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 2 模擬軟件應(yīng)用的意義 數(shù)值模擬是計算機(jī)在鑄造上的重要應(yīng)用之一。 數(shù)據(jù)顯示 ， 采用計算機(jī)模擬仿真技術(shù)可以縮短產(chǎn)品試制周期的 40%，降低生產(chǎn)成本 30%，生產(chǎn)效率提高 25%【 5】 ，因此越來越多的公司加大了對計算機(jī)模擬軟件的研究，并取得了不錯的成果 。 目前國外 普遍采用的鑄造 模擬軟件 有 美國的 PROCAST 和 FLOW3D， 德國的MAGMAsoft， 芬蘭的 CASTCAE， 西班牙的 FORCAST， 日本的 CASTTEM， 法國 的 SIMULOR，瑞典的 NOVASOLID。 我國在這方面起步較晚，但進(jìn)展迅速，目前開發(fā)的模擬軟件有清華 FTSTAR 和華中科技大學(xué)的華鑄 CAE【 6】 。 利用模擬軟件對設(shè)計 的工藝進(jìn)行模擬仿真 ， 可以觀察到產(chǎn)品的缺陷，以便 去改進(jìn) 工藝 ，最終得到較理想的 生產(chǎn)工藝 。 傳統(tǒng)鑄造中 多次試生產(chǎn)的過程 將由 模擬仿真代替，這大大減少了試生產(chǎn)所需要的 財力和勞力 ，極大提高了生產(chǎn)效率 ， 從而大大降低生產(chǎn)成本。目前我國模擬軟件在鑄造上的應(yīng)用 仍然 非常少，絕大多 數(shù) 工廠仍然 以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為主，即由 設(shè)計人員 的經(jīng)驗進(jìn)行 工藝設(shè)計 ， 然后進(jìn)行試生產(chǎn)。其主要原因： 一方面是由于工廠的模式太過傳統(tǒng)，對于新的信息了解少，新的形勢認(rèn)識不足， 無法對傳統(tǒng)的鑄造進(jìn)行提升 ；另一方面，由于我國這方面起步晚，加之缺少對這方面的人才培養(yǎng)，導(dǎo)致計算 機(jī)在鑄造上 的 應(yīng)用型人才 基本 處于空缺狀態(tài)。 FLOW3D 簡介 由于本課題是以 FLOW3D 仿真軟件作為 研究 基礎(chǔ)， 下面 對 FLOW3D 軟件進(jìn)行 簡要介紹 。 FLOW3D 由 國際知名流體力學(xué)大師 創(chuàng) 作 ， 1985 年發(fā)布 使用。FLOW3D 是 一 款 三維工程流體力學(xué)分析軟件， 主要用于模擬具有自由表面的流體的流動問題 ， 是高效能的計算 機(jī) 仿真工具 ，廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域， 例如：航空航天、水利、海運(yùn)、環(huán)境工程、金屬鑄造、微機(jī)電系統(tǒng)、噴涂等領(lǐng)域 。 雖然 FLOW3D 的功能強(qiáng)大，優(yōu)勢也很明顯，但仍存在一 些不足之處 [9,14]。 FLOW3D 的主要 優(yōu) 勢 ：單一軟件界面整合了所有問題的網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模擬計算和后處理，通過選擇模型、選擇求解方程和求解方式 (隱式、顯式 )，實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化控制 ； 流場仿真效果出眾，尤其是高速流動 ； 基于有限差分法的網(wǎng)格劃分， 可自動劃分網(wǎng)格并提供多組塊網(wǎng)格劃分， 操作簡單、不易出錯，并且使用了自由網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格不易失真 【 7】 。 FLOW3D 的不足 ：應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域時， 仿真鑄造應(yīng)力場穩(wěn)定性差，并且 材料數(shù)據(jù)庫中的熱物性參數(shù)，如密度、熱導(dǎo)率、比熱、潛熱、熱膨脹系數(shù)等是某一溫度下的常數(shù)，而不是溫 度的函數(shù)，與實(shí)際情況偏差較大。另一方面，參數(shù)設(shè)置時，無關(guān)參數(shù)干擾嚴(yán)重， 影響了仿真的穩(wěn)定性和結(jié)果的準(zhǔn)確性 【 7,21】 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 3 FLOW3D 在鑄造方面主要用于金屬液態(tài)流動充型 、 凝固 收縮、應(yīng)力場、二元偏析、表面缺陷追蹤等分析等，并且可以 模擬不同金屬材料 的各種 鑄造過程，如 ：壓鑄、低壓鑄造 、 重力、傾斜重力鑄造 、 消失模鑄造 、 砂模鑄造 、 離心鑄造 、半固態(tài)鑄造等 【 36】 。針對本課題研究，主要 采 用重力砂型鑄造 。 橫澆道集渣原理 夾 雜缺陷 對鑄件的影響 鑄件中夾 雜物 對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，夾雜物主要是一些 非金屬氧 化物、金屬 氧化物、硫化物、硅酸鹽或氮化物等，其來源甚為復(fù)雜 。 一般來說，受耐火材料、爐體、空氣氧化等外因的影響愈大，夾雜物的顆粒就愈大。目前普遍認(rèn)為鑄造生產(chǎn)中的夾雜主要是冶煉過程和澆注過程中產(chǎn)生 的 。 冶煉過程中產(chǎn)生的渣團(tuán)主要有鋼渣、高爐渣。鋼渣根據(jù)爐型可分為電爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、平爐渣， 是在冶煉金屬的過程中排出的固體廢物，主要成分是鈣、鐵、銅、硅、鎂、鋁、錳、磷等氧化物。 高爐渣中主要成分為 CaO、 SiOAl2O3， 是冶煉生鐵時從高爐中排出的廢物 。 當(dāng)爐溫達(dá)到 1400—1600℃ 時，爐料熔融 、 礦石中的脈石、焦炭中的 灰分 、 助溶劑和其他不能進(jìn)入生鐵中的雜質(zhì)形成以硅酸鹽和鋁酸鹽為主浮在鐵水上面的熔渣 ，這些熔渣在出鐵水時被拔除，但是無法完全拔除干凈。 澆注過程產(chǎn)生的夾雜 物 主要有：鋼流的二次氧化；塞頭、水口、中注管、場道磚受鋼流浸蝕或沖刷的產(chǎn)物 ；澆 包中的 熔 渣和錠模的保護(hù)渣所帶入的夾雜物。 鑄件中的夾 雜物 破壞了金屬基體的連續(xù)性，造成 金屬 組織的不均勻性，使金局的力學(xué)性能，特別是金屬的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度受到影響，對金屬的物理化學(xué)性能也產(chǎn)生不良影響 ，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等 ，因此必須盡量降低鑄造夾雜 【 810,20】 。 橫澆道集渣原理 目前，預(yù)防鑄件夾雜 缺陷 一般采用過濾、撇渣、浮渣等方法。在澆注系統(tǒng)中安置過濾網(wǎng)能有效地預(yù)防夾雜。但是，在澆注系統(tǒng)安置過濾網(wǎng)也有很大局限性，首先，過濾網(wǎng)的加入不能充分發(fā)揮直澆道的液態(tài)補(bǔ)縮能力，鑄件工藝出品率顯著降低。其次是過濾網(wǎng)不能太小，因此對于 較 小的夾雜是 無法 去除的。另一 方 面，最重要的是過濾網(wǎng)價格不菲，這 會 大大提高生產(chǎn)成本 【 11】 。目前，在澆注系統(tǒng)設(shè)計中，一般都考慮 “浮渣法”，即 利用渣團(tuán)自身上浮到橫澆道頂部被截獲。 橫澆道是位于內(nèi)澆口和直澆道之間的中間通道，它有效的將內(nèi)澆道與直澆道連接起來， 是 澆注系統(tǒng)最重要的 組元 。橫澆道的主要作用是向內(nèi)澆道平穩(wěn)的輸送攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 4 金屬液，除此之外 它 還有一個重要作用就是儲存最初澆入的含氣和渣污的低溫金屬液并阻留渣滓，因此橫澆道又叫捕渣道。目前對于中小鑄件多采用橫澆道進(jìn)行擋 渣。橫澆道的集渣原理如圖 （ a）所示，由于渣團(tuán)密度比金屬小，渣團(tuán)在浮力作用下上浮，同時隨金屬液作水平運(yùn)動，如果渣團(tuán)能上浮到橫澆道的頂部或超過內(nèi)澆道的吸動區(qū)，渣團(tuán)就不會進(jìn)入型腔，實(shí)現(xiàn)集渣。若橫澆道與內(nèi)澆口高度設(shè)計不當(dāng)，渣團(tuán)就容易進(jìn)入型腔，如圖 （ b）為設(shè)計不良的橫澆道。 圖 橫澆 道阻渣原理 a 正確 b 錯誤 根據(jù)橫澆道集渣原理 ，如果渣團(tuán) 在進(jìn)入內(nèi)澆口前 能上浮到橫澆道的頂部 或 超過內(nèi)澆道的吸動區(qū)，渣團(tuán)就不至于進(jìn)入型腔， 實(shí)現(xiàn)集 渣作用。所以有人認(rèn)為只要將橫澆道設(shè)計的足夠長 ， 內(nèi)澆口足夠遠(yuǎn)，渣團(tuán)就有充足的時間上浮， 從而 被截獲。但是其中一個很重要問題是若橫澆道太長、太高會造成浪費(fèi)金屬液量的浪費(fèi)，這勢必 增加生產(chǎn)成本，不符合生產(chǎn)要求。 另一方面影響橫澆道集渣的因素很多，不僅僅只與橫澆道自身有關(guān)，還與直、橫、內(nèi)澆道的配合 ，金屬液粘度、流速等有關(guān)。 根據(jù)流體力學(xué)知識，可以推出渣團(tuán)勻速上浮速度： ρρρ 渣C Rg 3 )(8V 0 ?? 式（ ） 式中 R — 渣團(tuán)半徑 ； ρ — 金屬液密度； ρ — 渣團(tuán)密度； g — 重力加速度，等于 ； C — 渣團(tuán)上浮的阻力系數(shù) ,與流體的雷諾數(shù)有關(guān)，詳 見表 。 表 不同雷諾數(shù) Re 下的阻力系數(shù) C Re 1 102 103 104 105 106 C 28103 103 10 3 10 3 10 3 10 3 根據(jù)以上公式可以看出橫澆道捕渣作用與渣團(tuán)密度、渣團(tuán)半徑 、阻力系數(shù) 等攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 5 有關(guān)，當(dāng)然直澆道 與 內(nèi)澆口 存在 一定距離使 得 渣團(tuán)有時間上浮是 集渣的 前提條件。部分專業(yè)人士對橫澆道集渣效果進(jìn)行 了 研究， 并 得出一些 結(jié)論 ，例如楊屹教授 進(jìn)行了實(shí)驗研究 【 12】 ， 根據(jù)他的實(shí)驗結(jié)果，認(rèn)為橫澆道需充滿 才能保證集渣效果，同時平直的橫澆道有利集渣。除此之外， 文獻(xiàn) [13]和 [14]中 明確指出要使橫澆道具有集渣作用，其中一個必要條件是橫澆道高度必須大于內(nèi)澆口的吸動區(qū)。因此 怎樣才能使集渣效果好但又 能 盡量減少浪費(fèi)金屬液呢？這是本 課題 將研究的重點(diǎn) ，本文將 進(jìn)一步 對 橫澆道的集渣作用 進(jìn)行 探索 。由于 FLOW3D 軟件 仿真結(jié)果與 實(shí)際結(jié)果 接近度高達(dá) 95%[6]，數(shù)據(jù)可信度非常高，這對于研究具有非常重要的意義 ，基于 FLOW3D 眾多優(yōu)勢， 本文 采用 FLOW3D 對 集渣效果 進(jìn)行研究 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實(shí)驗設(shè)計 6 2 實(shí)驗設(shè)計 實(shí) 驗方法 本文以長方體作為鑄件，鑄件長為 200mm， 寬為 100mm， 高為 100， 如圖 所示。鑄件材料為 %碳鋼（ 液態(tài) 密度 ρ=），鑄件的質(zhì)量為 。設(shè)計出研究需要的各種實(shí)驗方案，利 用 FLOW3D 進(jìn)行模擬仿真， 并以粒子作為渣團(tuán)， 最后將進(jìn)入型腔的粒子數(shù)作為 實(shí) 驗結(jié)果。 圖 鑄件 實(shí)驗參數(shù) 本課題需要的主要參數(shù)包括流體 種類 、 澆注 溫度、粒子 （渣團(tuán)） 類型、粒子密度、粒子數(shù)量、渣團(tuán)密度、內(nèi)澆口面積、內(nèi)澆口于直澆道距離、流動類型（紊流和層流 )、壓頭高度、內(nèi)澆口的截面積以及產(chǎn)生的總的粒子數(shù)量等 ， 部分參數(shù)選擇如表 。 表 參數(shù)選取 流 體 渣團(tuán)密度/g .cm3 粒子數(shù)量/個 壓頭高度/mm 流動類型 內(nèi)澆口截面積 /cm2 澆注溫度 /K 當(dāng)量直徑 /mm %的碳鋼 250 200 紊流 1800 1~7 本文以 %碳鋼進(jìn)行研究 ； 鋼渣的密度一般在 ~， 本文選取平均值 作為鋼渣密度； 鑄造中 流體 流動均為 紊流；查閱 文獻(xiàn) [15]計算得內(nèi)澆口截面積為 ， 壓頭高度 200mm；根據(jù)本文研究情況粒子當(dāng)量直徑取17mm；粒子總數(shù)設(shè)置為 250，且在整個過程保持不變。 根據(jù)橫澆道的集渣原理，可知在內(nèi)澆口 與 直澆道之間需存在一定的距離，才能使渣團(tuán)有時間上浮，這是集渣的前提條件 ，因此在設(shè)計時必須保證這個最小距離。 澆注過程中流動通常為紊流 Re＞ 2300，根據(jù)上述表 在紊流范圍內(nèi) 選取最大的阻力系數(shù) C=10– 3；設(shè) 最小可被截獲 粒子當(dāng)量直徑為 1mm， 則最小的半徑 R=， 將 上述 數(shù)據(jù)帶入公式 ， 可計算得最小 上浮 速度 Vmin=。本文 中 橫澆道最大高度為 30mm， 則 粒子上浮到橫澆道頂部 最大上浮時間攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文