【正文】 要 I 摘 要 夾雜缺陷對(duì)鑄件產(chǎn)生嚴(yán)重破壞作用。 關(guān)鍵字 集渣 ，橫澆道， FLOW3D，澆注系統(tǒng) 類型 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） ABSTRACT II ABSTRACT Inclusion defects seriously damage the casting quality. In pouring process, the runner has a function to capture inclusions. To explore the effect of drag collection of runner,This paper takes % carbon steel for example, and it studies the effect of the form of runner, the type of gating system, the dirt trap on drag collection by using FLOW3D simulation software . Simulation results show that: runner residue being filled can significantly improve the collection efficiency, and the semiclosed gating system is better than the closed and the open one。 古代 的鑄造方法是以 簡單的 砂型鑄造為主， 由于技術(shù)、設(shè)備等原因， 生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量往往達(dá)不到需求 ，也無法生產(chǎn)一些要求較高的鑄件，隨著時(shí)間的推移，人們?cè)阼T造方面不斷地進(jìn)行探索，并取得了較大的突破， 目前已經(jīng)研發(fā)出離心鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造等 一系列較先進(jìn)的 鑄造方法 。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。 在 傳統(tǒng)的 鑄造生產(chǎn)中，一般情況設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要成功運(yùn)用于生產(chǎn)或者 設(shè)計(jì)出 一個(gè)合理的工藝方案，往往都需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝設(shè)計(jì)人員經(jīng)過多 個(gè) ―設(shè)計(jì) → 試澆→優(yōu)化 ‖循環(huán) ，這樣勢(shì)必花費(fèi)大量 的人力、物力和財(cái)力， 同時(shí)在新產(chǎn)品的開發(fā)過程會(huì) 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。 數(shù)據(jù)顯示 ， 采用計(jì)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(duì)計(jì)算機(jī)模擬軟件的研究，并取得了不錯(cuò)的成果 。 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(cái)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。 FLOW3D 由 國際知名流體力學(xué)大師 創(chuàng) 作 ， 1985 年發(fā)布 使用。 FLOW3D 的不足 ：應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域時(shí)， 仿真鑄造應(yīng)力場(chǎng)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。 橫澆道集渣原理 夾 雜缺陷 對(duì)鑄件的影響 鑄件中夾 雜物 對(duì)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 。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。 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(duì)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】 。其次是過濾網(wǎng)不能太小，因此對(duì)于 較 小的夾雜是 無法 去除的。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(jì)（論文） 緒 論 4 金屬液，除此之外 它 還有一個(gè)重要作用就是儲(chǔ)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。 圖 橫澆 道阻渣原理 a 正確 b 錯(cuò)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(dòng)區(qū)，渣團(tuán)就不至于進(jìn)入型腔， 實(shí)現(xiàn)集 渣作用。 根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，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 。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(duì) 橫澆道的集渣作用 進(jìn)行 探索 。設(shè)計(jì)出研究需要的各種實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。 澆注過程中流動(dòng)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(jì)算得最小 上浮 速度 Vmin=。 在 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)主要包括以下一些內(nèi)容： ① 澆注系統(tǒng)類型 為 封閉、半封閉、開放式三類； ② 橫澆道的形式主要是變截面 、 彎曲 及雨淋式 ； ③ 集渣包主要有鋸齒型 、梯形和 離心式 。 開放式又稱非充滿式，金屬液不能充滿所有的組元。 在設(shè)計(jì)上述三種澆注 系統(tǒng)時(shí)，其中內(nèi)澆道 截面 形式為長方形 ， 截面面積 S 內(nèi)=， 查閱文獻(xiàn) [5]取 橫澆道截面為梯形，直澆道 截面 為圓形 。 表 澆注系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及尺寸 名稱 結(jié)構(gòu)示意圖 三維 幾何 圖 全封閉式 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直=1： ： 2 半封閉 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直=1： ： 開放式 S 內(nèi) ： S 橫： S 直 =2：2： 1 注：三種澆注系統(tǒng) S 內(nèi) 均為 橫澆道 結(jié)構(gòu) 形式設(shè)計(jì) 根據(jù)楊屹教授實(shí)驗(yàn) [12]，橫澆道形式變化 不利于提高橫澆道 集渣 效果 。 最后將上述三種橫澆道仿真結(jié)果與平直橫澆道模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 頂 注 雨 淋 式 內(nèi)澆道多，液流分布均勻，對(duì)型腔沖擊小 。 集渣包的形式 很 多， 對(duì)于 不同形式的集渣 包，集渣 效果也不盡相同。對(duì)于逆齒形集渣包 ， 金屬液流經(jīng)集渣包時(shí) ， 截面積 變大 ，齒形 方向 與流動(dòng)方向 相反，因此極易產(chǎn)生渦流，渣團(tuán) 隨渦流 卷 入 其中， 最終 停滯在集 渣包內(nèi)。離心式集渣包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：出口截面積需小于入口，方向和液流旋轉(zhuǎn)方向相反 【 1719】 。集渣包的 結(jié)構(gòu)及尺寸詳見表 集渣包 結(jié)構(gòu)及尺寸 。 參數(shù) 基本 設(shè)置包括 Global、Physies（物理參數(shù)）、 Fluids（流體設(shè)置）、 Meshingamp。粒子設(shè)置時(shí)需注意粒子直徑不能大于網(wǎng)格的直徑，這是該軟件的一個(gè) 不足之處 。如圖 為不同澆注系統(tǒng)充填過程，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為 5mm。 a)順齒 b)逆齒 c)梯形 d)離心式 圖 不同集渣包仿真過程 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 結(jié)果與分析 16 4 結(jié)果與 分析 模擬仿真結(jié)果 模擬結(jié)果主要包括：進(jìn)入型腔的粒子數(shù) N0、進(jìn)入集渣包的粒子數(shù) N進(jìn)渣率 K、阻渣率 K0以及集渣包的集渣率 K1，其中： K、 K0、 K1計(jì)算如 式 、 、其中 N 為粒子總數(shù)。 開放式 澆注系統(tǒng)金屬液無法充滿橫澆道， 渣團(tuán)無法上浮到橫澆道頂部 ， 幾乎不能起到阻渣作用 ，而封閉式澆注系統(tǒng)橫澆道可以快速充滿，集渣效果好，因此可以說橫澆道充滿對(duì)提高集渣效果具有重要作用。從結(jié)果看，平直橫澆道集渣效果比變截面和臺(tái)階式好，這說明 截面變化及彎曲 都會(huì) 對(duì) 橫澆道集渣效果 產(chǎn)生不利影響 。 而雨淋式結(jié)構(gòu) 盡管橫澆道發(fā)生了彎曲 ， 但集渣效果很好，主要是 雨淋式澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口多沖擊力小， 流速小， 充型平穩(wěn)， 有利于集渣， 集渣效果 好。從結(jié)果可以看出 集渣包對(duì)集渣效果具有明顯的 作用 ，特別是離心式的集渣包使用大大減少了夾雜 。 總之，集渣包有利于提高集渣率，減少鑄件夾雜。根據(jù)公式 可以知道渣團(tuán)半徑越大上浮速度越快。 設(shè)計(jì)橫澆道時(shí)應(yīng) 避免 采用 彎曲和變截面的橫澆道，盡量采用 平直橫澆道，對(duì)于圓柱類鑄件可考慮雨淋式澆注系統(tǒng)。鑄造工藝 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020： 184302. 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Transactions of the American foundry society, 1994,11(4): 341 347. 22 致謝 四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始 ， 在 即將離校之際 ，我的心情無法平靜，從剛進(jìn)校的毛頭小子到現(xiàn)在成熟穩(wěn)重，我收獲了太多 ,我有太多需要感謝的人。 大學(xué)生活 真的是 無限精彩 ，但時(shí)間永遠(yuǎn)無法停滯，四年 一晃而過，回首走過的歲月，大學(xué) 留給我 太多的回憶，但當(dāng)我寫完這篇論文之際，也是我離別時(shí)，此時(shí)此刻我心中無限的惆悵，有千言萬語想說，但卻不知從何說起，現(xiàn)在 除了 ―感謝 ‖兩個(gè)字， 我真的不知道 說什么表達(dá)我此時(shí)此刻的感受，最后再一次向 我的老師、我的同學(xué)、我的母校 說一聲感謝 ，你們給予我太多關(guān)心、幫助、支持、鼓勵(lì)、知識(shí)，今后我一定用我的努力來回報(bào)你們，回報(bào)社 會(huì)。tjA shfP39。 QA9wkxFyeQ^! djsXuyUP2kNXpRWXm Aamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 UE9aQGn8xp$Ramp。 ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 UE9aQGn8xp$Ramp。 ksv*3t nGK8! z89Am YWpazadNuKNamp。ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。 ks v*3t nGK8!z89Am YWpazadNuK