【文章內(nèi)容簡介】 ） 實驗設(shè)計 7 Tmax=； 流體在橫澆道長度方向速度 V，可根據(jù)本文設(shè)計的壓頭高度計算得V=， 故直澆道 與內(nèi)澆口的最小距離距離 Lmin=VT==，因此 在 進行實驗 設(shè)計時，直澆道 與內(nèi)澆口 的距離需要大于 .。 . 實 驗 設(shè)計 內(nèi)容 據(jù)以上所述橫澆道集渣作用影響因素很多，本文就 針對其中 一些 主要的 影響因素來探討橫澆道集渣作用。其中探討的主要內(nèi)容包括澆注系統(tǒng)類型、橫澆道的結(jié)構(gòu)形式、集 渣包的使用幾方面。 在 實驗 設(shè)計時，設(shè)計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 。 不同 澆注系統(tǒng) 類型 設(shè)計 澆注系統(tǒng)類型主要有封閉、開放式，但通常認(rèn)為在兩者之間還存在一種半封閉式 [35,20]。 封閉式澆注系統(tǒng)又稱充滿式澆注系統(tǒng)即所有組元都能被金屬液充滿，主要優(yōu)點是可防止金屬液卷入氣體，消耗金屬液少，清理方便，缺點是進入型腔的金屬液流速高，易產(chǎn)生噴濺和沖砂，使金屬液發(fā)生擾動、渦流 、氧化。適用于鑄鐵的濕型小件及干型中、大件。 開放式又稱非充滿式，金屬液不能充滿所有的組元。主要優(yōu)點是進入型腔的速度小，充形平穩(wěn)，沖刷力小，氧化輕，但是當(dāng)直澆道為非充滿式，也容易產(chǎn)生高度紊流，造成嚴(yán)重氧化，在設(shè)計時要慎重考慮。一般來說，開放式金屬液消耗多，不利于清理，常用于非鐵合金、球鐵、鑄鋼等易氧化鑄件 。 半封閉是 介于 封閉 式澆注系統(tǒng) 于開放 式澆注系統(tǒng) 之間的 另 一種澆注系統(tǒng) 類型 ， 它以 橫澆道截面 積 最大，充型時仍充滿狀態(tài)，但較封閉式晚，充型較封閉平穩(wěn)，卷氣較少，比較適用易氧化的金屬 [8,11]。 在設(shè)計上述三種澆注 系統(tǒng)時，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 [5]取 橫澆道截面為梯形，直澆道 截面 為圓形 。 封閉式：取澆口比 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直 =1： ： 2=： ： ，根據(jù)橫澆道截面積查 閱文獻 [15]選擇尺寸 詳 見表 ；經(jīng) 計算 直澆道截面 直徑 d=32mm，其他尺寸詳見表 。 半封閉式 ： 取澆口比 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直 =1： ： =： ： ， 經(jīng)計算 直澆道 截面 直徑 d=26mm，橫澆道尺寸 選取及 其他尺寸詳見表 。 開放式 ： 澆口比 S 內(nèi) ： S 阻 ： S 橫 ： S 直 =2： ： 2： 1=： ： ： ,經(jīng)計攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 8 算 直澆道 截面 直徑 d=16mm,整個澆注系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及 相關(guān) 尺寸 詳 見 表 。 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 根據(jù)楊屹教授實驗 [12]，橫澆道形式變化 不利于提高橫澆道 集渣 效果 。 本文將對橫澆道形式進一步研究， 在 本文里，橫澆道的形式主要是指截面積變化及長度方向上 彎曲變化。橫澆道 截面積的變化僅指面積變化 ，而 截面形狀 保持不 變的，在整過研究過程中，橫澆道截面始終保持為梯形。本文將以幾種典型常 見 的橫澆道變化形式 【 20】 做研究，主要 包括 截面積變化、橫澆道有臺階、頂注雨淋式。 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)果進行對比分析。 幾 種橫澆道結(jié)構(gòu)形式 及尺寸詳 見表 ，澆口比： S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直 =1： ： =：： ，經(jīng)計算 直澆道 截面 半徑 d=26mm。 表 不同 橫澆道結(jié)構(gòu)形式 及尺寸 名稱 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 三 維 幾 何 圖 特 點 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 9 變 截 面 以橫澆道為阻流，充型平穩(wěn)，適用于中大鑄件生產(chǎn) 。 表 不同 橫澆道結(jié)構(gòu)形式 及尺寸 續(xù) 臺 階 式 橫澆道 長度上發(fā)生轉(zhuǎn)折，充型過程，易 發(fā)生擾動 。 頂 注 雨 淋 式 內(nèi)澆道多，液流分布均勻，對型腔沖擊小 。 能實現(xiàn)順序凝固，有良好的補縮能力，有利于獲得 組 織致 密的 鑄件 。 平直截面 紊流弱， 流動平穩(wěn)，充型穩(wěn)定。 集渣包設(shè)計 集渣包是橫澆道上被局部加高、加大的部分，顧名思義集渣包 即用于收集 渣團粒子 ， 它的主要作用就是收集橫澆道內(nèi)上浮的夾雜物。 集渣包的形式 很 多， 對于 不同形式的集渣 包，集渣 效果也不盡相同。最常見的集渣包類型有齒形、梯形和離心式。 齒形集渣包通常又分為順齒形和逆齒形。 根據(jù)理論知識， 順齒形集渣包，流體 經(jīng) 過集渣包時， 渣團因上浮被集渣包所捕獲停留在其中，能起到一定的集渣效果。對于逆齒形集渣包 ， 金屬液流經(jīng)集渣包時 ， 截面積 變大 ，齒形 方向 與流動方向 相反，因此極易產(chǎn)生渦流，渣團 隨渦流 卷 入 其中， 最終 停滯在集 渣包內(nèi)。逆齒形比順齒集渣效果好，在實際生產(chǎn)中用的較廣泛，但是在星形澆注系統(tǒng)和活塞環(huán)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 10 澆注系統(tǒng)設(shè)計順齒形用 得 較多 【 16】 。 離心式集渣包是指金屬液 以 切線方向進入圓形集渣包。 根據(jù)理論情況， 金屬流入 集渣包 時，斷面會突然增大，導(dǎo)致流速大大降低并在集渣包內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，渣團就會向旋轉(zhuǎn)中心集中、浮起留在集渣包頂部。離心式集渣包結(jié)構(gòu)特點：出口截面積需小于入口，方向和液流旋轉(zhuǎn)方向相反 【 1719】 。 國內(nèi)多數(shù)工廠在 設(shè)置集渣包 ,多 采用梯形截面集渣包。由 于梯形截面比齒形截面大得多 ， 特別是高度 易于 ―調(diào)節(jié) ‖， 夾雜與浮砂易上浮集中在頂部 ， 不容易進入內(nèi)澆口吸動作用區(qū)域 ，集 渣 效果較好，并且 梯形集渣包比齒形和離心式更 容易造型，因此用 得更 廣泛。 本文 對上述 四種常見集渣包 （ 順齒、逆齒、離心式 、 梯形 ）和無集渣包 進行模擬仿真， 然后將設(shè)置集渣包的模擬結(jié)果與無集渣包進行對比分析。集渣包的 結(jié)構(gòu)及尺寸詳見表 集渣包 結(jié)構(gòu)及尺寸 。 表 集渣包 結(jié)構(gòu)及尺寸 名稱 結(jié)構(gòu)示意圖 三維幾何圖 順齒 集 渣 包 逆齒 集 渣 包 梯形 集 渣 包 離心 式 集 渣 包 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 11 無 集 渣 包 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 12 3 集渣效果數(shù)值模擬 FLOW3D 的設(shè)置 FLOW3D 的使用時，主要流程包括 CAD 建模 — 模型導(dǎo)入 — 網(wǎng)格劃分 — 參數(shù)設(shè)置 — 仿真計算 — 結(jié)果分析，其中最關(guān)鍵的 是 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置。 FLOW3D三維 幾何 體是利用網(wǎng)格進行填充的，設(shè)置網(wǎng)格時，網(wǎng)格的大小要適當(dāng)，如網(wǎng)格尺寸太小整過模擬過程計算會變得很復(fù)雜，導(dǎo)致整過 仿真 時間太長。若網(wǎng)格尺寸太大會使三維 幾何 圖產(chǎn)生缺失，從而無法得到準(zhǔn)確結(jié)果 。 參數(shù) 基本 設(shè)置包括 Global、Physies（物理參數(shù)）、 Fluids（流體設(shè)置）、 Meshingamp。Geometry、 Boundaries（邊界條件）、 Intial（初始條件）、 Output(結(jié)果輸出 )、 Numeries， 如圖 的基本參數(shù)設(shè)置。 圖 基本 參數(shù) 設(shè)置 由于本實驗涉及到渣團，并且渣團在整 個 仿真 過程 中是一個關(guān)鍵性因素，因此渣團設(shè)置是否合理將影響到整 個 仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。 FLOW3D 軟件利用有質(zhì)量粒子作為渣團， 粒子 設(shè)置如圖 所示 ，主要包括粒子類型（ particle type）、粒 子大小及密度（ size and density）、初始條件（ initialization）、物理性質(zhì) (properties)、自由表面的相互作用 (free surface interaction)、粒子列表（ particle list）。粒子設(shè)置時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 不足之處 。 本文網(wǎng)格為正方體，網(wǎng)格邊長為 7mm，因此在設(shè)置粒子時，當(dāng)量直徑不能大于 7mm。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 13 圖 粒子設(shè)置 集渣效果仿真過程 為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，在 實驗 設(shè)計 和模擬過程 時，除了需要研究的內(nèi)容，每一組其他 參數(shù) 均保持一致。 不同澆注系統(tǒng) 類型的 仿真過程 在仿真封閉式、半封閉、開放式三種澆注系統(tǒng)集渣過程中，可以觀察：橫澆道充滿情況；充填型腔的穩(wěn)定性或者充填速度；粒子在型腔和橫澆道的分布情況。如圖 為不同澆注系統(tǒng)充填過程，其中綠色粒子為渣團，粒子當(dāng)量直徑為 5mm。 a)半封閉式 b)封閉 式 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 14 c)開放式 圖 不同澆注系統(tǒng)仿真過程 不同橫澆道形式仿真過程 不同的橫澆道形式集渣效果也不同，如圖 為不同橫澆道充填過程，從整個充填過程，可以觀察流體流動情況、速度、粒子流動及分布，其中綠色粒子為渣團，粒子當(dāng)量直徑為 5mm。 a)變截面 b)臺階式 c)頂 雨淋式 d)平直橫澆道 圖 不同橫澆道仿真過程 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 15 不同 集渣包的仿真過程 如圖 不同集渣包充型仿真過程，其中綠色粒子為渣團，粒子當(dāng)量直徑為2mm。充填過程中，可觀察粒子的在橫澆道和集渣包運動情況及最終粒子在型腔和集渣包分布情況。 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（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：進入型腔的粒子數(shù) N0、進入集渣包的粒子數(shù) N進渣率 K、阻渣率 K0以及集渣包的集渣率 K1，其中： K、 K0、 K1計算如 式 、 、其中 N 為粒子總數(shù)。 式 （ ） 式 （ ） 式 （ ） 模擬 結(jié)果統(tǒng)計 如 表 、 所示。 表 模擬結(jié)果 統(tǒng)計 組 數(shù) 名 稱 當(dāng)量直徑 d /mm 粒子總數(shù) N/個 流入型腔粒子數(shù) N1/個 進渣率 K /% 阻渣率K0 /% 第一組 封閉式 5 250 130 52 48 半封閉 5 29 開放式 5 210 84 16 第二組 變截面 5 39 臺階式 5 54 雨淋式 5 21 平直 5 26 第三組 順齒 2 57 逆齒 2 39 梯形 2 56 離心式 2 16 無集渣包 2 96 表 集渣包的集渣率 名稱 集渣包內(nèi)粒子數(shù) N1/個 集渣包集渣率 K1/% 順齒形集渣包 151 逆齒集形渣包 139 梯形集渣包 96