【文章內(nèi)容簡介】 ） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 7 Tmax=； 流體在橫澆道長度方向速度 V，可根據(jù)本文設(shè)計(jì)的壓頭高度計(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)時，直澆道 與內(nèi)澆口 的距離需要大于 .。 . 實(shí) 驗(yàn) 設(shè)計(jì) 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(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)時，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 。 不同 澆注系統(tǒng) 類型 設(shè)計(jì) 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(diǎn)是可防止金屬液卷入氣體，消耗金屬液少，清理方便，缺點(diǎn)是進(jìn)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(diǎn)是進(jìn)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(jì)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(jì)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(xiàn) [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(xiàn) [15]選擇尺寸 詳 見表 ；經(jīng) 計(jì)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(jì)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(jì)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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(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 。 本文將對橫澆道形式進(jìn)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(jìn)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(jì)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(diǎn) 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)順序凝固，有良好的補(bǔ)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(jì) 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(tuán)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(tuán)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(tuán) 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(shí)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(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 10 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(tuán)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(diǎn)：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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 11 無 集 渣 包 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)涉及到渣團(tuán)，并且渣團(tuán)在整 個 仿真 過程 中是一個關(guān)鍵性因素，因此渣團(tuán)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(tuán)， 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(jì)（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(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì) 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(tuán)，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(jì)（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(tuán)，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(jì)（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(tuán)，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(yùn)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(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)。 式 （ ） 式 （ ） 式 （ ） 模擬 結(jié)果統(tǒng)計(jì) 如 表 、 所示。 表 模擬結(jié)果 統(tǒng)計(jì) 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(jìn)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