【正文】 鋤、鐮以及一些兵器等。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。但是 無論何種鑄造方法 都無法避免一個(gè)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(dòng)強(qiáng)度，促使 生產(chǎn)成本 提高 。 據(jù) 報(bào)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 。 計(jì)算機(jī)在鑄造上的應(yīng)用和發(fā)展 我國(guó)是一個(gè)鑄造大國(guó)卻不是鑄造強(qiáng)國(guó)，要想成為一個(gè)鑄造強(qiáng)國(guó)，就必須 向鑄造強(qiáng)國(guó)看齊，適應(yīng) 當(dāng)代世界經(jīng)濟(jì)全球化、快節(jié)奏的趨勢(shì)，做到市場(chǎng)反應(yīng)快速、低成本 、 高質(zhì)量 、高效率 ，這就必須對(duì)傳統(tǒng)鑄造業(yè)進(jìn)行提升 和改革 。從目前來看，鑄造行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析， 利用 計(jì)算機(jī)來 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、 確定工藝參數(shù) ，通過仿真 預(yù)測(cè)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 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論 2 模擬軟件應(yīng)用的意義 數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)在鑄造上的重要應(yīng)用之一。 目前國(guó)外 普遍采用的鑄造 模擬軟件 有 美國(guó)的 PROCAST 和 FLOW3D， 德國(guó)的MAGMAsoft， 芬蘭的 CASTCAE， 西班牙的 FORCAST， 日本的 CASTTEM， 法國(guó) 的 SIMULOR，瑞典的 NOVASOLID。 利用模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì) 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 。目前我國(guó)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(jì)人員 的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行 工藝設(shè)計(jì) ， 然后進(jìn)行試生產(chǎn)。 FLOW3D 簡(jiǎn)介 由于本課題是以 FLOW3D 仿真軟件作為 研究 基礎(chǔ)， 下面 對(duì) FLOW3D 軟件進(jìn)行 簡(jiǎn)要介紹 。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(dòng)問題 ， 是高效能的計(jì)算 機(jī) 仿真工具 ，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)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 。 FLOW3D 的主要 優(yōu) 勢(shì) ：?jiǎn)我卉浖缑嬲狭怂袉栴}的網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模擬計(jì)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(chǎng)仿真效果出眾，尤其是高速流動(dòng) ； 基于有限差分法的網(wǎng)格劃分， 可自動(dòng)劃分網(wǎng)格并提供多組塊網(wǎng)格劃分， 操作簡(jiǎn)單、不易出錯(cuò)，并且使用了自由網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格不易失真 【 7】 。另一方面，參數(shù)設(shè)置時(shí)，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】 。針對(duì)本課題研究，主要 采 用重力砂型鑄造 。 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。 冶煉過程中產(chǎn)生的渣團(tuán)主要有鋼渣、高爐渣。 高爐渣中主要成分為 CaO、 SiOAl2O3， 是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的廢物 。 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(chǎng)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。 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。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。另一 方 面，最重要的是過濾網(wǎng)價(jià)格不菲，這 會(huì) 大大提高生產(chǎn)成本 【 11】 。 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 。目前對(duì)于中小鑄件多采用橫澆道進(jìn)行擋 渣。若橫澆道與內(nèi)澆口高度設(shè)計(jì)不當(dāng)，渣團(tuán)就容易進(jìn)入型腔，如圖 （ b）為設(shè)計(jì)不良的橫澆道。所以有人認(rèn)為只要將橫澆道設(shè)計(jì)的足夠長(zhǎng) ， 內(nèi)澆口足夠遠(yuǎn)，渣團(tuán)就有充足的時(shí)間上浮， 從而 被截獲。 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)。 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(jì)（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(shí)間上浮是 集渣的 前提條件。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(gè)必要條件是橫澆道高度必須大于內(nèi)澆口的吸動(dòng)區(qū)。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(duì)于研究具有非常重要的意義 ，基于 FLOW3D 眾多優(yōu)勢(shì)， 本文 采用 FLOW3D 對(duì) 集渣效果 進(jìn)行研究 。鑄件材料為 %碳鋼（ 液態(tài) 密度 ρ=），鑄件的質(zhì)量為 。 圖 鑄件 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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 。 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(shí)間上浮，這是集渣的前提條件 ，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證這個(gè)最小距離。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(shí)間攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 7 Tmax=； 流體在橫澆道長(zhǎng)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(shí)，直澆道 與內(nèi)澆口 的距離需要大于 .。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。 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]。適用于鑄鐵的濕型小件及干型中、大件。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(shí)要慎重考慮。 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(shí)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]。 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 。 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(gè)澆注系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及 相關(guān) 尺寸 詳 見 表 。 本文將對(duì)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(zhǎng)度方向上 彎曲變化。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(tái)階、頂注雨淋式。 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 續(xù) 臺(tái) 階 式 橫澆道 長(zhǎng)度上發(fā)生轉(zhuǎn)折，充型過程，易 發(fā)生擾動(dòng) 。 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 。 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。最常見的集渣包類型有齒形、梯形和離心式。 根據(jù)理論知識(shí)， 順齒形集渣包，流體 經(jīng) 過集渣包時(shí)， 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。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】 。 根據(jù)理論情況， 金屬流入 集渣包 時(shí)，斷面會(huì)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(huì)向旋轉(zhuǎn)中心集中、浮起留在集渣包頂部。 國(guó)內(nèi)多數(shù)工廠在 設(shè)置集渣包 ,多 采用梯形截面集渣包。 本文 對(duì)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(duì)比分析。 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(shí)，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。若網(wǎng)格尺寸太大會(huì)使三維 幾何 圖產(chǎn)生缺失，從而無法得到準(zhǔn)確結(jié)果 。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。 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）。 本文網(wǎng)格為正方體，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為 7mm，因此在設(shè)置粒子時(shí)，當(dāng)量直徑不能大于 7mm。 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。 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(gè)充填過程，可以觀察流體流動(dòng)情況、速度、粒子流動(dòng)及分布，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為 5mm。充填過程中，可觀察粒子的在橫澆道和集渣包運(yùn)動(dòng)情況及最終粒子在型腔和集渣包分布情況。 式 （ ） 式 （ ） 式 （ ） 模擬 結(jié)果統(tǒng)計(jì) 如 表 、 所示。在整 個(gè) 仿真過程中可以觀察到粒子主要是在充型初期進(jìn)入型腔的，也就是說在 澆注初期， 橫澆道 呈 未充滿 狀態(tài) ，粒子 無法上浮到橫澆道頂部，進(jìn)而 進(jìn)入 型腔。 相對(duì)于封閉式而言，半封閉 不僅可以充滿橫澆道，并且 沖擊小，紊流弱， 充型平穩(wěn)， 有利于渣團(tuán)上浮 ，集渣效果好于封閉式 。根據(jù)公式 可知，阻力系數(shù)越小，渣團(tuán)上浮速度越快，越易截獲， 由于 阻力系數(shù) 與 雷諾數(shù)有關(guān)，紊流越強(qiáng)，雷諾數(shù)越大 ，而 澆注中流體基本是以紊流為主，液體流動(dòng)雷諾數(shù)在 104~105級(jí)，不難發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù) 與 阻力系數(shù)關(guān)系表 中，阻力