数值模拟在铸造行业的应用已较为广泛,但在卧式离心铸造套筒类铸件的生产中应用还不多见。鉴 于此,本文把计算机仿真技术引入到这一铸造过程中,通过形象的模拟动画分析来判别工艺方案的 可行性,优化工艺参数。1 离心铸造套筒的工艺特点及数学模型在卧式离心铸造条件下,金属液 从浇道流入型腔以后,由于铸型的转动,液态金属将在铸型型壁的带动下,作圆周运动,形成截面 为一定厚度的液体流动轨道。和一般的重力铸造条件相比,流体质点的运动形式更为复杂。适用于 这种运动形式的数值模拟技术也应作出较大的改进。由于液态金属的充型过程依然属于带有自由表 面、粘性、非稳态、不可压缩的流动。描述流体运动状态的连续性方程和动量守恒方程仍然起作用<1>。αx-1ρpx+v( 2u x2+ 2u y2+ 2u z2)= u t+u u x+v u y+w u z(1)αy-1ρp y+v( 2v x2+ 2v y2+ 2v z2)= v t+u v x+v v y+w v z(2)αz-1ρp z+v( 2w x2+ 2w y2+ 2w z2) = w t+u w x+v w y+w w z (3) u x+ v y+ w z=0(4)式中:u,v,w为对应网格点在笛卡尔坐标系x,y,z三个方向的速度矢量分量( m/s);p为压强(Pa);ρ为流体的密度(kg/m3);v为运动粘度系数(m2/s) ;ax、ay、az分别为对应网格点在x、y、z三个轴向的加速度(m/s2)。在卧式离心 铸造的轴向,加速度可取为0,在另外两个方向,需考虑向心加速度、科里奥利加速度及重力加速 度的分量。如果取x向为轴向,则 αx=0αy=-ω2y-2ω(w-ωy)αz=-ω2z+2ω(v+ωz)+g。考虑充型过程中的传热,加入对流扩散传热方程ρcp(T t+u T x+v T y+w T z)=λ( 2T x2+ 2T y2+ 2T z2)(5)式中,cp为流体的比热容(J/kg·K);T为流体的温度(K);λ为流体的热 导系数(W/m·K)。62 TECHNOLOGYHotWorkingTechno logy 2004No.52 边界条件的改进在处理自由表面边界条件时,除了改进了原来用 于一般重力铸造方式下的惯性原理和连续性原理相结合的方法,还考虑了旋转自由表面的特点。具 体思路是,在同一个网格单元内,如果流体不遇到阻碍,则在原有的方向和流速两个变量中,加入 一分流因子系数,调整流出速度,该分流因子系数参考该网格靠近型壁方向的邻近网格的速度来确 定;如遇到阻碍,该分流因子系数根据周围网格的流体速度确定,在其它可能的流出方向上按一定 的比例来调整流出速度。在分析液态金属的充型过程时,引入“旋转外壳网格”的思想。
液态金属 在大的离心力的作用下,在型壁处将受到很大的摩擦力影响,且此摩擦力将成为所有旋转运动着的 流体质点的向心加速度和科里奥利加速度的原因。大的摩擦力的存在也将使最外层的液态金属沿着 铸型的旋转方向加速,使之在很短的时间内达到铸型的转速,并在以后保持与相邻铸型网格的速度 一致。通过加入对此外壳层的速度的设定,更形象地反应出了卧式离心铸造过程中运动着的型壁对 充型过程中的液态金属的影响。3 求解算法及软件的组成数值求解数理方程,首先进行离散处理 。本模拟采用有限差分方法和交错网格离散格式对铸件进行空间和时间上的离散。采用SOLA- VOF方法进行求解。SOLA部分的任务是迭代求解流动域内各单元的速度、压力值,VOF部 分的任务是处理流动前沿的推进变化。在上述理论研究的基础上,研制成功了离心铸造充型过程数 值模拟软件。本研究采用Solidworks作为铸件工艺的三维实体造型的工具,采用本文所 研究的分析软件模拟离心铸件充型过程的物理场。软件分为三大部分,前处理部分主要进行网格的 剖分和材质的设定,计算部分主要进行流场和温度场的分析计算,后处理部分通过动画显示方式将 充型过程的物理特性生动地展现在计算机屏幕上。4 套筒的算例及分析结果铸钢套筒具有强度高 、加工性能好和成本低等特点。当采用静态铸造方法生产时,难以使铸件达到上述性能要求,铸件 组织均匀性差,铸件内部易出现缩孔和疏松等铸造缺陷<2>。卧式离心铸造生产方式的采用,可 以使铸件的组织致密度提高,表面强度增大,成本降低。因而这种特种铸造方式被广泛地应用于生 产此类铸件。下面为一典型的套筒算例,套筒的材质为ZG35Mn,铸型材质为灰铁,型腔内表 面保温涂料余温为350℃,铸件外半径350mm,内半径275mm,长度3850mm。卧 式离心铸造时,应使液体金属自由表面上最高点处质点的离心力最少等于重力,否则将出现雨淋现 象,如图1(见彩色中插)所示,使铸件产生夹渣、起皮缺陷甚至难以成型<3>。卧式离心铸造 的转速η(r/min)可用下式<4>计算:η=299G/R(6)式中:G为重力系数(取 液体金属的有效重度与重度之比);R为铸件半径(cm),通常取内半径。选取重力系数约为5 0,设计初期转速为400r/min,凝固阶段转速为500r/min,凝固后期降低转速, 直至凝固结束。图2～4(见彩色中插)是圆筒铸件充型过程不同时刻的金属液充填顺序、温度分 布的模拟结果。从图2、3中可以看出,液态金属浇入铸型中,首先形成较薄一层金属外壳,随着 金属型的激冷作用,这一薄层金属首先凝固。从图2中看出,随着浇注液体的增多,端面降温较快 ,温度较低,冲刷部位温度较高,降温次序的不一致易导致裂纹的出现。通过对铸钢套筒件浇注过 程温度的分析,可以预测停止铸型转动的时间。此算法用在轧辊等浇注工艺复杂的生产过程中,可 以合理地估计工作层的浇注冷凝时间和厚度范围内的温度场分布状态。本研究所开发出的离心铸造 充型过程数值模拟软件,已应用到华中科技大学凝固模拟研究室与鞍钢机制公司合作的生产项目中,该软件系统对实际生产有重要的参考价值。铸钢套筒离心铸造充型过程数值模拟@曾兴旺$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074
@陈立亮$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074
@刘瑞祥$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074铸钢套筒;;离心铸造;;
数值模拟;;
传热;;充型针对离心铸造铸钢套筒生产方法的工艺特点,对金属液体的流动、传热进行分析,考 虑了向心加速度和科里奥利加速度,成功建立了描述这种铸造方法充型及凝固特性的数学模型。并 利用数值模拟技术,在VisualC++6.0平台上,对铸钢套筒铸件的形成过程进行了可视 化仿真。实际应用表明,可以达到验证现有方案,优化铸造工艺的目的。<1> 陈立亮,刘瑞祥 ,林汉同.低压铸造铝合金车轮充型过程数值模拟的研究
.中国机械工程,1999,10(3):344-346.
<2> 符寒光,邢建东,赵爱民.大直径铸钢套筒的离心铸造研究.特种铸造及有色合金,2001,(2):92-94.
<3> 曾昭昭.特种铸造.杭州:浙江大学出版社.1990.
<4> 李锡年.立式离心铸造技术及其应用.铸造技术,1999,(1):10-11. 国家自然科学基金资助项目(10176009);;国家航天支撑技术基金资助项目(2002 )奔洹４怂惴ㄓ迷谠醯冉阶⒐ひ崭丛拥纳讨?可以合理地估计工作层的浇注冷凝时间和厚 度范围内的温度场分布状态。本研究所开发出的离心铸造充型过程数值模拟软件,已应用到华中科 技大学凝固模拟研究室与鞍钢机制公司合作的生产项目中,该软件系统对实际生产有重要的参考价值。铸钢套筒离心铸造充型过程数值模拟@曾兴旺$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074
@陈立亮$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074
@刘瑞祥$华中科技大学材料学院!湖北武汉430074铸钢套筒;;离心铸造;;数值模拟;; 传热;;充型针对离心铸造铸钢套筒生产方法的工艺特点,对金属液体的流动、传热进行分析,考 虑了向心加速度和科里奥利加速度,成功建立了描述这种铸造方法充型及凝固特性的数学模型。并 利用数值模拟技术,在VisualC++6.0平台上,对铸钢套筒铸件的形成过程进行了可视 化仿真。实际应用表明,可以达到验证现有方案,优化铸造工艺的目的。<1> 陈立亮,刘瑞祥 ,林汉同.低压铸造铝合金车轮充型过程数值模拟的研究.中国机械工程,1999,10(3):344-346.
<2> 符寒光,邢建东,赵爱民.大直径铸钢套筒的离心铸造研究.特种铸造及有色合金,2001,(2):92-94.
<3> 曾昭昭.特种铸造.杭州:浙江大学出版社.1990.
<4> 李锡年.立式离心铸造技术及其应用.铸造技术,1999,(1):10-11. 国家自然科学基金资助项目(10176009);;国家航天支撑技术基金资助项目(2002)