卧式离心铸造管的三维数值模拟

卧式离心铸造管的三维数值模拟

传统的铸造工艺设计只能依靠丰富的铸造工艺经验和简单的理论计算，无法正确分析不同领域的变化。随着工程技术的快速发展，模拟分析软件的使用有助于辅助造林工艺的设计、分析和制造。JDHwang等一般模拟软件更适合模拟立式离心铸造,对于卧式离心铸造模拟的效果不好,很难完整地模拟出卧式离心铸造层状流动的特点,Flow-3D软件是少有的能有效地模拟卧式离心铸造的软件。本文运用Flow-3D软件对卧式离心铸造管的温度场和流动场进行了详细的描述,并探讨了浇注量与铸型旋转速度等参数对充型过程的影响。1数学模型1.1做圆周运动的液体的测量离心铸造时,液态金属随着模具的旋转做圆周运动,受力情况复杂。除了受到常见的重力和离心力外,还受到科里奥利惯性力的作用。在做圆周运动的液体中任选一个流体质点分析,流体质点的质量为m,旋转半径为r,铸型旋转角速度为ω。假设铸型匀速转动,流体跟随型腔以相同的角速度转动,即流体质点相对于铸型是静止的,则根据牛顿运动定律,该质点会受到离心力的作用,其大小为F将上述受力分解为笛卡尔坐标系下的三个方向,得出某一流体质点的受力情况,如果取z向为轴向,推导出卧式离心铸造下这三个方向的加速度a1.2流体充填数学模型液态金属的流动遵循流体力学规律,充型过程中金属液的流动属于不可压缩的牛顿型流体的非定常流动,通常认为是未发展的紊流流动,充型流动过程服从质量守恒、动量守恒,数学控制方程分别为连续性方程、Navier-stokes方程。Navier-stokes方程(动量守恒):连续性方程(质量守恒):考虑充型过程中的传热,加入对流扩散传热方程,其能量方程为:式中:u、v、w分别为速度矢量在三个坐标轴x、y、z上的分量;D为散度;p为单位密度的压力;ρ为密度;γ为动力学黏度;F将式(2)带入能量方程式(4)中,再结合连续方程式(3)联合求解就可以求出流体质点的位置及速度、温度等。铸造充型过程具有液体自由表面移动的特点,为了确定自由表面的形状,加入了体积函数,采用SOLA-VOF方法求解体积函数方程:体积函数法是用一个体积函数F来定义各网格内的流体充填情况。用F=1来表示该网格为充满状态,用F=0表示它为空格状态,当F在0和1之间时即为自由表面。2几何模型及主要参数本文使用Flow-3D软件进行模拟,建模时可以用pro-E建模软件建模,生成stl文件,然后导入Flow-3D中,也可以使用Flow-3D自带的建模工具建模。离心铸造管的几何模型如图1所示,具体参数为:铸件材料304不锈钢,外径880mm,设计厚度20mm,管长1000mm;离心铸造用管模材料35钢,壁厚130mm,模筒长度为1000mm,两端端盖厚度为30mm。图1中,将浇注系统简化为一个位于套筒内的圆形浇注口,可以根据实际情况来设定浇注口的位置、大小和方向等。根据铸件大小来确定浇注量,以体积流的方式进行浇注,即假设每秒浇注量相同,根据铸件的体积及浇注时间算的浇注速度为0.0054m3模拟结果分析与讨论3.1离心条件下的布型在卧式离心铸造中,由于离心力的存在,且离心力远大于重力,所以金属流体的流动与传统重力铸造完全不同。图2、3为充型过程的流动场及其轴截图。可以看出,金属流体刚进入型腔后以螺旋线向前运动,在离心力的作用下流体会向两边运动,会先流向靠近浇注点的一端,在金属流体进入型腔后会有一段布型时间,即流体会先布满整个型腔,形成一层薄薄的流体层,从图3(c)可以看出此时布型层比较薄,且厚度不均匀。布型结束后,金属流体继续在布型层上运动,在离心力的作用下使金属层厚度渐渐均匀化,同时金属层的厚度开始均匀增加直至充型结束;还可以看出金属液体在轴向上以层状形式运动,即第一股金属液进入铸型后,由于铸型的冷却作用,温度下降甚至凝固,金属液体只能流动到一定的距离,温度较高的第二股金属液体进入便在第一股上流动,以此类推。3.2金属流体面为红色球,内压内北面图4为充型刚结束时的温度场,图5为充型刚结束时内圈与外圈的温度曲线。从图中可以看出,在充型过程中,靠近模筒的外圈金属温度明显低于内圈金属的温度,靠近浇注点的温度较高,两端温度较低,在两端附近内外圈温度相差不大,且外圈金属温度已经接近凝固,几乎不再轴向流动,符合流动场层状流动的规律。金属液体在以层状形式向前推进的过程中,由于金属铸型导热能力强,铸件外壁与金属铸型接触被激冷,有助于这一部分液态金属先凝固。由于热流是垂直于铸型壁连续向外扩散的,因此外层金属按定向凝固进行,产生柱状晶。在离心力的作用下,后浇入的金属流体会冲击刚刚结晶或正在结晶的外壁,妨碍树枝晶的发展,达到细化晶粒的效果;并且可以使金属液渗入已结晶的枝晶空穴中,获得致密组织。两者都有利于提高离心铸件的力学性能。3.3布型均匀的铸管由前面的温度场与流动场分析可以知道,金属流体以层状形式向前流动过程中,最外层金属会优先凝固而停止轴向流动,然后第二股金属流体会在此基础上继续流动。基于这个情况,在充型过程中当浇注量不够时会出现两个问题:(1)无法完成布型,液态金属在流到距浇注点较远的一端之前就已然凝固;(2)能够完成布型,但是浇注结束后厚度不均匀。因此,要得到一个成型良好的铸管需要一定的浇注量。图6(a)、(b)分别为0.0108、0.0135m3.4不同转速对金属液体铸造轨迹的影响在实际生产中可采用各种经验公式和图表来确定铸型的转速,在卧式离心铸造管中,根据式(6)来计算转速:式中:n为铸型转速(r/min);R为铸件内半径(m);G为重力系数(一般为40~60,本文取50),通过计算选择转速为300r/min为最好。为了研究铸型转速的影响,分别选择不同的转速进行模拟。图7为不同转速下金属液体的运动轨迹,其它模拟参数同2节所述。通过不同转速的对比可以发现,由于转速不同,液态金属在进入铸型后形成的螺旋线也存在着差异。在低速状态下,液态金属流动轨迹的螺距较大,随着转速的增加,螺距逐渐减小。螺距可以根据以下公式来计算:式中:S为金属液体螺距;v在卧式离心铸造工艺下,液态金属在依靠铸型旋转产生的离心力克服重力,从而紧贴型壁充满型腔,得到所需要的管状件,因此铸型转速过高或者过低影响会很大。如图8所示为转速过小和过大时的充型情况。从图中可以看出,如果转速过低(50r/min),会导致离心力不足,使铸件上端厚度明显比下端厚,甚至发生雨淋现象而导致内表面粗糙、夹杂等缺陷;如果转速过高(600r/min),在充型过程中液态金属的填充速度跟不上铸型转速,会使流动变得混乱出现飞溅,同时会导致铸件外壁承受过大的压力而导致形成裂纹,还会增加能耗和偏析现象。4铸造转速导致第二股金属液体进入速度过低,导致成铸不足(1)卧式离心铸造管中,在轴向金属流体以层状形式流动,即第一股金属液进入铸型后,由于铸型冷却,温度下降甚至凝固,金属液体只能流动到一定的距离,温度较高的第二股金属液体进入便在第一股上流动,以此类推。(2)浇注量不能太少,浇注量过少会导致不能完成布型或者最终成型时厚度不均匀。(3)转速会影响液态金属在进入铸型后