發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體氣固兩相流數(shù)值模擬分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體氣固兩相流數(shù)值模擬分析

傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，因此很難評(píng)估工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，鈦的質(zhì)量狀況也很難觀察（例如，收縮、收縮、卷氣等）。通常，在小規(guī)模生產(chǎn)和試驗(yàn)后，應(yīng)通過(guò)破壞性解剖或工業(yè)ct掃描等手段對(duì)其進(jìn)行初步評(píng)估，然后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。1對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造的數(shù)值進(jìn)行模擬和優(yōu)化1.1方案2：堿酚醛樹(shù)脂砂船用中速柴油機(jī)，為船舶核心部件，其質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。160系列發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，外形為直列布局，6缸，材質(zhì)為HT200，毛坯重656kg。原工藝采用堿性酚醛樹(shù)脂砂造型，分上下兩箱，三乙胺吹氣硬化法制芯，整體組芯下芯，臥澆傾斜澆注的方案。此方案日臻成熟，但仍存在部分缺陷，其中160機(jī)體上觀察窗出現(xiàn)氣孔缺陷，因此產(chǎn)生的廢品約占總廢品的85%左右，亟待解決。此缺陷外觀細(xì)長(zhǎng)，內(nèi)表面光滑，有氧化色，系侵入性氣孔。侵入性氣孔是一種物理性氣孔，其形狀不規(guī)則、體積較大、內(nèi)壁圓滑、表面有氧化色，經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件的澆注位置頂部或內(nèi)澆道對(duì)面冷鐵液最后到達(dá)部位1.2原工藝價(jià)值的模擬分析1.2.1觀察窗部位氣孔針對(duì)160機(jī)體上觀察窗氣孔嚴(yán)重的問(wèn)題，有目的性地對(duì)觀察窗位置進(jìn)行充型過(guò)程數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在澆注過(guò)程中鑄件觀察窗位置開(kāi)始充型到充型結(jié)束裹氣概率都是較高的，絕大部分時(shí)間段達(dá)到40%以上，在澆注結(jié)束時(shí)裹氣概率仍有17.5%，由此判斷觀察窗位置易出現(xiàn)氣孔缺陷，這與實(shí)際情況相符。根據(jù)鑄件充型過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和原工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鑄件觀察窗部位氣孔產(chǎn)生有如下原因。(1）結(jié)構(gòu)原因：該位置為高點(diǎn)，容易積氣，若排氣不暢就容易產(chǎn)生氣孔缺陷。(2）工藝原因：該位置有蓄氣冒口片，加大了產(chǎn)生氣孔缺陷的概率，如圖3所示。1.2.2氣體運(yùn)動(dòng)軌跡根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采取以下技術(shù)措施。(1）去除蓄氣冒口片，如圖4a所示，改變?cè)撐恢脷怏w運(yùn)動(dòng)軌跡，防止氣體在此處集聚卻又不能及時(shí)排出。(2）以增加排氣通道的方式增加砂芯排氣面積，保證砂芯內(nèi)氣體順利排出，防止氣體進(jìn)入型腔內(nèi)，如圖4b所示。1.3優(yōu)化工藝的數(shù)值模擬1.3.1降低了產(chǎn)生早期研制工藝的鋌氣對(duì)改進(jìn)后的工藝進(jìn)行鑄件充型過(guò)程數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，相較原工藝，去除蓄氣片后鑄件充型過(guò)程中觀察窗位置同等狀態(tài)下裹氣傾向變大的時(shí)間向后延遲2～3s左右，延長(zhǎng)了該位置氣體外溢時(shí)間，且增加砂型砂芯排氣面積后充型過(guò)程更加平穩(wěn)，氣體排出更加順暢，出現(xiàn)裹氣的概率由原先的40%、45%降低到了27%、28%，充型完成后的裹氣概率更是由17.15%降到了2.15%，顯著減小了產(chǎn)生氣孔缺陷的傾向。1.3.2生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果采用優(yōu)化后的鑄造工藝試驗(yàn)生產(chǎn)160機(jī)體鑄件共488件，沒(méi)有出現(xiàn)上述觀察窗氣孔缺陷導(dǎo)致的廢品，綜合廢品率大大降低。2模擬和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)擠出工藝2.1氣體慣性力的作用曲軸是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，承受連桿傳來(lái)的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他部件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用，因此要求曲軸有足夠的強(qiáng)度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。我司生產(chǎn)的6170曲軸材質(zhì)為QT800-2，單件毛坯重551kg，部分鑄件出現(xiàn)夾渣缺陷。夾渣又稱(chēng)黑渣、黑斑，是球墨鑄鐵常見(jiàn)鑄造缺陷之一。夾渣使球墨鑄鐵金屬組織的連續(xù)性遭到破壞、塑性韌性和疲勞強(qiáng)度下降、材料的冷熱加工性能及某些物理性能也同時(shí)受到影響2.2原工藝價(jià)值的模擬分析2.2.1數(shù)值模擬結(jié)果采用MAGMA軟件夾渣分析模塊對(duì)6170曲軸原工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，運(yùn)用示蹤粒子法追蹤金屬液的流向以及充型過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出夾渣產(chǎn)生的原因有如下兩個(gè)方面。(1）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)澆道數(shù)量太少，橫截面積小，造成金屬液通過(guò)內(nèi)澆道時(shí)流速過(guò)快，易導(dǎo)致紊流，氧化嚴(yán)重，甚至沖刷型腔嚴(yán)重，金屬液內(nèi)雜質(zhì)增多。(2）橫澆道末端距離內(nèi)澆道過(guò)近，末端金屬液倒卷紊流氧化后易進(jìn)入型腔，受污染金屬液不能及時(shí)排出時(shí)就容易引起夾渣缺陷。2.2.2減少液流傾向根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采取了以下措施。(1）增加內(nèi)澆道數(shù)量并均勻分布，平衡金屬液溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，降低液流速度，減輕紊流傾向。(2）延長(zhǎng)橫澆道，增加集渣包結(jié)構(gòu)，蓄積橫澆道末端金屬液反卷紊流產(chǎn)生的氧化渣，防止其進(jìn)入型腔。(3）修改曲軸端部?jī)?nèi)澆道角度，使金屬液進(jìn)入型腔時(shí)有緩沖的效果，減輕液流對(duì)型腔的沖刷。改進(jìn)工藝方案如圖7所示。2.3優(yōu)化工藝的數(shù)值模擬2.3.1延長(zhǎng)橫澆道，延長(zhǎng)集渣包采用改進(jìn)后澆注系統(tǒng)進(jìn)行示蹤粒子數(shù)值模擬分析，如圖8所示。從圖8可以看出，增加均勻布置的內(nèi)澆道后，金屬液充型更加平穩(wěn)，紊流傾向顯著降低，金屬液氧化幾率降低；延長(zhǎng)橫澆道，增加集渣包后，解決了澆注初期金屬液沖擊橫澆道末端反卷的問(wèn)題，降低了紊流氧化概率。同時(shí)，集渣包形成封閉渦旋，夾渣物存于集渣包內(nèi)，降低了夾渣物沿橫澆道返回進(jìn)入型腔的概率；橫澆道內(nèi)的渣污也浮在橫澆道上方，保持了型腔內(nèi)鐵液的純凈度；修改端部?jī)?nèi)澆道角度后減輕了金屬液對(duì)型腔的沖刷，減小了型壁沖刷造成夾雜的概率。2.3.2生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果鑄造工藝改進(jìn)后進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，共驗(yàn)證6170曲軸鑄件468支，夾渣廢品4件，夾渣廢品率0.85%，降低了3%。3數(shù)值模擬與最佳工藝本項(xiàng)工藝研發(fā)工作以柴油