臥式離心鑄造管的三維數(shù)值模擬

臥式離心鑄造管的三維數(shù)值模擬

傳統(tǒng)的鑄造工藝設計只能依靠豐富的鑄造工藝經(jīng)驗和簡單的理論計算，無法正確分析不同

領域的變化。隨著工程技術的快速發(fā)展，模擬分析軟件的使用有助于輔助造林工藝的設計、

分析和制造。JDHwang等

一般模擬軟件更適合模擬立式離心鑄造，對于臥式離心鑄造模擬的效果不好，很難完整地

模擬出臥式離心鑄造層狀流動的特點，F(xiàn)low-31）軟件是少有的能有效地模擬臥式離心鑄造

的軟件。本文運用Flow-3D軟件對臥式離心鑄造管的溫度場和流動場進行了詳細的描述，

并探討了澆注量與鑄型旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)對充型過程的影響。

1數(shù)學模型

1.1做圓周運動的液體的測量

離心鑄造時，液態(tài)金屬隨著模具的旋轉(zhuǎn)做圓周運動，受力情況復雜。除了受到常見的重力

和離心力外，還受到科里奧利慣性力的作用。在做圓周運動的液體中任選一個流體質(zhì)點分

析，流體質(zhì)點的質(zhì)量為叱旋轉(zhuǎn)半徑為r,鑄型旋轉(zhuǎn)角速度為3。假設鑄型勻速轉(zhuǎn)動，流

體跟隨型腔以相同的角速度轉(zhuǎn)動，即流體質(zhì)點相對于鑄型是靜止的，則根據(jù)牛頓運動定律,

該質(zhì)點會受到離心力的作用，其大小為F

將上述受力分解為笛卡爾坐標系下的三個方向，得出某一流體質(zhì)點的受力情況，如果取z

向為軸向，推導出臥式離心鑄造下這三個方向的加速度a

1.2流體充填數(shù)學模型

液態(tài)金屬的流動遵循流體力學規(guī)律，充型過程中金屬液的流動屬于不可壓縮的牛頓型流體

的非定常流動，通常認為是未發(fā)展的紊流流動，充型流動過程服從質(zhì)量守恒、動量守恒，

數(shù)學控制方程分別為連續(xù)性方程、Navier-stokes方程,

Navier-stokes方程（動量守恒）：

連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）：

考慮充型過程中的傳熱，加入對流擴散傳熱方程，其能量方程為：

式中:u、v、w分別為速度矢量在三個坐標軸x、y、z上的分量;D為散度;p為單位密度的

壓力；P為密度；Y為動力學黏度;F

將式（2）帶入能量方程式（4）中，再結合連續(xù)方程式（3）聯(lián)合求解就可以求出流體質(zhì)

點的位置及速度、溫度等,

鑄造充型過程具有液體自由表面移動的特點，為了確定自由表面的形狀，加入了體積函數(shù),

采用SOLA-VOF方法求解體積函數(shù)方程：

體積函數(shù)法是用一個體積函數(shù)F來定義各網(wǎng)格內(nèi)的流體充填情況。用F=1來表示該網(wǎng)格為

充滿狀態(tài)，用F=0表示它為空格狀態(tài)，當F在0和1之間時即為自由表面。

2幾何模型及主要參數(shù)

本文使用Flow-3D軟件進行模擬，建模時可以用pro-E建模軟件建模，生成stl文件，然

后導入Flow-3D中，也可以使用Flow-3D自帶的建模工具建模。離心鑄造管的幾何模型如

圖1所示，具體參數(shù)為:鑄件材料304不銹鋼，外徑880nlm,設計厚度20nlm,管長:000

mm;離心鑄造用管模材料35鋼，壁厚130mln,模筒長度為1000mm,兩端端蓋厚度為30m

圖1中，將澆注系統(tǒng)簡化為一個位于套筒內(nèi)的圓形澆注口，可以根據(jù)實際情況來設定澆注

口的位置、大小和方向等,根據(jù)鑄件大小來確定澆注量，以體積流的方式進行澆注，即假

設每秒澆注量相同，根據(jù)鑄件的體積及澆注時間算的澆注速度為0.0054m

3模擬結果分析與討論

3.1離心條件下的布型

在臥式離心鑄造中，由于寓心力的存在，且離心力遠大于重力，所以金屬流體的流動與傳

統(tǒng)重力鑄造完全不同。圖2、3為充型過程的流動場及其軸截圖?？梢钥闯?，金屬流體剛

進入型腔后以螺旋線向前運動，在離心力的作用下流體會向兩邊運動，會先流向靠近澆注

點的一端，在金屬流體進入型腔后會有一段布型時間，即流體會先布滿整個型腔，形成一

層薄薄的流體層，從圖3(c)可以看出此時布型層比較薄，且厚度不均勻。布型結束后，

金屬流體繼續(xù)在布型層上運動，在離心力的作用下使金屬層厚度漸漸均勻化，同時金屬層

的厚度開始均勻增加直至充型結束;還可以看出金屬液體在軸向上以層狀形式運動，即第

一股金屬液進入鑄型后，由于鑄型的冷卻作用，溫度下降甚至凝固，金屬液體只能流動到

一定的距離，溫度較高的第二股金屬液體進入便在第一股上流動，以此類推。

3.2金屬流體面為紅色球，內(nèi)壓內(nèi)北面

圖4為充型剛結束時的溫麥場，圖5為充型剛結束時內(nèi)圈與外圈的溫度曲線。從圖中可以

看出，在充型過程中，靠近模筒的外圈金屬溫度明顯低于內(nèi)圈金屬的溫度，靠近澆注點的

溫度較高，兩端溫度較低：在兩端附近內(nèi)外圈溫度相差不大，且外圈金屬溫度已經(jīng)接近凝

固，幾乎不再軸向流動，符合流動場層狀流動的規(guī)律。金屬液體在以層狀形式向前推進的

過程中，由于金屬鑄型導熱能力粥，鑄件外壁與金屬鑄型接觸被激冷，有助于這一部分液

態(tài)金屬先凝固。由于熱流是垂直于鑄型壁連續(xù)向外擴散的，因此外層金屬按定向凝固進行,

產(chǎn)生柱狀晶。在離心力的作用下，后澆入的金屬流體會沖擊剛剛結晶或正在結晶的外壁，

妨礙樹枝晶的發(fā)展，達到細化晶粒的效果;并且可以使金屬液滲入已結晶的枝晶空穴口，

獲得致密組織。兩者都有利于提高離心鑄件的力學性能。

3.3布型均勻的鑄管

由前面的溫度場與流動場分析可以知道，金屬流體以層狀形式向前流動過程中，最外層金

屬會優(yōu)先凝固而停止釉向流動，然后第二股金屬流體會在此基礎上繼續(xù)流動。基于這個情

況，在充型過程中當澆注量不夠時會出現(xiàn)兩個問題：(1)無法完成布型，液態(tài)金屬在流到

距澆注點較遠的一端之前就J然凝固；(2)能夠完成布型，但是澆注結束后厚度不均勻。

因此，要得到一個成型良好的鑄管需要一定的澆注量。圖6(a)、(b)分別為0.0108、

0.0135m

3.4不同轉(zhuǎn)速對金屬液體鑄造軌跡的影響

在實際生產(chǎn)中可采用各種經(jīng)驗公式和圖表來確定鑄型的轉(zhuǎn)速，在臥式離心鑄造管中，根據(jù)

式(6)來計算轉(zhuǎn)速：

式中：n為鑄型轉(zhuǎn)速(r/min);R為鑄件內(nèi)半徑(m);G為重力系數(shù)(一般為40~60,為文

取50),通過計算選擇轉(zhuǎn)速為300r/min為最好。為了研究鑄型轉(zhuǎn)速的影響，分別選擇不

同的轉(zhuǎn)速進行模擬。

圖7為不同轉(zhuǎn)速下金屬液體的運動軌跡，其它模擬參數(shù)同2節(jié)所述.通過不同轉(zhuǎn)速的對比

可以發(fā)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)速不同，液態(tài)金屬在進入鑄型后形成的螺旋線也存在著差異。在低速狀

態(tài)下，液態(tài)金屬流動軌跡的螺距較大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺距逐漸減小。

螺距可以根據(jù)以下公式來計算：

式中:S為金屬液體螺距;v

在臥式離心鑄造工藝下，液態(tài)金屬在依靠鑄型旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力克服重力，從而緊貼型壁

充滿型腔，得到所需要的管狀件，因此鑄型轉(zhuǎn)速過高或者過低影響會很大。如圖8所示為

轉(zhuǎn)速過小和過大時的充型情況。從圖中可以看出，如果轉(zhuǎn)速過低(50r/min),會導致離

心力不足，使鑄件上端厚度明顯比下端厚，甚至發(fā)生雨淋現(xiàn)象而導致內(nèi)表面粗糙、夾雜等

缺陷；如果轉(zhuǎn)速過高(600Vmin),在充型過程中液態(tài)金屬的填充速度跟不上鑄型轉(zhuǎn)速，

會使流動變得混亂出現(xiàn)飛濺，同時會導致鑄件外壁承受過大的壓力而導致形成裂紋，還會

增加能耗和偏析現(xiàn)象。

4鑄造轉(zhuǎn)速導致第二股金屬液體進入速度過低，導致成鑄不足

(1)臥式離心鑄造管中，在軸向金屬流體以層狀形式流動，即第一股金屬液進入鑄型后,

由于鑄型冷卻，溫度卜.降甚至凝固，金屬液體只能流動到一定的距離，溫度較高的第一股

金屬液體進入便在第一股上流動，以此類推。

(2)澆注量不能太少，澆注量過少會導致不能完成