排氣閥鑄件的結(jié)構(gòu)、工藝及數(shù)值模擬

排氣閥鑄件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其形狀為一長(zhǎng)桿件，頂部(菌部)為圓臺(tái)形，采用立式離心鑄造方法生產(chǎn)排氣閥，采用感應(yīng)凝殼熔煉(ISM)方法熔煉TiAl基合金，在真空澆注室澆注，整個(gè)澆注系統(tǒng)如圖2所示。熔體經(jīng)導(dǎo)向板注入中心澆道，然后充填鑄型。鑄型采用金屬型，排氣閥型腔部分采用模具鋼，其余部分采用碳鋼。鑄型的結(jié)構(gòu)采用嵌入式，對(duì)分結(jié)構(gòu)，中心澆道的上部略小于下部，可在一定程度上減小熔體的溢出傾向。鑄型的底部固定在離心轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨轉(zhuǎn)臺(tái)一同旋轉(zhuǎn)。排氣閥水平放置在中心澆道的兩側(cè)，熔體從菌部注入。一次澆注兩件。

圖1  鑄件結(jié)構(gòu)圖

圖2  澆注系統(tǒng)示意圖

運(yùn)用計(jì)算方程及其相應(yīng)開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì)排氣閥鑄件進(jìn)行了三維充填及凝固過(guò)程數(shù)值模擬，首先，由于這一過(guò)程較復(fù)雜，本文只對(duì)鑄件部分進(jìn)行數(shù)值模擬，忽略了金屬熔體在直澆道中的流動(dòng)，并且假設(shè)在鑄件入口處完全充滿。根據(jù)計(jì)算，在入口處熔體以V0=1000mm/s的速度充填，離心鑄造旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速w=300r/min，入口距旋轉(zhuǎn)軸的距離是L0=100mm。然后對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并且將其帶入模擬程序中進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3所示，其選取的截面是D-D截面，D-D截面具體位置如圖1所示，D-D截面全面反映了熔體流動(dòng)的全過(guò)程，包括充填形式，充填位置，及充填過(guò)程溫度的變化等。

圖3  D-D截面不同時(shí)間充填速度分布

圖3為排氣閥D-D截面充填的速度場(chǎng)，從圖中可以看到熔體自入口處進(jìn)入型腔，然后沿鑄型的后壁向前流動(dòng)，抵達(dá)遠(yuǎn)端后反向充填，反向充填時(shí)正反方向的接觸面相對(duì)速度很大，易形成渦流，熔體反向充填結(jié)束時(shí)在入口處形成一個(gè)封閉的體積．在向前流動(dòng)的同時(shí)，熔體的截面逐漸減少，而且，自由表面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象反映在圖4當(dāng)中，圖4為充填過(guò)程的截面變化及自由表面旋轉(zhuǎn)變化的情況。

圖4  熔體不同位置橫截面積及自由表面傾角

圖5  D-D截面不同時(shí)間壓力場(chǎng)

在充填過(guò)程當(dāng)中，熔體的相對(duì)壓力變化如圖5所示，熔體在正向充填時(shí)壓力充填并未體現(xiàn)，體現(xiàn)這一壓力充填的過(guò)程是從反向充填開(kāi)始，形成了壓力在遠(yuǎn)端最大，入口處最小的壓力梯度。圖6為充填過(guò)程的溫度變化規(guī)律，從圖中可以看到，熔體在向前流動(dòng)中溫度逐漸降低，形成一個(gè)從入口到遠(yuǎn)端，然后再?gòu)倪h(yuǎn)端到入口的凝固順序，這對(duì)補(bǔ)縮不利。

圖6  D-D截面不同時(shí)間溫度場(chǎng)

加上排氣閥細(xì)長(zhǎng)的桿狀結(jié)構(gòu)，容易形成縮松缺陷。上述模擬軟件在以石蠟作為熔體材料的離心鑄造中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。